高性能DSP在VoP媒體網關中的應用

引言

相比傳統的電路交換技術，vop技術有著獨特的優勢。隨著vop技術的發展，低功耗、高性能dsp的出現，傳輸技術的不斷提高和各種協議的趨于統一，近年來，基于包交換的分組語音技術發展迅猛，已逐步成為下一代網絡的關鍵技術之一。在向下一代網絡的演進過程中，作為電路交換網和數據包交換網橋梁的vop媒體網關扮演著重要角色。在整個網關系統中，數字信號處理器（dsp, digital signal processors）直接負責不同網絡之間多媒體信號的轉換工作，是語音編碼器和調制解調器的核心部件，可以說是分組語音的發動機。另外，dsp的成本對整個媒體網關成本有著舉足輕重的影響。所以，dsp的選型和相關設計直接影響著vop技術的應用。本文將概要介紹分組語音媒體網關在信號處理方面的特點和對處理器的要求，數字信號處理器的獨特結構、發展趨勢和在媒體網關中的應用，最后介紹基于dsp的媒體信號處理系統設計。

媒體網關中信號處理的基本內容和特點

在討論dsp在媒體網關中的應用之前，先簡單介紹一下媒體網關信號處理的內容和特點。一般來說，分組語音若要替代電路交換語音，就必須支持傳統電路交換所有的特性和業務。作為電信級業務，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。在包交換網絡中，網絡時延基本上都大于50毫秒，這就要求網關具備回波抵消技術（ec）。在分組網絡上傳輸語音，必須將模擬的語音信號轉換為一定長度的數字化語音分組。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。若考慮到數據包出口的帶寬，運營商往往會要求網關除了支持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（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，用來調節網絡產生的抖動。此外，網關必須支持檢測和產生多種電話音，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相比，媒體網關的信號處理有以下特點：

媒體網關處理的實時信號多樣化。這些實時信號包括語音、傳真、modem數據以及各種信令等。將來，網關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、圖像分割及區域特征提取等處理；在modem處理中，包括數據調制解調、數據壓縮、數據糾錯等處理；在信令處理中，要識別并且產生運行在不同網絡上的多種信令。

媒體網關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節很多，包括網關處理時延，接入網和核心網上的傳輸時延，節點中排隊時延和服務處理時延等。其中網關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，語音質量開始明顯下降。所以在網關的信號處理中，要盡可能地減少各種處理時延。

媒體網關信號處理算法復雜且在不斷更新。在分組語音涉及到的算法中，有些算法非常復雜，例如目前回波控制均采用回波抵消方法，即通過自適應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系列的調制解調協議，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技術的不斷推廣，一些效率更高性能更佳的算法在不斷出現，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。

媒體網關處理分組語音需要在短時間內完成大量的密集型運算和特殊處理，需要網關具備處理大數據量的能力，以保證系統的實時性。一般通用微處理器不能勝任這些運算，目前，數字信號處理器是網關信號處理的最佳選擇。

數字信號處理器在媒體網關中的應用

與通用處理器（gpp）相比，dsp在硬件上具有獨特的結構，如哈佛存儲器結構、零開銷循環、對密集的乘法運算的支持、定點計算、專門的尋址方式、執行時間的預測、定點dsp指令集。在實際應用的vop解決方案中，dsp已經不可或缺。dsp在媒體網關應用中的優勢突出體現在以下幾方面：

dsp憑借其獨特結構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的硬件結構特點設計的。回波抵消中的許多技術實現如自適應均衡也與dsp的硬件結構密不可分。dsp的可重復編程的特點可以使系統很方便地升級和拓展新的業務。另外， 語音處理是一種實時業務，對時間要求極為嚴格， 所以其運算性能必須是可以預測的，這點也正是dsp的強項。dsp程序員能夠決定所使用的指令集，所以預測在dsp上執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測和預測執行概念， 它以一種高效的方式執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量的指令周期。因此對這種處理器來說，很難預測執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構系統，處理時延很小，但它們通常只能用于完成特定的算法，這種系統只適合于實現功能固定和數據結構明確的計算問題，不利于網關業務擴展和性能的升級。
dsp較好地滿足了媒體網關在功耗、成本和容量方面的要求。小容量的接入網關，特別是住宅網關，對系統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存，所以與dsp相關的存儲器空間可以減到最小，不但減少了功耗，還降低了整個系統的成本。另一方面，中高密度的網關，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，隨著處理器數目的增加，系統設計的難度也增大。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。

隨著越來越多的設備廠商選擇dsp作為媒體網關的信號處理器，媒體網關也推動了數字信號處理器的發展。vop應用的巨大潛力促使dsp廠商投入巨資去開發適合分組語音處理的dsp。作為分組語音的信號處理引擎，用于網關的dsp自然也有與一般通用dsp不同的地方。這種差異突出表現在以下幾方面：

vop dsp充分考慮到了語音處理特點，在芯片設計結構方面作了優化。用于不同密度媒體網關的dsp結構也不是完全一樣的。家庭網關等低密度網關一般采用基于soc結構的dsp。這種芯片設計思想是把dsp和定制電路集成到單一芯片中去。這種設計非常具有吸引力，它允許制造商在同一系統中集成高性能的數字信號處理器和定制電路。整個芯片由兩部分構成，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等內核，負責控制、接口和協議等處理。這種asic也稱作soc，它不僅完成了信號處理功能，還負責協議處理、數據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部完成了。但在中高密度媒體網關中，人們往往可以見到另一種結構的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核之間通過內部獨特的交換平臺進行數據通訊，所以這是一種扁平化結構，使編程大為簡化，而且可以繼承以前單核dsp成熟的應用程序，縮短開發時間。每個核一般都有自己獨立的內存塊，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提供的語音通道數也很大，適合用于大型的通訊基礎設備中。

由于媒體網關涉及到的信號處理算法非常龐大復雜，另外，這些算法中有相當一部分必須符合itu及其他相關標準以滿足設備互連互通的要求，網關設備制造商很難靠自己的力量獨自去開發這些算法，所以這就要求dsp供應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應用的不同之處。這類軟件必須根據語音處理的特點，經過高度優化，以達到在通道數和性能方面的最優化，而且為了能讓設備開發商方便使用，還要提供高質量的api。

媒體網關在整個網絡中的位置決定了其所用的dsp要有多種網絡接口。對一些低成本網關來說，如住宅網關，設備內部一般沒有專門用的與網絡連接的器件，如網絡處理器，dsp的接口往往直接與網絡相連，這要求dsp具備對外的網絡接口，例如phy，usb接口等，以減少板子的bom和功耗，這點對低密度網關至關重要。對于大型的中繼網關，dsp的單一接口往往也不利于系統設計。新型的專用dsp一般都具有多種標準網絡接口，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，但是與其他系統的互連性不好，需要增加其他專用器件，不適合大規模的系統集成，另外接口帶寬也往往不夠。因此應用于媒體網關的dsp必須具有豐富接口以適應多種網絡結構。

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

基于dsp的vop媒體網關系統設計

媒體網關能否與傳統的電信設備展開競爭，分組語音業務能否被用戶接受，服務內容、服務質量和設備成本是關鍵因素。在進行網關設計時，必須兼顧語音質量、系統的擴展性、可靠性與靈活性。

對于低密度媒體網關，如住宅網關，其整個系統設計比較簡單，往往一兩個關鍵芯片決定了整個系統結構。相比較而言，高密度媒體網關就復雜了許多。下面就著重討論在中高密度網關中的dsp應用和設計。

圖1描述了媒體網關的主要組成：系統控制器、pstn接口模塊、tdm交換模塊、vop模塊、包處理單元和數據網絡接口。系統控制器負責整個系統的管理、配置和呼叫控制。pstn接口模塊提供與pstn網絡的接口，小容量網關常用的接口有e1、t1，大容量網關常用的接口有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換工作。網絡協議由包處理單元完成處理。數據網絡接口模塊提供與包交換網絡的接口。現在應用最多的是atm網和ip網，絕大多數網關設備都提供這兩種網絡接口，常見的包接口有oc-n（oc-3、oc12等）、pos、100baset和千兆以太網接口。 vop模塊主要由dsp和匯聚器（aggregator）構成。dsp完成不同網絡之間的語音信號轉換工作。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產生的數據包，然后集中傳輸到下一模塊；在相反方向，它把從分組交換網絡上過來的數據包路由到合適的dsp上；有些dsp的接口是不標準的，引入匯聚器則可以向外界提供一個標準接口，這一點在背板系統中尤其有用；在有些應用中，它還可以提供包過濾，網絡管理等功能。匯聚器可以是專用芯片，如以太網交換芯片、通用處理器、小型網絡處理器，也可以是帶有匯聚邏輯的asic、fpga或pld等邏輯器件。匯聚器的選擇設計由模塊接口、數據流帶寬、包處理等因素決定。

圖2給出了一種典型的vop模塊結構。這種dsp有pci、tdm和以太網接口。pci總線用作控制通道，tsi用作時隙分配，以太網交換芯片作為數據包的匯聚器，提供對外的數據通路接口。在這個模塊中，數據通道和控制通道是分離的，這種設計方法常用于高密度網關。隨著dsp技術不斷更新，vop模塊的生命周期也越來越短，在這種情況下，vop模塊的軟硬件設計必須與系統其他模塊分離出來，在系統設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。

結束語

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