嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端的語音傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

嵌入式系統(tǒng)因其滿足系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗的要求，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在交通、商業(yè)／金融、工業(yè)控制、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。目前，嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為了國際研究的熱點(diǎn)技術(shù)，許多IT行業(yè)的公司也都在研發(fā)相應(yīng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端。

電話是人們最常使用的交流工具，隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，基于IP網(wǎng)絡(luò)的語音通信成為了人們研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)電話的語音傳輸質(zhì)量和可靠性都很好，但資費(fèi)較高，特別是打國際長途時(shí)；而基于IP網(wǎng)絡(luò)的語音通信由于是在Internet上傳輸信號(hào)，大大節(jié)省了通信線路的成本，從而降低了VOIP資費(fèi)，使其擁有了巨大的市場潛力。

目前，VOIP系統(tǒng)現(xiàn)有的終端軟件，如Skype*、UUCall*、KC*、Mierosoft公司的Netmeeting等，都是基于PC機(jī)的，難以運(yùn)行在嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端這種資源有限的設(shè)備上。同時(shí)，許多類庫中的函數(shù)在PC機(jī)上可以正常運(yùn)行，而WinCE嵌入式操作系統(tǒng)卻不支持，因此不能直接對(duì)VOIP系統(tǒng)現(xiàn)有的終端軟件進(jìn)行簡單的裁剪。

1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端的硬件設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)由嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端、電源模塊、以太網(wǎng)口模塊、串口和USB接口模塊、顯示模塊(觸摸屏)、語音采集和播放模塊、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及系統(tǒng)工作狀態(tài)指示和接口模塊構(gòu)成。其中，嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端采用三星公司專門針對(duì)手持設(shè)備而設(shè)計(jì)的S3C2440A-40微處理器。

1．2 語音采集和播放模塊

語音采集和播放模塊的作用是將音頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行PCM編碼。其電路如圖2所示。采用Philips公司的UDA1341 TS型立體聲音頻CODEC進(jìn)行音頻編解碼。該芯片提供2個(gè)麥克風(fēng)輸入，可實(shí)現(xiàn)單端輸入、差分輸入等靈活配置，并設(shè)置了可編程增益放大器和自動(dòng)增益控制器，可保證高質(zhì)量的音頻獲??；同時(shí)，還集成了聽筒和喇叭輸出的驅(qū)動(dòng)器，喇叭音量可以通過編程調(diào)整。S3C2440A-40微處理器與UDA1341TS編解碼器通過I2S總線直接相連，并采用DMA發(fā)送／接收方式，完成系統(tǒng)的錄音和放音。

1．3 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)采用了微軟公司研發(fā)的WinCE。它是一款功能強(qiáng)大的32位嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有多線程、多任務(wù)、完全搶占式的特點(diǎn)，是專為各種受到嚴(yán)格資源限制的硬件系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的。WinCE支持多種硬件外圍設(shè)備，同時(shí)內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)通信能力使WinCE能夠訪問Internet并收發(fā)E-mail或?yàn)g覽Web。除此之外，WinCE特有的與Windows類似的用戶界面使最終用戶易于使用。

2 VOIP技術(shù)

2．1 VOIP的基本原理

VOIP(Voice Over Internet Protocol)是以IP分組交換網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺(tái)，通過語音壓縮算法對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮盏兀侔堰@些語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓處理后恢復(fù)成原來的語音信號(hào)，從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送語音的目的。其特點(diǎn)是可以將一路語音數(shù)據(jù)壓縮為8 kb／s甚至更低，同時(shí)可使用戶不需要獨(dú)占醫(yī)療線路資源，從而提高了線路利用率，并大大降低了資費(fèi)成本。

2．2 VOIP協(xié)議

VOIP技術(shù)中最主要的兩種呼叫控制協(xié)議為H．323協(xié)議和SIP協(xié)議。H．323是ITU的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議簇，制定了無服務(wù)質(zhì)量保證的分組網(wǎng)絡(luò)(PBN)上的多媒體通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，已在VOIP領(lǐng)域的到了廣泛的應(yīng)用，呼叫建立比較復(fù)雜。SIP協(xié)議是由IETF(國際互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定組織)制定的面向Internet會(huì)議和電話的信令協(xié)議，參照了HTTP和SMTP協(xié)議，呼叫控制在終端完成，呼叫建立相對(duì)簡單。

2．3 語音壓縮編碼技術(shù)

語音壓縮編碼技術(shù)是VOIP技術(shù)的核心，其目的就是在保證語音音質(zhì)和可懂的條件下，采用盡可能少的比特?cái)?shù)來表示語音。常用的語音編碼方式有G．723．1、G．729、G．729A等，其中G．729可將采樣為64 kb／s的話音以幾乎不失真的質(zhì)量壓縮至8kb／s。本設(shè)計(jì)采用了G．729方式的語音壓縮算法，結(jié)合實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP和UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)語音傳輸。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 終端軟件的功能模塊

終端軟件功能模塊如圖3所示。此終端軟件可為用戶提供良好的交互界面。

3．2 VOIP終端軟件主流程

用戶打開終端軟件，可以根據(jù)自己的需要選擇語音聊天、文本聊天或者收發(fā)郵件。進(jìn)行語音聊天前，用戶可以直接在好友欄中選擇聊天對(duì)象，也可直接輸入對(duì)方的IP進(jìn)行連接。語音聊天的過程是：說話方，麥克風(fēng)采集模擬語音信號(hào)→語音芯片采集量化編碼→嵌入式系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼→RTP格式打包→UDP格式打包→IP格式打包→Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸；收聽方，接收語音數(shù)據(jù)→去IP／UDP／RTP包頭→嵌入式系統(tǒng)對(duì)信號(hào)解碼→語音芯片將數(shù)字語音信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)→揚(yáng)聲器播放。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4．1 語音采集和播放

語音信號(hào)的采集分為從網(wǎng)絡(luò)上采集數(shù)據(jù)和從音頻編解碼器中獲取數(shù)據(jù)。主要函數(shù)包括：語音采集函數(shù)VoiceCapture()，用線程控制語音采集函數(shù)Thread Voice Capture()，創(chuàng)建用于播放的音頻設(shè)備對(duì)象函數(shù)Play Device()，創(chuàng)建音頻捕捉設(shè)備對(duì)象函數(shù)Caputer Device()，創(chuàng)建音頻捕捉緩沖區(qū)對(duì)象函數(shù)Capture Buffer()，創(chuàng)建輔助緩沖區(qū)函數(shù)Secondary Buffer()，音頻格式設(shè)置函數(shù)Set Wave Format()，通知事件觸發(fā)函數(shù)Notification()，停止語音采集函數(shù)Voice Stop()，從字節(jié)數(shù)組中獲取音頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行播放函數(shù)Get VoiceData()以及語音采集初始化函數(shù)Initialize Voiee()。

4．1．1 Get Voice Data()函數(shù)

具體流程如圖4所示。從網(wǎng)絡(luò)上獲取的數(shù)據(jù)實(shí)際是由Local Socket．Begin Receive From()函數(shù)提取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，再經(jīng)接收數(shù)據(jù)函數(shù)轉(zhuǎn)移給Get Voice Data()函數(shù)，Get Voice Data()函數(shù)提取后放入語音緩沖區(qū)供音頻編解碼器提取并播放。Get Voice Data()函數(shù)首先用支持存儲(chǔ)區(qū)為內(nèi)存的流Memory Stream從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)byte Receive，將字節(jié)塊寫入當(dāng)前流：

Memory Stream．Write(byte Receive，0，intReceive)

當(dāng)流中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)據(jù)量時(shí)就播放語音：SecondaryBuffer．Write(0，Memory Stream，int Postion Write-in-tPostioPlay，LockFlag．From Write Cursor)Secondary Buffer．Play(0，Buffer Play Flags．Default)

4．1．2 采集音頻編碼器語音數(shù)據(jù)

從音頻編解碼器中獲取數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過UDA1341TS采集語音信號(hào)放入語音捕捉緩存區(qū)，應(yīng)用程序再從語音捕捉緩沖獲取語音信號(hào)并發(fā)送。具體程序流程如圖5所示。

圖5 從音頻編解碼器中獲取數(shù)據(jù)流程

4．2 語音傳輸

語音傳輸是主要包含*函數(shù)Listen()，數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)SendVoice()，數(shù)據(jù)接收函數(shù)Receive Data()，綁定自己IP和端口函數(shù)BindSelf()，遠(yuǎn)程終端IP端口設(shè)置函數(shù)SetRemoteIPEnd()、線程關(guān)閉函數(shù)ThreadStop()函數(shù)和初始化函數(shù)InitVoice()。

4．2．1 *函數(shù)

函數(shù)負(fù)責(zé)*遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)送到本機(jī)的信息。每隔一定時(shí)間查詢一下網(wǎng)絡(luò)，如果有可讀的數(shù)據(jù)就接收：LocalSocket．BeginRecei-veFrom(byteData，0，byteData．Length，SocketFlags．None，ref endPoint，new AsyncCallback(ReceiveData)，null)并且將此線程設(shè)置為后臺(tái)線程，以便當(dāng)主線程關(guān)閉時(shí)，此線程能自動(dòng)結(jié)束。

4．2．2 數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)

數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)的作用是將語音捕捉緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過Client．SendTo(CaptureData，EndPoint)函數(shù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)線程發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)要讀取(即線程被觸發(fā))時(shí)，就會(huì)循環(huán)調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，直到?jīng)]有可讀的數(shù)據(jù)為止。CaptureBuffer為語音捕捉緩沖區(qū)對(duì)象。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖6所示。

4．2．3 數(shù)據(jù)接收函數(shù)

數(shù)據(jù)接收函數(shù)的功能主要是調(diào)用GetVoiceData()函數(shù)從網(wǎng)絡(luò)中接收語音數(shù)據(jù)并放入緩沖區(qū)。代碼如下：

結(jié)語

以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的第四階段。本文在基于ARM+網(wǎng)卡芯片+UDA1341TS音頻編解碼芯片模式的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)資源的對(duì)接及語音采集和播放的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于WinCE嵌入式操作系統(tǒng)的VOIP系統(tǒng)終端軟件，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)終端間的語音通信。