随着IP电话功能的日益强大,DSP占据核心地位

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因特网协议(IP)语音技术的日益推广以及因特网协议语音传输 (VoIP) 技术的迅速发展,推动了IP电话供应商在不断提高语音服务质量的同时,还不断推出新的令人振奋的功能与特性。幸运的是,对设计人员来说,数字信号处理器 (DSP) 平台正在迎接新技术所提出的各种挑战,支持更高的语音质量与更强大的处理能力,并降低整体功耗,从而满足新一代电话的需求。
IP电话设计人员选择处理器时,关键是要确保该处理器同时具备强大的实时处理能力、低功耗以及添加特性的高度灵活性等特性。TI推出的TMS320C5000DSP能够提供适当的特性集,可满足上述要求。此外,带DSP内核的片上系统(SoC)也提供了必需的处理能力,可满足中高端电话的需求。IP电话开发人员也可使用现有的其他解决方案,比如单或双精简指令集计算机(RISC)架构,但使用这些技术进行语音编解码与实时语音处理就没有DSP的工作效率高。可编程的DSP能适应未来特性与标准发展的要求,在此方面确实棋高一招。
短期内,供应商将不断努力改进IP电话的语音质量。长期来说,他们将推出高清 (HD) 语音、固定/移动融合、PC/电话集成等新功能与应用,以此来巩固其在IP电话市场中的地位。不过,就目前而言,设计人员应选择一款具备必需的实时处理能力、功耗尽可能低且理想适用于VoIP应用的DSP
SDHD语音
首先,我们必须了解当前技术从标清(SD)向高清(HD)转变的情况,并认清其对IP语音市场的影响。更重要的是,要知道如何在有关应用中充分利用DSP,使HD语音在不久的将来成为现实。
有趣的是,电信传输网络尽管是率先采用数字技术的介质,但它却是最后一个充分利用数字技术清晰度优势的介质。电视、摄影、视频、无线电广播及音乐等其他数字媒体均在从SD HD 过渡,以更好地满足消费者的需求。尽管语音通信仍然以SD POTS 质量级的语音服务为主,但随着DSP技术的引入,HD语音服务将成为未来IP语音通信的主流。
电信市场最初采用数字技术时,决定以SD语音为标准,将频率限制为2003300Hz左右,以节约网络带宽。这种人为的限制会引起语音削波,同时还使频率降至正常的听觉范围以下(正常听觉频率可达20 000Hz)。正由于此,通过POTS网络进行电话通话的音质绝对比不上当面谈话。随着时间的推移,电话骨干网络不断发展升级,其中包括向数字技术转变,但将家庭和小型企业连接到基础局端的最后一英里连接或双绞线铜线本地环路仍以低带宽双绞线为主要传输介质,家庭电话仍主要采用模拟技术,带宽非常有限。VoIP传输以及IP电话等设备则不受这些限制,因此将更接近于当面谈话。
    现在,用户采用宽带技术,可以不受3300Hz的频率限制,语音信号能够高速通过从本地到基础局端的最后一英里。在某些领域,光纤与其他高容量介质甚至开始取代家庭中的铜线。宽带连接的数据吞吐速率也在不断加速发展。事实上,普通家庭宽带传输速度已达到下行5Mb/s,上行2Mb/s。之所以发展如此迅速,很大程度上要归功于VoIP业务的快速发展,其通过IP电话、路由器及其他设备将DSP的高速实时处理能力带到了家中。现在,支持HD语音功能的技术正日益盛行。

1 SDHD编解码器的比较
由于人的听觉范围是2020000HzHD语音通话技术相对SD语音话技术而言,是一种更理想的选择。HD 语音技术可在更宽的频谱范围内实现出色音质,如图1所示,因此人能在一般的HD电话交谈中能听到最小、最微妙的语音变化。例如,利用HD技术,同某人进行电话通话就像和他(她)在同一房间中面谈一样。尽管更高HD频谱(256Kb/s通道)所需的数据带宽远远高于SD语音(64Kb/s),但DSP具备实时数据压缩功能,能将HD语音的带宽要求减小到原来的1/4,同时保持HD语音质量不受影响。
实时语音处理
回顾几年前,VoIP技术遇到的第一大挑战就是如何满足普通老式模拟电话业务 (POTS)长期建立起来的基本服务质量 (QoS) 标准。设计人员开始实施基于DSPIP电话,不仅能满足客户多年来已经习惯的通话语音质量要求,而且还能使电话通话体验的质量远远优于电信级语音质量,以实现CD级音质的丰富性与稳健性。
具备足够实时语音处理能力的DSP对提供VoIP应用所需的高质量语音服务至关重要。由于四线制到两线制通话线路混合转换反射及其他问题可能产生线路信号回声,DSP必须要解决回声消除等问题,还要支持脉冲编码调制(PCM)处理、节约带宽的数据流压缩、通话音生成与检测、扬声器电话等应用的回声消除等。
DSP相比,RISC处理器等通用技术更适合非实时数据处理与控制任务,如系统人机接口和数据库处理等。支持高速、实时、乘法累加(MAC)功能的DSP则能快速处理高强度的数学运算任务,因此非常适合IP电话的高质量语音处理和安全性应用需求。
基于DSP的电话,或者一般性的VoIP设备,肯定会超过当前的语音质量水平,达到高清 (HD) 语音的标准。除了实现更出色音频体验的优势之外,采用DSP技术的HD语音将成为许多令人振奋的新型VoIP应用的基础,其中包括增强型自然语言控制及实时语音转换服务等。事实上,HD语音有望推动语音成为所有与因特网相连的设备以及众多独立的电子设备的主要用户接口。
双处理架构
IP电话所使用的DSP类型很大程度上取决于电话的质量。例如,低端电话通常使用单个DSP 即可,因为低端电话无须高级特性集成,也无须支持更高质量服务的灵活性。而中高端IP电话则不然,其需要更多特性集成并提出更高的应用要求,因此最好采用基于DSPSoC,而且还须支持多个处理内核,其中DSP专门负责语音处理,而通用RISC内核则负责管理和控制系统与用户接口。若只采用单个RISC内核而不使用DSP,效率会非常低,因而要实现与SoC设备相同的功能,就需要更多的MIPS并消耗更多功率。
采用双处理架构有助于IP电话支持高质量HD语音服务,并能灵活地支持各种新型应用,如固定/移动融合、PC/电话集成、更强大的安全算法、电子邮件及生产率工具等。借助专门负责语音处理的DSP内核,IP 电话可轻松支持众多高级语音特性能。例如,我们可在IP电话中集成多个编解码器,而且根据需要可动态部署,从而避免转码工作。

2 Tms320c5502的结构图
高级编解码器可通过高强度处理压缩算法来减少带宽使用,不管其MIPS要求多高(有的甚至高出26倍),均可在DSP内核中轻松执行。DSP内核所采用的其他高级语音处理技术也可能支持实时数字回声消除、扬声器电话应用中的回声消除,并可在同一电话线路上实现多个语音通道的多路复用,以支持电话会议应用要求。事实上,图2所示的架构能同时支持多达4HD语音通道或6SD通道。该架构中的RISC内核经过分配,不仅可支持千兆以太网或USB 流量,而且还能支持数据处理资源,满足PC为主的计算机/电话集成等应用需求。
功能强大但功耗较低
IP 电话的型号通常按照功耗加以标示。许多IP电话采用以太网供电(PoE)技术并通过网络来供电。如果部署许多耗电高的IP电话,这样会提高企业的运营成本和,尤其是中小型企业的用电成本会大幅上升。此外,由于手持终端功耗高,散热严重,因此IP电话用户还会面临可靠性问题。
进而言之,通过降低功耗,IP 电话供应商能在工业设计方面获得竞争优势,因为功耗始终是消费类及商业电子产品设计过程中所要考虑的关键因素。预计无绳IP电话将在家庭IP市场中广受欢迎,就像目前的模拟电话一样。如果采用低功耗DSP技术,将不仅能够大幅降低整体功耗,而且还能缩减IP电话的尺寸并简化其设计。例如,使用适当的DSP,我们能大幅缩减所需电池的尺寸,从而让IP电话的工业设计更加美观时尚,满足消费者的时尚外观需求。
我们选择适当的DSP时,要确保提供最佳的用电优化特性,同时又不致影响高效的处理能力,这是至关重要的。选择DSP时,主要应考虑其是否具备以下特性:快速实时处理能力;较大的片上存储器;内置电源管理功能;数种待机模式。
减少执行所有电话功能所需的处理器周期数是一种降低 IP 电话功耗的有效方法。由于每个处理器周期都会耗电,因此减少其工作周期数有助于大幅降低功耗,这对编解码器等语音处理任务而言尤其重要。充分利用 DSP 的强大实时处理能力,可有效降低功耗。事实上,DSP 执行实时功能所需的处理器周期数不及RISC内核处理同等功能所需周期数的一半。
就简单的节电特性而言,我们可选择一款集成片上存储器的DSP,尽量避免应用DSP片外存储器,以减少其片外存取所需的额外功耗。通过采用较大的片上存储器,片外存储器存取的次数可以大幅降低。此外,由于片外存储器存取消耗的功率非常高,片上存储器的尺寸和功耗等特性对系统的整体功耗非常重要。

3 TI TNETV1051的结构图
如图3所示,TITMS320C55x等几款先进的DSP内置了电源管理功能,可降低IP电话的工作及待机功耗。通过提高对外设的控制,DSP可自动对I/O 接口、外设及存储器等片上与片外资源进行分区。这样当某特定的资源不用或系统某个部分不工作时,就可以将其断电。电话工作时,DSP 的节电达到数百毫瓦,而在电话不工作时,片上系统的节电可达到1W
支持数种空闲或待机状态的DSP意味着随着时间的推移,节省的电力更多,这对IP电话特别有用,在较长时间闲置情况下尤其有用。设计人员能激活DSP空闲配置,支持CPU、各种外设及片上振荡器的空闲模式。此外,DSP能动态测量其内核电压和频率,并可监控系统状态。因此,如果处理负载降到一定的阈值之下,就能降低自身时钟频率,从而降低功耗。尽管根据具体任务的不同,功耗会有差异,但只要电压和频率降低,增量节能就显得重要了。
DSPIP电话等众多VoIP设备的部署和推广方面发挥着重要作用。我们甚至可以说,如果没有DSPVoIP就不能取得今天的发展成绩。随着IP电话市场不断向具有高质量、高清语音等功能的新一代产品发展,实时处理和低功耗特性的独特结合必将使DSP技术成为IP电话的主要推动力。
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