無線IPPBX系統(tǒng)的設計與實現

　　隨著以太網寬帶技術的發(fā)展，以IP網絡為媒介的語音通信技術（VOIP技術）憑借其低廉的話費受到消費者的廣泛關注。很多企業(yè)和科研機構也開始研究、使用這項技術。無線VOIP交換設備（即無線IPPBX）通過GSM無線模塊來實現IP網絡的電話用戶與普通電話用戶之間的通信。它融合了以太網和GSM網絡，具備GSM網絡與以太網絡兩方面的優(yōu)勢，既具備IP電話話費低廉的優(yōu)勢，又可以通過GSM網絡實現IP電話落地而不受固定電話線的束縛，同時結合以太網的http協(xié)議可以在其上實現短信網關的功能。本文將從硬件和軟件的角度來闡述該設備的設計與實現。

　　1 系統(tǒng)硬件設計

　　1.1 硬件結構

　　系統(tǒng)硬件結構如圖1所示，整個硬件系統(tǒng)由GSM工作單元、PCM編解碼工作單元、語音壓縮/解壓處理單元（DSP）、CPLD總線適配單元和MPC860T核心控制單元構成。系統(tǒng)通過兩條總線實現硬件系統(tǒng)的協(xié)同工作：通過I2C總線向GSM工作單元、PCM編解碼單元發(fā)送控制信令和讀取狀態(tài)信息；通過HPI總線實現對語音壓縮解壓處理單元（DSP）語音壓縮包的讀取和發(fā)送。系統(tǒng)通過CPLD以及與之相連的一塊MCU實現兩條總線的適配并在MPC860T核心控制單元端提供了統(tǒng)一的I/O接口。

　　系統(tǒng)的工作流程如下：若系統(tǒng)要傳送語音數據到以太網，GSM模塊或普通話機的模擬話音經PCM編解碼器A law/μlaw 編碼后送到E1數據總線上，然后DSP將E1線上的PCM碼流按G.729/G.723的標準壓縮成低比特率的語音包，并在相應的端口產生一定的狀態(tài)信號，該狀態(tài)信號經CPLD處理后轉化為MPC860T的中斷信號，MPC860T處理器響應中斷，通過CPLD將語音壓縮包從DSP的HPI口讀取出來并通過以太網控制器將其發(fā)送到以太網上。系統(tǒng)從以太網接收語音壓縮包，并將其還原成模擬話音，其過程與此相反。

　　1.2 GSM工作單元設計

　　GSM工作單元由MCU、GSM模塊以及一些外圍接口電路構成，其原理框圖如圖2所示。MCU是工作單元的控制部件，它通過自身的I2C接口與系統(tǒng)的I2C總線連接，并通過串口與GSM模塊連接。單元工作時先從I2C 總線接收系統(tǒng)發(fā)送的控制信令，然后由MCU將控制信令轉化為具體的AT指令并通過串口發(fā)送給GSM模塊。GSM模塊根據收到的AT指令執(zhí)行相應的操作（發(fā)送撥號信息、建立語音通路、發(fā)送短信等）。當然GSM模塊也可以將自己的狀態(tài)信息如自己的忙閑狀態(tài)、來電號碼通過串口發(fā)給MCU，再由MCU通過I2C總線上報給主控CPU（MPC860T）。

　　GSM單元的設計中需要特別注意以下幾點：

　　(1)電源設計。GSM模塊在整個系統(tǒng)中屬于功耗比較大的部件，空閑時工作電流為35mA，工作時的平均電流為350mA，突發(fā)工作電流可以達到2A。所以GSM模塊要采用單獨的電源芯片供電，并且有足夠的負載能力。在設計中采用DC-DC的電源芯片給模塊提供4V電壓并在電源的輸出端并聯(lián)一個 2200μF的大電容，以防止模塊的突發(fā)大電流使電源芯片的供電電壓發(fā)生瞬時下降。

　　(2)串行接口電路的設計。GSM模塊的串行口（UART）使用的不是標準的TTL電平，不能與控制它的MCU串口直接相連，在它們之間要有一個電平轉換接口電路。該電路要能實現模塊的3V高電平與 MCU端5V TTL高電平的相互轉換。設計中使用三極管的開關電路和電阻分壓電路就可實現該功能，如圖3所示。實驗證明該方法簡單、有效。

　　(3)模塊語音口電路的設計。GSM模塊的語音輸入、輸出都是差分信號，而PCM編解碼器的語音口要求單端信號。在兩個語音端口之間要有差分信號與單端信號的轉換電路，才可實現兩者的連接。設計中采用運放電路來實現差分與單端的轉換。由于GSM模塊的語音口特別容易受到射頻干擾，所以模塊的語音口還要連接一些濾波電容。此外,PCB布板也要保證語音信號線遠離模塊的天線，這樣才能將噪聲干擾降到最低, 保證話音質量。

　　1.3 PCM編解碼單元設計

　　PCM編解碼單元主要有兩個任務：將來自GSM模塊或普通話機的模擬話音進行A law/μ law PCM編碼，然后發(fā)送到系統(tǒng)E1數據線上；獲取系統(tǒng)E1數據總線某個時隙的PCM編碼并將其還原成模擬話音。設計中采用一塊帶I2C接口的MCU作為PCM編解碼器的控制器。該控制器從I2C總線接收主控CPU（MPC860T）發(fā)送的控制信令并將該信令轉化為PCM編解碼器命令序列，PCM編解碼器接受命令后完成相應的編解碼功能。

　　1.4 語音壓縮解壓單元設計

　　語音壓縮解壓單元的工作是：將前端PCM編碼器發(fā)送來的PCM數據壓縮成低比特率的語音包后交由主控CPU處理；將主控CPU發(fā)送來的語音壓縮包還原成 PCM編碼。該單元的設計中采用AudioCodes公司的 AC48304C_C作為語音PCM編碼的壓縮解壓處理器。該處理器支持四個語音處理通道，每個通道可以單獨編程，配置不同的PCM時隙和壓縮/解壓算法（G.723、G.729等）。根據主控CPU（MPC860T）的數據包處理能力，本設計在系統(tǒng)中掛載四片AC48304C_C，可同時處理16路語音的編解碼（壓縮/解壓）。