基于W5300的IP話音技術研究

呂先望+宋建明+魏萌

摘 要 為了解決基于SIP協議的VoIP中必須加載服務器和傳輸帶寬的問題，本文介紹了基于W5300和AMBE在VoIP話音中的應用。通過分析基于W5300和ambe這2種芯片的工作原理，提出了將2種芯片通過FPGA芯片進行結合的改進方法，并對改進方法的可行性進行了闡述，采用硬件電路對技術方案進行實現。結果表明基于W5300和AMBE在VoIP話音比基于SIP協議的VoIP有更好的性能。

關鍵詞 SIP；VoIP；W5300；IP話音

中圖分類號 TN91 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）164-0075-02

隨著移動通信、互聯網技術和網絡融合技術的發展，VoIP（Voice？over？IP）這種基于分組交換的話音通信的迅速崛起[1]。1995年首次提出VoIP，到現在為止，VoIP已經在話音通信業務中占據了比較大的筆記。而隨著未來因特網技術（FIT）概念的提出與LTE技術的發展，在未來幾年的通信網絡中，VoIP將會占據更重要的位置[2]。

目前的VoIP的解決方案是由SIP服務器和終端共同組成。這種解決方案在無線通信系統甚至機動的窄帶的無線通信系統中就會有2個問題：一是當SIP服務器設備沒有開機或者服務器壞掉的情況下，系統就只能重新配置才能正常工作；二是這種解決方案的無論哪種編碼方式，其帶寬利用率很高，在窄帶的無線信道中的傳輸比較困難[3]。

為了解決以上2個問題，本文討論基于W5300和amb3000的VoIP解決方案，W5300使用組播和單播協議可以實現VoIP的傳輸[4]，ambe3000可以實現話音的更高速率的編解碼功能。在本地可以存儲所有的電話號碼信息以保證每一個終端具有服務器的功能而不需要另外添加服務器，而ambe3000的高性能的壓縮特點可以實現超低速話音的傳輸[5]。

1 IP話音實現的硬件方案

本系統中的核心控制模塊采用Altera公司Cyclone？ III系列EP3C80F672I8芯片作為數字處理芯片，可以使用系統時鐘為16.384MHz。該器件豐富的I/O管腳，可以實現并行運算，并且芯片中內嵌Nios？II軟核，可是實現CPU控制的操作。

網絡傳輸模塊選用Winzet公司的具有MAC、TCP和UDP協議棧的以太網協議手法W5300。該芯片最多可同時支持8個獨立端口同時進行連接，有效的通信傳輸速率可達到90Mbps；與主機的CPU（Nios？II）接口使用16bit數據總線[6]。

PCM編解碼芯片使用Winbond公司的W681512芯片，該芯片支持模擬話音的差分輸入和差分輸出，支持u濾和A濾的PCM編碼[7]。

話音壓縮模塊使用數字語音系統公司（Digital？ Voice？System？Inc，DVSI）的AMBE-3000芯片，AMBE-3000芯片采用多帶激勵語音壓縮算法，該芯片能在最低為2.0kbps的速率下提供清晰的話音[8]。

硬件結構圖如圖1所示。

2 W5300的協議棧的實現

在硬件連接實，W5300芯片采用數據總線采用16位數據的模式、并且采用間接尋址的尋址方式選擇模式和FPGA的Nios？II的地址總線進行連接，使用間接尋址可以有效的降低W5300芯片對F[PGA中硬件資源的占用。總線的連接原理如圖2所示。

由于W5300芯片上電后不能自動復位，所以當系統上電之后，必須首先用FPGA產生20ms以上的低電平信號對W5300芯片進行復位。復位之后，對系統等待50ms的時間以保證W5300的內部鎖相環穩定工作。

系統復位完成之后，使用CPU對W5300芯片進行配置，配置的內容包括MAC地址的配置、IP地址配置和內部收發存儲器的分配。之后對網絡層的協議進行配置，如開啟UDP協議、開啟組播協議、配置組播MAC地址，配置組播IP地址等寄存器進行配置。

初始化結束后系統打開socket端0。組播IP地址應該設置為224.0.0.1～239.255.255.254之間的一個IP地址作為組播地址，為了避免和其他組播地址的沖突，本系統選用IP地址：224.1.1.11作為本系統的組播地址，設備的協議連接完成后，使用CPU查詢W5300芯片的相關寄存器，看是否有來自系統內其余終端發送的數據包。如果有數據包存在，則接收該數據包，并關閉中斷，開始處理接收到的數據包，將數據包處理完畢后，打開中斷，重新開始查詢相關的寄存器；如果沒有接收到數據包的存在，則檢測是否有本地話音數據需要發送，當檢測到有本地的話音數據時，使用W5300的基于UDP的組播協議將數據發送出去。如圖3所示。

3 系統性能測試

系統的性能測試是針對帶寬，傳輸抖動和語音質量3方面將設備和基于SIP協議的VoIP的標準設備進行比對。

3.1 傳輸帶寬測試

測試在發包間隔為20ms、40ms、60ms、80ms和100ms這5種典型發包間隔的情況下，2種設備的傳輸帶寬，測試結果如表1所示。

3.2 傳輸抖動測試

VoIP流量達到20、60、100、120、140、180路時，選取新增流量中的一個VoIP呼叫觀察抖動情況，采用VTSW3CM標記算法和采用VTSW3CM標記算法的區分服務網絡中，抖動變化情況基本一致，均保持在用戶可以接受的范圍，小于14ms。

3.3 語音質量測試

語音質量的好壞是設備性能的最重要的指標。我們將設備與幾款主流的基于SIP協議的標準設備進行話音質量盲測。測試結果標明：設備與主流的基于SIP協議的VoIP的設備的G.729的編碼協議的話音質量相當。

4 結論

將基于W5300的IP話音和傳統的基于SIP協議的VoIP話音就傳輸帶寬，傳輸抖動和話音質量進行對比，結果表明各方面都有所改善。

參考文獻

[1]邵子華.基于SIP和H.323的嵌入式VoIP系統的擴展與優化[D].北京：北京郵電大學，2009，2.

[2]白佳俊，孟祥勇，張德平，等.基于W5300和FPGA的實時數據采集系統設計.電子技術應用，2013，39（4）：19-23.

[3]左海洋.PCM編解碼芯片中低成本低功耗SARADC設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2011，3.

[4]楊文強.基于AMBE_2000的OFDM水聲語音通信平臺研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010，3.

[5]許漢文，李波，高田，等.基于DM3730和W5300的嵌入式視頻流傳輸系統的設計與實現微型電腦應用，2013，29（11）：1-4.

[6]龔藝.基于區分服務的VoIP語音質量的研究[D].重慶：重慶大學，2009，4.

[7]劉鵬.基于FPGA的PCM并行控制器設計[D].濟南：山東大學，2013，4.

[8]李思，周旺.基于AMBE3000的多路語音數據處理系統.信息技術，2010（10）：152-154.