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因特網協議(IP)語音技術的日益推廣以及因特網協議語音傳輸 (VoIP) 技術的迅速發展，推動了IP電話供應商在不斷提高語音服務質量的同時，還不斷推出新的令人振奮的功能與特性。幸運的是，對設計人員來說，數字信號處理器 (DSP) 平臺正在迎接新技術所提出的各種挑戰，支持更高的語音質量與更強大的處理能力，并降低整體功耗，從而滿足新一代電話的需求。 IP電話設計人員選擇處理器時，關鍵是要確保該處理器同時具備強大的實時處理能力、低功耗以及添加特性的高度靈活性等特性。TI推出的TMS320C5000等DSP能夠提供適當的特性集，可滿足上述要求。此外，帶DSP內核的片上系統(SoC)也提供了必需的處理能力，可滿足中高端電話的需求。IP電話開發人員也可使用現有的其他解決方案，比如單或雙精簡指令集計算機(RISC)架構，但使用這些技術進行語音編解碼與實時語音處理就沒有DSP的工作效率高。可編程的DSP能適應未來特性與標準發展的要求，在此方面確實棋高一招。 短期內，供應商將不斷努力改進IP電話的語音質量。長期來說，他們將推出高清 (HD) 語音、固定／移動融合、PC／電話集成等新功能與應用，以此來鞏固其在IP電話市場中的地位。不過，就目前而言，設計人員應選擇一款具備必需的實時處理能力、功耗盡可能低且理想適用于VoIP應用的DSP。 SD與HD語音 首先，我們必須了解當前技術從標清(SD)向高清(HD)轉變的情況，并認清其對IP語音市場的影響。更重要的是，要知道如何在有關應用中充分利用DSP，使HD語音在不久的將來成為現實。 有趣的是，電信傳輸網絡盡管是率先采用數字技術的介質，但它卻是最后一個充分利用數字技術清晰度優勢的介質。電視、攝影、視頻、無線電廣播及音樂等其他數字媒體均在從SD向 HD 過渡，以更好地滿足消費者的需求。盡管語音通信仍然以SD POTS 質量級的語音服務為主，但隨著DSP技術的引入，HD語音服務將成為未來IP語音通信的主流。 電信市場最初采用數字技術時，決定以SD語音為標準，將頻率限制為200～3300Hz左右，以節約網絡帶寬。這種人為的限制會引起語音削波，同時還使頻率降至正常的聽覺范圍以下（正常聽覺頻率可達20 000Hz）。正由于此，通過POTS網絡進行電話通話的音質絕對比不上當面談話。隨著時間的推移，電話骨干網絡不斷發展升級，其中包括向數字技術轉變，但將家庭和小型企業連接到基礎局端的“最后一英里”連接或雙絞線銅線本地環路仍以低帶寬雙絞線為主要傳輸介質，家庭電話仍主要采用模擬技術，帶寬非常有限。VoIP傳輸以及IP電話等設備則不受這些限制，因此將更接近于當面談話。 現在，用戶采用寬帶技術，可以不受3300Hz的頻率限制，語音信號能夠高速通過從本地到基礎局端的最后一英里。在某些領域，光纖與其他高容量介質甚至開始取代家庭中的銅線。寬帶連接的數據吞吐速率也在不斷加速發展。事實上，普通家庭寬帶傳輸速度已達到下行5Mb/s，上行2Mb/s。之所以發展如此迅速，很大程度上要歸功于VoIP業務的快速發展，其通過IP電話、路由器及其他設備將DSP的高速實時處理能力帶到了家中。現在，支持HD語音功能的技術正日益盛行。 圖1 SD與HD編解碼器的比較 由于人的聽覺范圍是20～20000Hz，HD語音通話技術相對SD語音話技術而言，是一種更理想的選擇。HD 語音技術可在更寬的頻譜范圍內實現出色音質，如圖1所示，因此人能在一般的HD電話交談中能聽到最小、最微妙的語音變化。例如，利用HD技術，同某人進行電話通話就像和他（她）在同一房間中面談一樣。盡管更高HD頻譜（256Kb/s通道）所需的數據帶寬遠遠高于SD語音(64Kb/s)，但DSP具備實時數據壓縮功能，能將HD語音的帶寬要求減小到原來的1/4，同時保持HD語音質量不受影響。 實時語音處理 回顧幾年前，VoIP技術遇到的第一大挑戰就是如何滿足普通老式模擬電話業務 (POTS)長期建立起來的基本服務質量 (QoS) 標準。設計人員開始實施基于DSP的IP電話，不僅能滿足客戶多年來已經習慣的通話語音質量要求，而且還能使電話通話體驗的質量遠遠優于“電信級”語音質量，以實現CD級音質的豐富性與穩健性。 具備足夠實時語音處理能力的DSP對提供VoIP應用所需的高質量語音服務至關重要。由于四線制到兩線制通話線路混合轉換反射及其他問題可能產生線路信號回聲，DSP必須要解決回聲消除等問題，還要支持脈沖編碼調制(PCM)處理、節約帶寬的數據流壓縮、通話音生成與檢測、揚聲器電話等應用的回聲消除等。 與DSP相比，RISC處理器等通用技術更適合非實時數據處理與控制任務，如系統人機接口和數據庫處理等。支持高速、實時、乘法累加(MAC)功能的DSP則能快速處理高強度的數學運算任務，因此非常適合IP電話的高質量語音處理和安全性應用需求。 基于DSP的電話，或者一般性的VoIP設備，肯定會超過當前的語音質量水平，達到高清 (HD) 語音的標準。除了實現更出色音頻體驗的優勢之外，采用DSP技術的HD語音將成為許多令人振奮的新型VoIP應用的基礎，其中包括增強型自然語言控制及實時語音轉換服務等。事實上，HD語音有望推動語音成為所有與因特網相連的設備以及眾多獨立的電子設備的主要用戶接口。 雙處理架構 IP電話所使用的DSP類型很大程度上取決于電話的質量。例如，低端電話通常使用單個DSP 即可，因為低端電話無須高級特性集成，也無須支持更高質量服務的靈活性。而中高端IP電話則不然，其需要更多特性集成并提出更高的應用要求，因此最好采用基于DSP的SoC，而且還須支持多個處理內核，其中DSP專門負責語音處理，而通用RISC內核則負責管理和控制系統與用戶接口。若只采用單個RISC內核而不使用DSP，效率會非常低，因而要實現與SoC設備相同的功能，就需要更多的MIPS并消耗更多功率。 采用雙處理架構有助于IP電話支持高質量HD語音服務，并能靈活地支持各種新型應用，如固定／移動融合、PC／電話集成、更強大的安全算法、電子郵件及生產率工具等。借助專門負責語音處理的DSP內核，IP 電話可輕松支持眾多高級語音特性能。例如，我們可在IP電話中集成多個編解碼器，而且根據需要可動態部署，從而避免轉碼工作。 圖2 Tms320c5502的結構圖 高級編解碼器可通過高強度處理壓縮算法來減少帶寬使用，不管其MIPS要求多高（有的甚至高出2～6倍），均可在DSP內核中輕松執行。DSP內核所采用的其他高級語音處理技術也可能支持實時數字回聲消除、揚聲器電話應用中的回聲消除，并可在同一電話線路上實現多個語音通道的多路復用，以支持電話會議應用要求。事實上，圖2所示的架構能同時支持多達4個HD語音通道或6個SD通道。該架構中的RISC內核經過分配，不僅可支持千兆以太網或USB 流量，而且還能支持數據處理資源，滿足PC為主的計算機／電話集成等應用需求。 功能強大但功耗較低 IP 電話的型號通常按照功耗加以標示。許多IP電話采用以太網供電(PoE)技術并通過網絡來供電。如果部署許多耗電高的IP電話，這樣會提高企業的運營成本和，尤其是中小型企業的用電成本會大幅上升。此外，由于手持終端功耗高，散熱嚴重，因此IP電話用戶還會面臨可靠性問題。 進而言之，通過降低功耗，IP 電話供應商能在工業設計方面獲得競爭優勢，因為功耗始終是消費類及商業電子產品設計過程中所要考慮的關鍵因素。預計無繩IP電話將在家庭IP市場中廣受歡迎，就像目前的模擬電話一樣。如果采用低功耗DSP技術，將不僅能夠大幅降低整體功耗，而且還能縮減IP電話的尺寸并簡化其設計。例如，使用適當的DSP，我們能大幅縮減所需電池的尺寸，從而讓IP電話的工業設計更加美觀時尚，滿足消費者的時尚外觀需求。 我們選擇適當的DSP時，要確保提供最佳的用電優化特性，同時又不致影響高效的處理能力，這是至關重要的。選擇DSP時，主要應考慮其是否具備以下特性：快速實時處理能力；較大的片上存儲器；內置電源管理功能；數種待機模式。 減少執行所有電話功能所需的處理器周期數是一種降低 IP 電話功耗的有效方法。由于每個處理器周期都會耗電，因此減少其工作周期數有助于大幅降低功耗，這對編解碼器等語音處理任務而言尤其重要。充分利用 DSP 的強大實時處理能力，可有效降低功耗。事實上，DSP 執行實時功能所需的處理器周期數不及RISC內核處理同等功能所需周期數的一半。 就簡單的節電特性而言，我們可選擇一款集成片上存儲器的DSP，盡量避免應用DSP片外存儲器，以減少其片外存取所需的額外功耗。通過采用較大的片上存儲器，片外存儲器存取的次數可以大幅降低。此外，由于片外存儲器存取消耗的功率非常高，片上存儲器的尺寸和功耗等特性對系統的整體功耗非常重要。 圖3 TI TNETV1051的結構圖 如圖3所示，TI的TMS320C55x等幾款先進的DSP內置了電源管理功能，可降低IP電話的工作及待機功耗。通過提高對外設的控制，DSP可自動對I/O 接口、外設及存儲器等片上與片外資源進行分區。這樣當某特定的資源不用或系統某個部分不工作時，就可以將其斷電。電話工作時，DSP 的節電達到數百毫瓦，而在電話不工作時，片上系統的節電可達到1W。 支持數種空閑或待機狀態的DSP意味著隨著時間的推移，節省的電力更多，這對IP電話特別有用，在較長時間閑置情況下尤其有用。設計人員能激活DSP空閑配置，支持CPU、各種外設及片上振蕩器的空閑模式。此外，DSP能動態測量其內核電壓和頻率，并可監控系統狀態。因此，如果處理負載降到一定的閾值之下，就能降低自身時鐘頻率，從而降低功耗。盡管根據具體任務的不同，功耗會有差異，但只要電壓和頻率降低，增量節能就顯得重要了。 DSP在IP電話等眾多VoIP設備的部署和推廣方面發揮著重要作用。我們甚至可以說，如果沒有DSP，VoIP就不能取得今天的發展成績。隨著IP電話市場不斷向具有高質量、高清語音等功能的新一代產品發展，實時處理和低功耗特性的獨特結合必將使DSP技術成為IP電話的主要推動力。 |
