郭星 海軍701工廠，北京 100015

基于BF531的VoIP終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭星 海軍701工廠，北京 100015

本文介紹了VoIP原理和關(guān)鍵技術(shù)，分析了SIP協(xié)議的呼叫流程，提出基于BF531的VoIP終端的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了一款支持通話、短信、通信錄等多種功能的終端。

VoIP；BF531；會話初始化協(xié)議；Qt/E

引言

VoIP即Voice Over IP，通過對語音進(jìn)行數(shù)字化編碼壓縮成幀并封裝成IP包在Internet上傳輸，數(shù)據(jù)到達(dá)目的地后進(jìn)行解壓、數(shù)模轉(zhuǎn)換還原語音，是一種利用Internet技術(shù)進(jìn)行語音通信的新業(yè)務(wù)。由于VoIP技術(shù)促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)資源利用，降低語音業(yè)務(wù)成本，因此在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，可以說是當(dāng)前世界上發(fā)展最快，普及最廣的應(yīng)用服務(wù)技術(shù)之一。鑒于VoIP在網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域所占的重要地位以及表現(xiàn)出來的廣闊前景，本文提出一種在技術(shù)上可行的設(shè)計(jì)方案，即在高性能低功耗的BF531處理器平臺上實(shí)現(xiàn)VoIP終端。

1 VoIP原理及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 VoIP原理

VoIP原理：運(yùn)用語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，然后把語音數(shù)據(jù)按有關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)由IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包發(fā)送到接收地，接著再把語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓縮處理后，就可以恢復(fù)成原來的語音信號了，從而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)傳送語音的目的。

1.2 VoIP關(guān)鍵技術(shù)

VoIP完全建立在IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，關(guān)鍵技術(shù)包含信令、編碼、實(shí)時(shí)傳輸?shù)取?/p>

1.2.1 信令

保障電話呼叫的實(shí)現(xiàn)和話音質(zhì)量好壞的前提就是信令,VoIP主要信令包括ITU-T的H.323和會話初始化協(xié)議SIP。

1.2.2 語音編碼

由于現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是互聯(lián)網(wǎng)和無線通信的蓬勃發(fā)展，作為多媒體通信中信息傳輸重要環(huán)節(jié)的語音，也越來越受到重視，對語音編碼要求也就越來越高，在要求低延時(shí)、低碼率的同時(shí)還要保證語音的高質(zhì)量。語音壓縮編碼的目標(biāo)就是要在盡可能低的比特率下，最大化的提取語音信號的特征信息，并且在接收端還原出清晰自然的聲音。

1.2.3 實(shí)時(shí)傳輸

VoIP電話是一種語音通信，需要對音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。其中主要涉及到RTP協(xié)議和RTCP協(xié)議。

(1)RTP協(xié)議

RTP是一種應(yīng)用型的傳輸層協(xié)議，為應(yīng)用提供端到端的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸。RTP需要與底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相配合才可以實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù)。由于語音傳輸對實(shí)時(shí)性要求較高，所以一般采用UDP來完成數(shù)據(jù)傳輸。

(2)RTCP協(xié)議

艦艇、飛行器和車輛對于核動(dòng)力裝置的空間要求遠(yuǎn)高于核能發(fā)電廠，而傳統(tǒng)核聚變反應(yīng)堆體積、重量很大，遠(yuǎn)超這些運(yùn)輸工具的體積和重量限制，難以做成適配于這些需求的移動(dòng)式能量供應(yīng)源。洛馬公司稱該堆的體積僅為同功率傳統(tǒng)托卡馬克裝置的1/10，一座直徑7米、長18米的該型反應(yīng)堆就可實(shí)現(xiàn)200兆瓦的熱功率輸出，運(yùn)行一年所需的燃料量僅為25千克，可以在線補(bǔ)充燃料，無需像裂變堆那樣定期停堆更換燃料棒，可連續(xù)運(yùn)行，大幅提升續(xù)航能力，而且設(shè)計(jì)與建造周期也只有數(shù)月，成本遠(yuǎn)低于大型聚變裝置。

RTCP是配合RTP的一種實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議。它自己沒有QoS保證功能，但是能通過階段性的向會話參與者傳送控制分組數(shù)據(jù)，并以此來提供網(wǎng)絡(luò)狀況的有關(guān)參數(shù)。

1.3 SIP協(xié)議

1.3.1 SIP簡介

S I P是2001年推出的I E T F標(biāo)準(zhǔn)（RFC3261），用于在IP網(wǎng)絡(luò)上建立、改變和終結(jié)多媒體會話，是基于應(yīng)用層的控制協(xié)議。同時(shí)SIP可以邀請第三方加入會話，也支持重定向服務(wù)和名字映射。

1.3.2 SIP呼叫流程

SIP是通過用戶代理之間的交互消息來建立呼叫的，它繼承了Internet中客戶機(jī)/服務(wù)器的模式，即主叫代理充當(dāng)UAC，被叫代理充當(dāng)UAS。SIP大致有三種呼叫模式：a.UAC向UAS直接呼叫，b.UAC在重定向服務(wù)器的配合下進(jìn)行重定向的呼叫，c.代理服務(wù)器代表UAC向被叫方發(fā)起呼叫。下面我們以直接呼叫為例（如圖1）說明呼叫過程的建立。

圖1 直接呼叫流程

2 VoIP終端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 VoIP終端組成框圖

圖2 VoIP終端組成框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括IP電話處理器、電源管理模塊、語音處理模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、存儲器、鍵盤和LCD7部分。其中IP電話處理芯片采用BF531，語音芯片采用UDA1341。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

終端軟件分驅(qū)動(dòng)層、中間層和應(yīng)用層三層設(shè)計(jì)，其中應(yīng)用層軟件采用Qt/E開發(fā)，移植開源軟件linphone的庫文件，采用多線程設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)應(yīng)用程序劃分為四部分，分別由四個(gè)線程來實(shí)現(xiàn)。

UI線程主要用來響應(yīng)用戶的鍵盤輸入和屏幕的顯示及傳遞消息到協(xié)議棧。通過在main.cpp程序中創(chuàng)建QApplication類型的對象實(shí)現(xiàn)。QApplication類負(fù)責(zé)圖形界面應(yīng)用程序的控制流以及主要設(shè)置管理，包括主事件的循環(huán)、應(yīng)用程序的初始化和結(jié)束及對話管理。

Codec語音線程主要完成語音處理，包括本地語音采集與編碼工作，網(wǎng)絡(luò)語音數(shù)據(jù)解碼、混音及播放等。

SIP信令交互線程調(diào)用linphone所依賴的eXoSIP和oSIP庫，使用UDP實(shí)現(xiàn)底層SIP接收/發(fā)送，并且封裝了SIP消息解析器。利用系統(tǒng)初始化時(shí)創(chuàng)建的eXosip_execute線程不斷查詢是否有數(shù)據(jù)需要處理。當(dāng)它發(fā)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)中有需要處理的數(shù)據(jù)時(shí)，它會調(diào)用在系統(tǒng)初始化時(shí)eXosip_set_callbacks 注冊的事件處理函數(shù)。利用函數(shù)eXosip_listen_ addr監(jiān)聽端口，等待連接。如果有數(shù)據(jù)，立即接收并解析數(shù)據(jù)，放到事件隊(duì)列中。

RTP/RTCP收發(fā)線程調(diào)用linphone所依賴的oRTP庫，用Socket套接字實(shí)現(xiàn)RTP/RTCP數(shù)據(jù)包收發(fā)工作。RTP負(fù)責(zé)傳送語音數(shù)據(jù)，RTCP對數(shù)據(jù)分發(fā)質(zhì)量等信息進(jìn)行反饋。其中初始化函數(shù)：rtp_session_ init，它執(zhí)行rtp會話的一些必要的初始話工作。發(fā)送函數(shù)：rtp_ session _send_with_ ts，發(fā)送rtp數(shù)據(jù)包，session是rtp會話結(jié)構(gòu)體，返回值是成功發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中字節(jié)數(shù)。接收函數(shù)：rtp_ session _recv _with_ ts，接收rtp數(shù)據(jù)包。

3 VoIP終端功能驗(yàn)證

首先向SIP服務(wù)器注冊主叫方和被叫方的SIP地址，分別為100200@192.168.1.231和100300@192.168.1.23，然后進(jìn)行了通話測試，并進(jìn)行了語音時(shí)延測量。通過測試發(fā)現(xiàn)VoIP終端能夠?qū)崿F(xiàn)語音通話，語音清晰流暢，沒有出現(xiàn)明顯的時(shí)延和回音，達(dá)到預(yù)期效果，已在實(shí)際中應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文在深入分析VoIP原理和SIP機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出基于BF531處理器的設(shè)計(jì)方案，利用Qt/E開發(fā)出一款支持通話、短信、通訊錄等多種功能的終端。通過測試結(jié)果分析，設(shè)計(jì)的終端達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，驗(yàn)證了本文提出的設(shè)計(jì)方案的可行性。

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郭星，海軍701工廠，工程師，主要研究方向是嵌入式開發(fā)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.05.024