VoWLAN语音终端开发设计

　　1 引言

　　1.1 VoWLAN概述

　　VoWLAN是WLAN的新兴应用之一。VoIP通过数据网络传输语音信号；WLAN（无线局域网），通过无线接入点进行无线上网。VoWLAN可以说是这两者的有机结合，它可以利用现有的WLAN网络实现无线的VoIP通话能力，企业员工通过VoWLAN可在办公场所以外的地方随时语音通信、访问E-mail和其他已接入的网络资源，这样提高了网络资源的利用率并降低了通话的成本，从而节省企业的总体IT费用。对于住宅用户也可以通过与宽带802.11无线网络相连的VoIP电话来降低话费。VoWLAN系统的数据流如下：通过接入点AP (Access Point)把语音信号传输到VoIP网关，该网关可以就是原来的有线VoIP网关，这样语音数据在IP网络和PBX（交换机）之间传输。这种方式使得传统有线办公和住宅电话的功能都能在VoWLAN中实现，而运营商只需要增加语音网关、计费系统等设备，就可为其WLAN热点提供VoWLAN应用，实现数据通信与语音通信的高效结合。

　　1.2 SIP概述

　　目前VoIP涉及的基本通信协议主要有三种：H323协议、SIP协议和MGCP协议。SIP称为会话发起协议（Session Initiation Protocol),是Internet工程任务组（IETF）提出的建议中的一项协议。与H.323协议比较，SIP协议侧重于将IP电话作为因特网上的一个应用，较其实应用（如FTP，E-mail等）增加了信令和QoS的要求，它们支持的业务基本相同，也都利用RTP作为媒体传输的协议；SIP是基于文本的协议，类似于HTTP。基于文本的编码意味着头域的含义是一目了然的，如From、To、Subject等域名。这种分布式、几乎不需要复杂的文档说明的标准规范风格，其优越性已在过去的实践中得到了充分的证明（现在广为流行的邮件协议SMTP就是 这样的一个例子）。SIP的消息体部份采用SDP进行描述，SDP中的每一项格式为’=’号，也比较简单；SIP很方便地支持补充业务或智能业务，只要充分利用SIP已定义的头域，并对SIP进行简单的扩展，就可以实现这些业务。例如对于呼叫转移，只要在BYE请求消息中添加Contact头域，加入意欲转至的第三方地址就可以实现此业务。对于通过扩展头域较难实现的一些智能业务，可在体系结构中增加业务代理，提供一些补充服务或与智能网设备的接口；SIP协议借鉴了其它因特网的标准和协议的设计思想，在风格上遵循因特网一贯坚持的简练、开放、兼容和可扩展等原则，比较简单。

　　2 系统的硬件设计

　　2.1中央控制器

　　中央控制器MCU采用UBICOM公司的IP2022网络处理器。它是专为 Internet-edge(网际边缘)设计的微处理器。其主要特点：通过软件来处理协议, 而不是用硬件逻辑来实现协议，降低了 chip 的复杂性；对到达的 packet，使用 memory-to-memory 的操作，而不需要大容量，昂贵的on-chip caches(高速缓冲存储器)，以及 packet buffers；简洁设计的 real-time operating system，没有memory-hungry requirement；Designer可以通过设计 software 来实现各种 Internet-edge 应用；IP2022 的 Memory 分为 on-chip 与 off-chip 两个部分，采用的是Harvard architecture，分离的 data 与 code memories；4k bytes on-chip data memory、64k bytes 的 on-chip flash memory、16k bytes 的 on-chip PRAM、外部的 memory、extra flash memory，用来放更多的code，比如embedded web server 的code可以放在外部的 flash中，也包括一些dll functions。以及online firmware upgrades。SRAM，是用来拓展PRAM 空间来用的，比如可以在SRAM 中buffer packets。

　　2.2 语音模块

　　本模块采用的是TLV320AIC10。TLV320AIC10是TI公司近年新推出的低功耗∑-Δ型16位A/D、D/A音频接口（AIC）芯片。它由5个控制寄存器控制。其中，控制寄存器1：软件复位，DAC的16位或15＋1位模式选择以及抗混叠滤波器、抽样滤波器、插值滤波器使能/旁路选择。控制寄存器2：决定工作方式和采样速率。低功耗模式控制，分频寄存器控制（决定滤波器的时钟频率和取样周期）。控制寄存器3：软件关电，模拟及数字信号反馈和事件控制模式选择；ADC的16位或15＋1位模式选择。控制寄存器4：输入输出增益控制（通过控制输入和输出可编程增益放大器来实现）。AIC的初始化主要就是对这4个寄存器参数进行设定。该器件与单片机接口易于实现，开发和使用更加方便。尤其适合应用于低比特率、高性能密集设备的话音传输、识别及合成等的各种VoIP、电缆调制解调器、语音和电话领域。

　　2.3网络模块

　　无线接收发送模块选用的是CF无线网卡插槽。CF卡（CompactFlash）是1994年SanDisk推出的一种闪存卡。CF卡具有PCMCIA-ATA功能，并与之兼容，CF卡采用闪存（flash）技术，是一种稳定的存储解决方案，不需要电池来维持其中存储的数据。对所有保存的数据来说，CF卡比传统的磁盘驱动器安全性和保护性都更高，而且CF卡的用电量仅为小型磁盘驱动器的5%。这些优异的条件使得大多数PDA用网络设备都选择CF卡作为其首选接口。

　　本系统无线接收发送模块选用的是WL-672F CF无线网络适配器。该无线网络适配器为CompactFlashⅠ型适配器，可与配有Ⅱ型插槽的终端一起使用。使用该适配器，在移动使用PDA进行工作时，收发E-MAIL及访问服务器数据时，都可使之保持连接。其使用信用卡式设计，提供集成天线，可以和所有符合IEEE802.11b（DSSS）2.4GHz标准的无线网络设备进行交互式操作，也可以通过AP与有线以太网进行交互式操作，支持Ad-Hoc以及Infrastructure通讯方式，使用128-bit的WEP加密方式以保证网络的安全。

　　        图1 VoWLAN语音终端的硬件框架图

　　建立连接后用户的模拟话音通过AIC10的AURXFP、AURXM、AURXCP输入，将模拟信号进行A/D转换形成数字信号流后传至编码模块。编码模块中的DSP根据系统要求将语音数据压缩，压缩后放入DOUT的寄存器中。

　　在接收语音数据时，在TLV320AIC10的帧同步FS为低电平，转换时钟信号SCLK的上升沿时，系统处理器将语音数据通过DIN送入AIC10进行解压缩，形成64Kbps的PCM码流，送入D/A进行数模转换，最后由AIC10的OUTP和OUTM输出模拟语音。

　　3 VoWLAN的软件设计

　　系统软件是基于SIP协议栈的基础上实现的。由于SIP协议栈采用模块化设计思想，因此，系统软件可以直接调用协议栈各模块提供的API。软件应用模块的消息获取线程是实时获取协议栈处理的结果（以消息或事件的形式存储在协议栈消息队列中），并把它转换成系统应用的消息结构存放在应用模块的消息队列中。图2是软件应用模块的程序流程图。

　　          图2软件应用程序流程图

　　图2中的“应用初始化”包括建立消息读取线程等；“SIP协议栈初始化”包括建立协议栈主线程、注册回调函数、协议栈其它模块的初始化及消息队列的建立等；“关机准备操作”首先进行注销操作，接着终止消息读取线程和协议栈主线程，释放软件应用模块和协议栈各模块占用的资源。

　　协议栈模块包含事务管理和对话管理这两模块，同样，软件应用模块也包含类似的管理功能，即“呼叫(call)管理”。呼叫管理的功能和协议栈模块中的对话管理功能类似，只是呼叫管理侧重于和用户交互，通过人机界面显示信息，提示用户当前呼叫的进度，引导用户执行进一步的操作。

　　呼叫有四种状态：“S_IDLE”、“S_PROGRESS”、“S_INCOMING”、“S_CONNECTED”，它们之间的关系用一个有限状态机来描述，如图3。

　　                图 3 呼叫管理有限状态机

　　“S_IDLE”状态就是我们通常所说的待机状态。当用户拨打对方的SIP URI，协议栈通过发送INVITE请求消息，得到临时响应消息，呼叫就处于“S_PROGRESS”，图中箭头<1>表示该操作引起的状态切换。在“S_PROGRESS”状态，对方如果拒绝接受呼叫，状态又返回“S_IDLE”，如箭头<2>；当对方接受呼叫，就处于连接通话状态“S_CONNECTED”，如箭头<5>。在“S_IDLE”状态也可能收到对方的呼叫请求，当UA应用发现一个新的呼叫请求，就应当切换状态到“S_INCOMING”，如箭头<3>；同样，用户可以拒绝接受呼叫，状态切换回“S_IDLE”，如箭头<4>；当用户接受呼叫请求，呼叫状态就处于“S_CONNECTED”。在“S_CONNECTED”状态，通话双方任何一方的结束通话请求都会导致状态返回“S_IDLE”，结束通话。

　　4 结论

　　本终端成本价格低，目前已经能够注册到有关厂家的SIP测试平台，并可以完成基本会话功能；同时，在LAN中可以以静态IP的方式注册成功，并进行会话操作。

　　创新点

　　SIP/SDP信令协议的VoWLAN终端嵌入式开发使用；USER Agent在VoWLAN终端的嵌入实现；实现VoWLAN终端对PC、VoWLAN终端对VoWLAN等终端、VoWLAN终端对PSTN的通话。

　　参考文献

　　1. 吕京建等，嵌入式系统设计综述，单片机公共实验室，2001

　　2. 王瑞刚，李燕。IP电话终端设备——原理、电路及应用. 西安:电子科技大学出版社,2003

　　3. Zhang Y. SIP-based VoIP network and its interworking with PSTN. Electronics & Communication Engineering Journal, 2002. 273~282.

　　4. Goode B. Voice over Internet protocol (VoIP). Proc. of the IEEE, 2002

　　5. IP2022 Internet Processor User Manual

　　6. TLV320AIC10 Data Sheet.

　　7. 咸廷伟 ,孙仁祥 ,毛琦。基于MPLS(多协议标记交换技术)的IP QoS应用.微计算机信息,2003,(08)