基于IXP421的VoIP網關及其性能測評

引言

就voip設備來說，如果語言處理器的功能和其他應用功能由一個處理器來完成，必然能極大地簡化電路，降低成本，intel的ixp421即是這些多功能處理器的其中一種，它的pcm接口使voip設備的硬件結構大大簡化了，其可以通過選擇不同微代碼的方式實現更加靈活的網絡應用。

intel提供的解決方案是通過軟件dsp實現語音處理，并聲明dsp模塊可同時處理四路pcm窄帶話音，支持多種語音編碼及回波消除等功能，眾所周知，單路單向pcm語音速率為64kbps，單路雙向為128kbps，4路雙向則為512kbps，如何保證語音處理所需要的cpu時間是個關鍵問題。

另外，回波消除或其他附加功能也會增加處理時間，在設計中還要考慮內存讀寫、任務切換、中斷處理等系統因素造成的影響。

ixp421簡介

ixp421是intel公司開發的采用xscale內核的ixp4xx系列處理器之一，主頻為266mhz，ixp421采用多處理引擎和硬件多線程處理機制，它包括了一個處理器內核和兩個并行網絡處理引擎，其中xscale內核微處理器核心，它是以arm v5內核為原形，進行了dsp功能擴展，并優化了16位數據類型的累加和乘法運算，啟動時首先初始化xscale核，然后網絡處理引擎將從內存下載各自的微代碼，以完成外圍網絡接口的鏈路層協議處理，它們的執行是完全并行于xscale內核的，通過內嵌的消息隊列與xscale核同步，先進高速總線（ahb）實現網絡處理引擎和xscale核之間的數據交換，其傳輸速率達到133.32mhz×32bit，完全能夠滿足高速網絡的數據傳輸要求。

dsp軟件模塊

intel公司為ixp4xx系列處理器專門開發了dsp軟件包，根據實現的不同功能，運行時的dsp模塊可分為幾個部分，包括網絡端點、編碼器、解碼器、音頻生成器、音頻檢測器、語音播放器、混音器和t.38。如果系統有四路電話，則每一路電話應該分配一個網絡端點，一個音頻生成器，一個音頻檢測器，網絡端點代表每一路電話所需的tdm前端處理功能，用以實現tdm數據的收發、發送增益控制和回波消除，而音頻生成器、音頻檢測器分別實現每一路電話的提示音及dtmf音頻檢測功能，另外，各路電話分享一個編碼器和一個解碼器，語音分流器負責控制網絡端點和編解碼器之間的數據流，語音播放器和混音器可多路共用，也可各路單獨占用一個，具體個數由應用需求決定。

系統結構

整個系統由用戶線接口、以太網接口、處理器和通信控制總線組成，如圖1所示。

處理器即ixp421，它是設備運行的嵌入式操作系統及應用程序的載體，主要功能是：在通話過程中充當語音數字處理并分發語音包給特定的終端，在呼叫建立過程中處理網絡協議；初始化并控制各部分硬件模塊協同工作，提供用戶管理界面，內存芯片容量為64mb，通過pc133內存總線連接ixp421的內存控制器。16mb的intel strata flash芯片通過擴展總線連接ixp421，時鐘電路微處理器提供頻率為33.33mhz參照時鐘，處理器內核及其集成外圍電路的時鐘均由此分頻得到，復位電路微處理器提供上電復位功能，即在系統加電并穩定后復位引腳，保持至少500ms的低電平。

用戶線接口，以silicon laboratroies公司的si3210型接口芯片為核心，為用戶提供模擬電話連接口功能，這些功能包括：用戶線直流饋電，摘掛機狀態檢測，dtmf檢測、振鈴、回鈴音及各種提示音、音頻采樣及d/a、a/d轉換，以及pcm數據收發等。

以太網接口，采用intel的以太網接口芯片lxt972，其主要功能有：10baset/100base－tx自適應、自動網絡協商、沖突檢測、鏈路狀態告警，通過mii總線接口，配合ixp421的以太網處理引擎（npe），實現鏈路層功能，承載tcp/ip協議及其他應用層網絡協議。

串口，為用戶提供基于串口的管理及調試功能。ixp421有兩組串行輸入、輸出接口，分別為uart0和uart1，其中uart0是高速串行通信端口，支持的通信波特率最高達921.6kbps。uart1為console串行通信口，支持的波特率范圍為1200bps－231kbps。

系統中較為重要的外部總線的作用如下：

1.hss（high speed serial）總線，連接處理器的wan/語音npe和用戶線接口芯片（slic），有時鐘、幀同步、輸入、輸出4條線，支持同步串行傳輸，可配置時鐘頻率范圍為512khz－8.192mhz，本文應用作為pcm語音信號的傳輸總線，時鐘為2mhz。即總共支持32個時隙，4路slic芯片各占一個時隙進行通信，ixp421的一個專用協處理器（voice npe）負責hss端口的總線數據收發。

2、mii（media independent interface）總線，連接處理器的以太網npe和以太網phy接口芯片lxt972，分為mii數據總線和mii管理信息總線，ixp421的網絡處理引擎（npea）通過mii收發數據，網絡處理引擎獨立于主pcu內核工作，采用硬件多線程機制，使數據收發不占用主處理器時間，npea運行的微程序可提供對以太網phy設備的簡單控制功能。

3、控制用戶線接口芯片的串行外圍接口spi（serial peripheral interface）以菊花鏈形式串接，有輸入、輸出、時鐘、片選4根線、占用處理器的4個gpio引腳。以串行8位命令方式讀寫slic的內部寄存器，可以看作slic的控制總線。

性能測試

測試方法

兩路電話同時通話。對端電話保持有說話聲（本地解碼器保持一定的繁忙程度），用測試機一直ping被測設備的以太網地址，并運行etherreal工具軟件，抓取被測設備發送到對端的rtp包，計算出rtp包的時間間隔及抖動的統計值，同時觀察通話語音質量，本設備和對端設備每隔5秒發送rtcp協議的發送者報告，分段丟包率是在發送者報告中給出的統計值。

測試說明

空閑時（未建立通話），被測設備處理器占用率為20％；

通話時打開回波消除，延遲環節設定為1ms延時；

關閉靜音壓縮；

對端voip設備采用獨立的dsp芯片（mindspeed：m82510－14）；

網絡環境為100base－tx以太網，傳輸延遲小于1ms。

測試結果

時間間隔、抖動及分段丟包率

分析：表1的統計數據顯示，每種編碼的語音包到達對端的時間，都比規定的時間要提前零點幾個毫秒，這應該是本設備的dsp處理程序為對端的dsp提前預留了處理時間，產生抖動可能是受被側設備系統任務切換時間影響。因為對端設備也在向本端發送rtp包，這就需要本設備的以太網任務、ip協議棧和dsp任務來處理，所以，語音接收和發送過程爭搶cpu時間，從而造成小的抖動，而以太網交換機轉發過程所造成的抖動應該可以忽略。

結論：由時間間隔和丟包率可見，被測設備沒有因為忙而產生延遲或丟包現象，在測試條件下處理器能力仍有富余，抖動是在設備允許的范圍內。

語音質量

分析：如表2所示，測試中g723.1編碼的語音效果有些問題，即對端聽本端的聲音效果很好，這可能是因為intel的sp模塊與mindspeed的dsp芯片的某個編解碼參數不同，畢竟其他編碼方式沒有這一問題，所以g723.1的語音質量給了低分。

結論：除g.723.1編碼語音質量不理想外，其他幾種常用的編碼效果良好。