高性能DSP在VoP媒體網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用

引言

相比傳統(tǒng)的電路交換技術(shù)，vop技術(shù)有著獨特的優(yōu)勢。隨著vop技術(shù)的發(fā)展，低功耗、高性能dsp的出現(xiàn)，傳輸技術(shù)的不斷提高和各種協(xié)議的趨于統(tǒng)一，近年來，基于包交換的分組語音技術(shù)發(fā)展迅猛，已逐步成為下一代網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在向下一代網(wǎng)絡(luò)的演進過程中，作為電路交換網(wǎng)和數(shù)據(jù)包交換網(wǎng)橋梁的vop媒體網(wǎng)關(guān)扮演著重要角色。在整個網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，數(shù)字信號處理器（dsp, digital signal processors）直接負責不同網(wǎng)絡(luò)之間多媒體信號的轉(zhuǎn)換工作，是語音編碼器和調(diào)制解調(diào)器的核心部件，可以說是分組語音的發(fā)動機。另外，dsp的成本對整個媒體網(wǎng)關(guān)成本有著舉足輕重的影響。所以，dsp的選型和相關(guān)設(shè)計直接影響著vop技術(shù)的應(yīng)用。本文將概要介紹分組語音媒體網(wǎng)關(guān)在信號處理方面的特點和對處理器的要求，數(shù)字信號處理器的獨特結(jié)構(gòu)、發(fā)展趨勢和在媒體網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用，最后介紹基于dsp的媒體信號處理系統(tǒng)設(shè)計。

媒體網(wǎng)關(guān)中信號處理的基本內(nèi)容和特點

在討論dsp在媒體網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用之前，先簡單介紹一下媒體網(wǎng)關(guān)信號處理的內(nèi)容和特點。一般來說，分組語音若要替代電路交換語音，就必須支持傳統(tǒng)電路交換所有的特性和業(yè)務(wù)。作為電信級業(yè)務(wù)，分組語音需要支持回波抵消、語音壓縮、語音組包、播放、信令檢測等技術(shù)。在包交換網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)時延基本上都大于50毫秒，這就要求網(wǎng)關(guān)具備回波抵消技術(shù)（ec）。在分組網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音，必須將模擬的語音信號轉(zhuǎn)換為一定長度的數(shù)字化語音分組。這就需要采用一定的語音編碼算法對語音信號進行處理，如g.711，g.726等編碼算法。若考慮到數(shù)據(jù)包出口的帶寬，運營商往往會要求網(wǎng)關(guān)除了支持g.711，還要能支持低比特率（lbr）壓縮算法，如g.729a/b，g.723等。為了節(jié)省傳輸信道資源，除了采用低比特率壓縮算法，還采用了靜音檢測技術(shù)（vad），通過檢測通話階段中的靜音，并對其進行一定的處理。在實際使用中，接收端常常會在靜音期間發(fā)送一些分組，從而生成使用戶感覺舒服一些的背景噪聲，即所謂的舒適噪聲（cng）。在播放語音包時，接收端需要提供一個可變長度的緩沖器，用來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的抖動。此外，網(wǎng)關(guān)必須支持檢測和產(chǎn)生多種電話音，如撥號音、傳真音、呼叫過程提示音等，并且還要能夠支持多種信令，如ccs，cas，ivr等。

與其他信號處理系統(tǒng)相比，媒體網(wǎng)關(guān)的信號處理有以下特點：

媒體網(wǎng)關(guān)處理的實時信號多樣化。這些實時信號包括語音、傳真、modem數(shù)據(jù)以及各種信令等。將來，網(wǎng)關(guān)還需要支持圖像處理。每種媒體信號的處理方式都不盡相同。在語音處理部分，包含了語音壓縮、回波抵消、電話音的產(chǎn)生和檢測等；在圖像處理中，包括圖像的求和求差運算、二維梯度運算、圖像分割及區(qū)域特征提取等處理；在modem處理中，包括數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)糾錯等處理；在信令處理中，要識別并且產(chǎn)生運行在不同網(wǎng)絡(luò)上的多種信令。

媒體網(wǎng)關(guān)的信號處理對時延非常敏感。時延對語音呼叫的影響主要在于引入回聲和交互性的喪失。語音信號在端到端傳輸過程中受到的時延環(huán)節(jié)很多，包括網(wǎng)關(guān)處理時延，接入網(wǎng)和核心網(wǎng)上的傳輸時延，節(jié)點中排隊時延和服務(wù)處理時延等。其中網(wǎng)關(guān)處理時延由編碼器引入的時延、分組打包時延和終端去抖動時延組成。當整個回路時延大于150毫秒時，語音質(zhì)量開始明顯下降。所以在網(wǎng)關(guān)的信號處理中，要盡可能地減少各種處理時延。

媒體網(wǎng)關(guān)信號處理算法復(fù)雜且在不斷更新。在分組語音涉及到的算法中，有些算法非常復(fù)雜，例如目前回波控制均采用回波抵消方法，即通過自適應(yīng)方法估計回波信號的大小，然后在接收信號中減去此估計值，這個處理過程計算量很大，需占用大量的處理資源。再如，一些低比特率編碼器，v系列的調(diào)制解調(diào)協(xié)議，t.38等算法都需要處理器具備非常強的處理能力。另外，隨著vop技術(shù)的不斷推廣，一些效率更高性能更佳的算法在不斷出現(xiàn)，如iblc編解碼器。一些老的算法也在不斷更新，如g.729系列codec。因此處理器必須能支持算法升級。

媒體網(wǎng)關(guān)處理分組語音需要在短時間內(nèi)完成大量的密集型運算和特殊處理，需要網(wǎng)關(guān)具備處理大數(shù)據(jù)量的能力，以保證系統(tǒng)的實時性。一般通用微處理器不能勝任這些運算，目前，數(shù)字信號處理器是網(wǎng)關(guān)信號處理的最佳選擇。

數(shù)字信號處理器在媒體網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用

與通用處理器（gpp）相比，dsp在硬件上具有獨特的結(jié)構(gòu)，如哈佛存儲器結(jié)構(gòu)、零開銷循環(huán)、對密集的乘法運算的支持、定點計算、專門的尋址方式、執(zhí)行時間的預(yù)測、定點dsp指令集。在實際應(yīng)用的vop解決方案中，dsp已經(jīng)不可或缺。dsp在媒體網(wǎng)關(guān)應(yīng)用中的優(yōu)勢突出體現(xiàn)在以下幾方面：

dsp憑借其獨特結(jié)構(gòu)成為了語音等多媒體信號處理的最有效的引擎。itu制訂了許多語音壓縮標準，如g.728、g.723、amr等，它們都涉及到大量的乘加運算，所有這些算法都不無例外地是針對dsp的硬件結(jié)構(gòu)特點設(shè)計的?；夭ǖ窒械脑S多技術(shù)實現(xiàn)如自適應(yīng)均衡也與dsp的硬件結(jié)構(gòu)密不可分。dsp的可重復(fù)編程的特點可以使系統(tǒng)很方便地升級和拓展新的業(yè)務(wù)。另外， 語音處理是一種實時業(yè)務(wù)，對時間要求極為嚴格， 所以其運算性能必須是可以預(yù)測的，這點也正是dsp的強項。dsp程序員能夠決定所使用的指令集，所以預(yù)測在dsp上執(zhí)行代碼的時間就是一項相對來說比較簡單的工作。dsp沒有使用通用處理器中的分支預(yù)測和預(yù)測執(zhí)行概念， 它以一種高效的方式執(zhí)行專用指令集來完成特定功能，而某些通用處理器的代碼可能會隨著分支運算的不同而消耗不同數(shù)量的指令周期。因此對這種處理器來說，很難預(yù)測執(zhí)行某一特定運算所花費的時間。所以若采用通用處理器，信號處理的實時性很難得到保證。另外，若采用asic或fpga，雖然它們是一個硬連線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，處理時延很小，但它們通常只能用于完成特定的算法，這種系統(tǒng)只適合于實現(xiàn)功能固定和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)明確的計算問題，不利于網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)擴展和性能的升級。
dsp較好地滿足了媒體網(wǎng)關(guān)在功耗、成本和容量方面的要求。小容量的接入網(wǎng)關(guān)，特別是住宅網(wǎng)關(guān)，對系統(tǒng)的功耗和成本有嚴格的要求。與其他處理器相比，dsp的平均通道功耗非常低。由于dsp具有高效的指令集，只需要少量的語音處理內(nèi)存，所以與dsp相關(guān)的存儲器空間可以減到最小，不但減少了功耗，還降低了整個系統(tǒng)的成本。另一方面，中高密度的網(wǎng)關(guān)，要求處理器有足夠的處理能力，單個處理器能支持較多的語音通道。否則，隨著處理器數(shù)目的增加，系統(tǒng)設(shè)計的難度也增大。當前一些主流dsp的容量一般都在200路左右（非壓縮編碼），壓縮算法通道也在100左右，一般通用處理器很難達到這個容量， 因此若計算平均通道成本，dsp方案要比一般通用處理器方案便宜很多。

隨著越來越多的設(shè)備廠商選擇dsp作為媒體網(wǎng)關(guān)的信號處理器，媒體網(wǎng)關(guān)也推動了數(shù)字信號處理器的發(fā)展。vop應(yīng)用的巨大潛力促使dsp廠商投入巨資去開發(fā)適合分組語音處理的dsp。作為分組語音的信號處理引擎，用于網(wǎng)關(guān)的dsp自然也有與一般通用dsp不同的地方。這種差異突出表現(xiàn)在以下幾方面：

vop dsp充分考慮到了語音處理特點，在芯片設(shè)計結(jié)構(gòu)方面作了優(yōu)化。用于不同密度媒體網(wǎng)關(guān)的dsp結(jié)構(gòu)也不是完全一樣的。家庭網(wǎng)關(guān)等低密度網(wǎng)關(guān)一般采用基于soc結(jié)構(gòu)的dsp。這種芯片設(shè)計思想是把dsp和定制電路集成到單一芯片中去。這種設(shè)計非常具有吸引力，它允許制造商在同一系統(tǒng)中集成高性能的數(shù)字信號處理器和定制電路。整個芯片由兩部分構(gòu)成，一部分為dsp，另一部分為asic電路。dsp核心邏輯負責信號處理部分，而asic電路往往集成了mips或arm等內(nèi)核，負責控制、接口和協(xié)議等處理。這種asic也稱作soc，它不僅完成了信號處理功能，還負責協(xié)議處理、數(shù)據(jù)包的組包和拆包等工作，它把dsp外部控制器的某些功能集中在內(nèi)部完成了。但在中高密度媒體網(wǎng)關(guān)中，人們往往可以見到另一種結(jié)構(gòu)的dsp—多核dsp。這種dsp里一般含有多個獨立的標準dsp核，如c55x，不同dsp核之間通過內(nèi)部獨特的交換平臺進行數(shù)據(jù)通訊，所以這是一種扁平化結(jié)構(gòu)，使編程大為簡化，而且可以繼承以前單核dsp成熟的應(yīng)用程序，縮短開發(fā)時間。每個核一般都有自己獨立的內(nèi)存塊，在程序空間方面，一般都是共享的，這樣可以減少對外置存儲器的需求。由于集成度很高，這類dsp提供的語音通道數(shù)也很大，適合用于大型的通訊基礎(chǔ)設(shè)備中。

由于媒體網(wǎng)關(guān)涉及到的信號處理算法非常龐大復(fù)雜，另外，這些算法中有相當一部分必須符合itu及其他相關(guān)標準以滿足設(shè)備互連互通的要求，網(wǎng)關(guān)設(shè)備制造商很難靠自己的力量獨自去開發(fā)這些算法，所以這就要求dsp供應(yīng)商在提供芯片的同時還要提供固件（在dsp中運行的各種算法及程序），這是與一般dsp應(yīng)用的不同之處。這類軟件必須根據(jù)語音處理的特點，經(jīng)過高度優(yōu)化，以達到在通道數(shù)和性能方面的最優(yōu)化，而且為了能讓設(shè)備開發(fā)商方便使用，還要提供高質(zhì)量的api。

媒體網(wǎng)關(guān)在整個網(wǎng)絡(luò)中的位置決定了其所用的dsp要有多種網(wǎng)絡(luò)接口。對一些低成本網(wǎng)關(guān)來說，如住宅網(wǎng)關(guān)，設(shè)備內(nèi)部一般沒有專門用的與網(wǎng)絡(luò)連接的器件，如網(wǎng)絡(luò)處理器，dsp的接口往往直接與網(wǎng)絡(luò)相連，這要求dsp具備對外的網(wǎng)絡(luò)接口，例如phy，usb接口等，以減少板子的bom和功耗，這點對低密度網(wǎng)關(guān)至關(guān)重要。對于大型的中繼網(wǎng)關(guān)，dsp的單一接口往往也不利于系統(tǒng)設(shè)計。新型的專用dsp一般都具有多種標準網(wǎng)絡(luò)接口，如utopia，pos，ethernet。老式的通用dsp一般只有微處理器接口，這種接口簡單，但是與其他系統(tǒng)的互連性不好，需要增加其他專用器件，不適合大規(guī)模的系統(tǒng)集成，另外接口帶寬也往往不夠。因此應(yīng)用于媒體網(wǎng)關(guān)的dsp必須具有豐富接口以適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

dsp的性能是決定語音質(zhì)量的關(guān)鍵因素，其成本在整個系統(tǒng)成本中占很大比重，如何選擇合適的dsp非常關(guān)鍵。在比較dsp的同時，要綜合考慮芯片的硬件性能、固件質(zhì)量、技術(shù)支持、開發(fā)難易程度等多種因素，參見表1。

基于dsp的vop媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計

媒體網(wǎng)關(guān)能否與傳統(tǒng)的電信設(shè)備展開競爭，分組語音業(yè)務(wù)能否被用戶接受，服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)質(zhì)量和設(shè)備成本是關(guān)鍵因素。在進行網(wǎng)關(guān)設(shè)計時，必須兼顧語音質(zhì)量、系統(tǒng)的擴展性、可靠性與靈活性。

對于低密度媒體網(wǎng)關(guān)，如住宅網(wǎng)關(guān)，其整個系統(tǒng)設(shè)計比較簡單，往往一兩個關(guān)鍵芯片決定了整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。相比較而言，高密度媒體網(wǎng)關(guān)就復(fù)雜了許多。下面就著重討論在中高密度網(wǎng)關(guān)中的dsp應(yīng)用和設(shè)計。

圖1描述了媒體網(wǎng)關(guān)的主要組成：系統(tǒng)控制器、pstn接口模塊、tdm交換模塊、vop模塊、包處理單元和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口。系統(tǒng)控制器負責整個系統(tǒng)的管理、配置和呼叫控制。pstn接口模塊提供與pstn網(wǎng)絡(luò)的接口，小容量網(wǎng)關(guān)常用的接口有e1、t1，大容量網(wǎng)關(guān)常用的接口有ds3、oc-3。tdm交換模塊負責tdm流的分配。vop模塊負責媒體信號的處理和轉(zhuǎn)換工作。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由包處理單元完成處理。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口模塊提供與包交換網(wǎng)絡(luò)的接口。現(xiàn)在應(yīng)用最多的是atm網(wǎng)和ip網(wǎng)，絕大多數(shù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備都提供這兩種網(wǎng)絡(luò)接口，常見的包接口有oc-n（oc-3、oc12等）、pos、100baset和千兆以太網(wǎng)接口。 vop模塊主要由dsp和匯聚器（aggregator）構(gòu)成。dsp完成不同網(wǎng)絡(luò)之間的語音信號轉(zhuǎn)換工作。對于有多個dsp的vop模塊來說，匯聚器必不可少，有時它位于vop模塊，有時位于包處理單元。匯聚器主要有以下功能：匯聚來自多個dsp產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，然后集中傳輸?shù)较乱荒K；在相反方向，它把從分組交換網(wǎng)絡(luò)上過來的數(shù)據(jù)包路由到合適的dsp上；有些dsp的接口是不標準的，引入?yún)R聚器則可以向外界提供一個標準接口，這一點在背板系統(tǒng)中尤其有用；在有些應(yīng)用中，它還可以提供包過濾，網(wǎng)絡(luò)管理等功能。匯聚器可以是專用芯片，如以太網(wǎng)交換芯片、通用處理器、小型網(wǎng)絡(luò)處理器，也可以是帶有匯聚邏輯的asic、fpga或pld等邏輯器件。匯聚器的選擇設(shè)計由模塊接口、數(shù)據(jù)流帶寬、包處理等因素決定。

圖2給出了一種典型的vop模塊結(jié)構(gòu)。這種dsp有pci、tdm和以太網(wǎng)接口。pci總線用作控制通道，tsi用作時隙分配，以太網(wǎng)交換芯片作為數(shù)據(jù)包的匯聚器，提供對外的數(shù)據(jù)通路接口。在這個模塊中，數(shù)據(jù)通道和控制通道是分離的，這種設(shè)計方法常用于高密度網(wǎng)關(guān)。隨著dsp技術(shù)不斷更新，vop模塊的生命周期也越來越短，在這種情況下，vop模塊的軟硬件設(shè)計必須與系統(tǒng)其他模塊分離出來，在系統(tǒng)設(shè)計時須定義好它們之間的軟硬件接口，這種接口必須具有通用性，擴展性。

結(jié)束語

縱觀dsp過去幾年在分組語音中的應(yīng)用，可以相信，未來高性能dsp必將會給用戶提供更高質(zhì)量的通信信號。