胡贊軍 舒 磊 張 勇 羅永富 譚 文

(中船重工集團(tuán)第722研究所 武漢 430205)

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一種分布式話音接入和交換設(shè)備的設(shè)計(jì)*

胡贊軍 舒 磊 張 勇 羅永富 譚 文

(中船重工集團(tuán)第722研究所 武漢 430205)

設(shè)計(jì)基于VoIP、分布式交換和以太網(wǎng)加密的技術(shù),彌補(bǔ)電信運(yùn)營(yíng)商固話網(wǎng)的不足,利用部分企事單位及石油、電力等特殊行業(yè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源,方便、快捷地在若干節(jié)點(diǎn)提供分布式話音接入和交換功能,并可保障語(yǔ)音的安全性需求。

以太網(wǎng); 模塊; 話音; 交換; CPU; MII

Class Number TP316.4

1 引言

目前,雖然電信運(yùn)營(yíng)商提供的固話網(wǎng)可滿足普通用戶的通話需求,但此種方式需要支付額外的費(fèi)用,不能有效利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源,不能根據(jù)用戶需求在短時(shí)間內(nèi)靈活增加電話接口數(shù)量,不能有效保障話音加密等特殊需求。而部分企事業(yè)單位、石油、電力、地鐵輕軌等特殊行業(yè)已布局具備分組交換功能的內(nèi)部專網(wǎng)或開通電信運(yùn)營(yíng)商提供的VPN業(yè)務(wù),而且從技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用角度而言,網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口也逐漸向以太網(wǎng)接口統(tǒng)一。如何利用專有網(wǎng)絡(luò)資源保障不同區(qū)域用戶的通話、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、安全、效率等因素的最佳化已成為技術(shù)發(fā)展的一種需求和驅(qū)動(dòng)力量。

本設(shè)計(jì)的目的在于克服上述不足,提供一種分布式話音接入和交換設(shè)備,基于VoIP、分布式交換和以太網(wǎng)加密的技術(shù),彌補(bǔ)電信運(yùn)營(yíng)商固話網(wǎng)的不足,利用部分企事單位及石油、電力等特殊行業(yè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源的以太網(wǎng)接口,在若干節(jié)點(diǎn)提供分布式話音接入和交換功能。

2 方案實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)包括主CPU模塊、從CPU模塊、模擬話音信號(hào)與PCM數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、收號(hào)處理模塊、話音交換及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝及解封裝模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)加解密模塊、以太網(wǎng)模塊。

為便于靈活配置用戶接口和中繼接口的數(shù)量,模擬話音信號(hào)與PCM數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊采用子板形式(即模數(shù)轉(zhuǎn)換子板),其余電路集中于母板中,子板與母板通過專用連接器可靠連接。整個(gè)設(shè)計(jì)可最多安裝三塊子板,每塊子板提供8路用戶接口或中繼接口。

圖1 方案實(shí)現(xiàn)框圖

2.1 各模塊功能

1) 主CPU模塊和從CPU模塊

主CPU模塊和從CPU模塊均包含型號(hào)為AM3359ZCZD72的處理器芯片、型號(hào)為MT41J128M8JP-15E IT的DDR3芯片(8位位寬、256MB容量)和型號(hào)為MT29F4G08ABADAWP-IT的NAND FLASH芯片(512MB容量)。

AM3359ZCZD72是德州儀器的ARM Cortex-A8 32bit RISC微處理器,主頻可達(dá)到720MHz,可以支持多種接口,包括:Mddr/DDR2/DDR3接口、16位數(shù)據(jù)總線、NAND FLASH接口、SGX530 3D圖形引擎、LCD接口、RTC、兩個(gè)USB 2.0接口、兩個(gè)三速以太網(wǎng)接口、兩個(gè)CAN接口、六個(gè)UART接口、三個(gè)I2C接口[1]。

主、從CPU模塊通過DDR接口外擴(kuò)兩片DDR3芯片,用于MII接口與地址數(shù)據(jù)接口之間的數(shù)據(jù)緩存;通過數(shù)據(jù)、地址總線路聯(lián)接NAND FLASH,用于啟動(dòng)代碼、應(yīng)用程序和號(hào)碼配置信息的存儲(chǔ)。

主CPU模塊通過地址數(shù)據(jù)總線完成對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換子板(由FPGA轉(zhuǎn)換為24路SPI接口,獲取摘掛機(jī)狀態(tài)、檢測(cè)鈴流、模擬摘機(jī)控制)、收號(hào)處理模塊(讀取號(hào)碼信息)、話音交換及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝及解封裝模塊(信號(hào)音產(chǎn)生及切換、MAC地址及IP地址配置、話音信令插入及提取)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)加解密模塊(寫入從MII口讀出的數(shù)據(jù)、IP地址、MAC地址,寫入從USB口讀出的密鑰,讀出網(wǎng)絡(luò)側(cè)輸入的數(shù)據(jù)、IP地址、MAC地址)的訪問,通過I/O口模擬的SPI口配置以太網(wǎng)模塊。主CPU模塊支持兩個(gè)MII接口,一個(gè)用于話音交換、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝及解封裝模塊連接,傳遞話音數(shù)據(jù);另一個(gè)與以太網(wǎng)模塊連接,傳遞網(wǎng)管信息,此外提供UART接口用于本地配置。

從CPU模塊通過地址數(shù)據(jù)總線從以太網(wǎng)數(shù)據(jù)加解密模塊讀出數(shù)據(jù)、IP地址、MAC地址封裝成以太網(wǎng)包后通過其MII接口發(fā)往以太網(wǎng)模塊,并實(shí)現(xiàn)其逆過程。

2) 模擬話音信號(hào)與PCM數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

該模塊位于模數(shù)轉(zhuǎn)換子板,分為用戶接口、中繼接口兩種類型,根據(jù)工程需要可選配,采用子板形式安裝,每塊子板均支持8個(gè)接口,設(shè)備總共提供三塊子板共24個(gè)接口。用戶類型接口選用千行電子QX34132-48芯片,該芯片集成了SLIC和CODEC電路,具備BORSCHT所有用戶接口七大功能,支持內(nèi)鈴流方式,采用智能饋電,模塊發(fā)熱量較小,可通過SPI接口配置二線端口阻抗、AD與DA雙方向點(diǎn)電平增益等主要指標(biāo),可完成兩/四線轉(zhuǎn)換、PCM A律編碼(G.711標(biāo)準(zhǔn))等功能[2]。

中繼類型接口采用明亞科技MYP2033CB芯片,輸出增益固定為-3.5dB,輸入增益固定為0dB,支持兩線正反極檢測(cè),可實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、環(huán)路檢測(cè)、模擬摘掛機(jī)等功能[3]。

3) 收號(hào)處理模塊

完成從話音碼流中提取號(hào)碼資源的功能,采用TI公司型號(hào)為TMS320VC5509APGE DSP芯片實(shí)現(xiàn)。TMS320VC5509APGE含每秒可處理四百萬(wàn)條乘法指令的雙路乘法器、兩個(gè)計(jì)算邏輯單元、三條內(nèi)部數(shù)據(jù)讀總線、兩條內(nèi)部數(shù)據(jù)寫總線、128KX16位片內(nèi)RAM、32KX16位片內(nèi)ROM,支持最大8MX16位的外部地址空間[4]。

收號(hào)處理模塊可根據(jù)CPU配置的接口類型信息,對(duì)用戶接口采用DTMF制式收號(hào)處理;對(duì)中繼接口采用FSK制式收號(hào)處理,在外部交換機(jī)不能提供反極性指示時(shí),可檢測(cè)催掛音,實(shí)現(xiàn)中繼端口的自動(dòng)釋放。

4) 話音交換及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝及解封裝模塊

該模塊包含國(guó)民技術(shù)的ZI34116C1F和XILINX的XC6SLX45-3FGG484I兩種芯片。其中ZI34116為會(huì)議電話和音調(diào)產(chǎn)生芯片,支持每幀1～64個(gè)通道,可編程每個(gè)通道的輸入和輸出增益/衰減,每個(gè)通道支持音調(diào)產(chǎn)生等三種模式,音調(diào)產(chǎn)生的頻率范圍為3.9Hz～3938Hz(步長(zhǎng)為3.9Hz),能同時(shí)產(chǎn)生8個(gè)不同類的音調(diào):7個(gè)不同的簡(jiǎn)單音調(diào)、1個(gè)旋律。XC6SLX45-3FGG484I屬于SPARTEN6系列,芯片采用45nm工藝,芯片資源豐富含43661個(gè)邏輯單元、6822個(gè)Slice、54576個(gè)觸發(fā)器、401Kb分布式RAM、最大2088Kb Block RAM模塊、最大296個(gè)I/O管腳[5]。

設(shè)計(jì)中由ZI34116C1F芯片產(chǎn)生催掛音、撥號(hào)音等信號(hào)音,FPGA XC6SLX45-3FGG484I芯片根據(jù)主CPU提供的主叫和被叫對(duì)應(yīng)關(guān)系等信息、ARP協(xié)議獲取源、目的IP地址及源、目的MAC地址,并將話音數(shù)據(jù)、交換信令封裝在以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中凈荷的區(qū)域,如圖2,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)其逆過程。同時(shí)FPGA亦完成CPU地址數(shù)據(jù)總線至最多24路SPI(主模式)的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)主CPU對(duì)QX34132-48的訪問,另將24路接口碼流合并成1路碼流送往收號(hào)處理模塊。

圖2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝說明

5) 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)加解密模塊

采用FPGA EP3C40F324芯片實(shí)現(xiàn),EP3C40F324屬于Altera的Cyclone Ⅲ系列,含39600個(gè)邏輯單元、126個(gè)M9K塊、126個(gè)18X18乘法器、4個(gè)PLL、20個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)、535個(gè)用戶I/O管腳。

該模塊支持透明傳輸、加解密兩種模式,由外部信號(hào)完成模式選擇。加解密處理時(shí),主CPU將USB口獲取的密鑰信息送至本模塊,本模塊為保持對(duì)各種傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的兼容性采用傳輸模式即僅對(duì)鏈路幀的凈荷(圖2中斜線部分)進(jìn)行加解密(采用專用普通密碼標(biāo)準(zhǔn)算法)。采用靜荷區(qū)的空閑字節(jié)傳遞密碼同步字,加密時(shí),根據(jù)密碼算法生成的算法數(shù)據(jù)與話音數(shù)據(jù)同或后即實(shí)現(xiàn)了加密,同時(shí)生成密碼同步字,解密時(shí)根據(jù)密碼同步字和算法數(shù)據(jù)還原話音數(shù)據(jù)。主、從CPU通過地址數(shù)據(jù)總線經(jīng)由本模塊傳遞目的、源IP地址和目的、源MAC地址信息。

6) 以太網(wǎng)模塊

模塊可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)二層交換和以太網(wǎng)物理層處理兩大功能,完成網(wǎng)管數(shù)據(jù)與話音數(shù)據(jù)的合成與分離,提供1個(gè)10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口與網(wǎng)絡(luò)連接。采用micrel的KS8995芯片,。該芯片可提供5個(gè)通道,通道1為話音通道,通道2為網(wǎng)管通道,通道3為外聯(lián)通道,芯片支持VLAN劃分、STP生成樹協(xié)議,為保障通信的安全性,劃定兩個(gè)獨(dú)立的VLAN-通道1與通道2、通道2與通道3。

2.2 業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)各接口對(duì)應(yīng)唯一IP地址,由網(wǎng)管配置,每臺(tái)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)業(yè)務(wù)MAC地址、一個(gè)網(wǎng)管MAC地址,出廠時(shí)即已設(shè)定。IP地址作為每個(gè)接口的識(shí)別標(biāo)志,業(yè)務(wù)MAC地址作為設(shè)備的識(shí)別標(biāo)志。以跨網(wǎng)用戶的通話為例,主叫用戶摘機(jī)、撥號(hào),模擬信號(hào)經(jīng)過1-1、1-2路徑轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)經(jīng)過1-3路徑進(jìn)入收號(hào)處理模塊。主CPU通過地址數(shù)據(jù)總線(1-4路徑)讀取號(hào)碼信息,并查找號(hào)碼信息資源表獲得主、被叫用戶的IP地址(即源、目的IP),確定為跨網(wǎng)用戶,再通過地址數(shù)據(jù)總線(1-5路徑)將IP地址等信息輸入話音交換、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝模塊,該模塊根據(jù)目的IP地址查找本地MAC地址表,若不能獲取目的MAC地址,則通過ARP協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取該信息(與話音傳遞路徑基本相同,下文描述)。話音交換、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝模塊在進(jìn)行以太網(wǎng)包封裝時(shí),將源、目的IP地址及源、目的MAC地址填入凈荷區(qū)用戶通道對(duì)應(yīng)的位置。封裝后的數(shù)據(jù)通過MII接口送至主CPU(1-6路徑)。主CPU分離出凈荷、IP及MAC地址信息,前者通過地址數(shù)據(jù)線傳遞至從CPU,后者進(jìn)入加密模塊(1-7路徑),加密模塊根據(jù)主CPU注入的密鑰、加密使能控制對(duì)凈荷完成加密,經(jīng)過地址數(shù)據(jù)總線將加密數(shù)據(jù)輸出至從CPU。從CPU對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行再封包,填入IP及MAC地址信息,最終通過1-7、1-8路徑輸入網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目的MAC地址將主叫端的以太網(wǎng)包輸入至被叫端,在被叫端該數(shù)據(jù)包經(jīng)過1-10、1-11、1-12路徑至話音交換、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)封裝及解封裝模塊(IP及MAC地址的傳遞處理與封裝方向類似、過程相反),該模塊根據(jù)目的IP地址解析出被叫端口編號(hào)。主CPU判斷被叫端口是否占線,若占線,則通過信令通道向主叫端主CPU發(fā)送用戶占線信令,主叫端ZI34116C1F芯片向主叫用戶發(fā)送忙音;若未占線,主CPU向被叫用戶接口發(fā)送振鈴使能信令,同時(shí)通知主叫端ZI34116C1F芯片向主叫用戶發(fā)送等待音,待監(jiān)測(cè)到被叫用戶摘機(jī)后,通知主叫端CPU完成話音通道的接續(xù),至此主、被叫用戶通話已實(shí)現(xiàn)。雙方通話完畢,均掛機(jī)、釋放交換狀態(tài)后,停止向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)送以太網(wǎng)包。本地用戶之間的通話,設(shè)備只需提供交換功能,不進(jìn)行以太網(wǎng)封裝、加解密處理,過程更簡(jiǎn)單。此外,中繼出局、入局的通話與用戶之間的通話類似[6]。

圖3 話音數(shù)據(jù)流向示意

3 配置說明

圖4 網(wǎng)管通道說明

本設(shè)計(jì)可由網(wǎng)管平臺(tái)(帶內(nèi)方式)或本地管理串口(速率38400bit/s、8bit數(shù)據(jù)位、偶校驗(yàn)、1bit停止位)配置設(shè)備的號(hào)碼信息資源表。如圖4所示,網(wǎng)管數(shù)據(jù)與話音數(shù)據(jù)共用1個(gè)10M/100M以太網(wǎng)接口,通過二層交換模塊完成合成與分離。最終用戶可通過網(wǎng)管界面完成接口類型、IP編號(hào)、中繼/電話號(hào)碼、加解密選擇等參數(shù)的配置。

4 創(chuàng)新性說明

本設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益優(yōu),可靈活利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源,只需要一次性投資、在若干節(jié)點(diǎn)布局設(shè)備,網(wǎng)內(nèi)通話不會(huì)額外增加費(fèi)用。可靠性及安全性高,采用分布式交換分散了系統(tǒng)正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn),相對(duì)集中式交換,部分模塊損壞時(shí),不會(huì)導(dǎo)致交換功能的整體喪失。可針對(duì)特殊行業(yè)防竊聽需求,對(duì)通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳遞的話音信號(hào)進(jìn)行加解密處理。擴(kuò)展性強(qiáng),在野外、車載移動(dòng)等情況下,只需要將設(shè)備就近接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò),即可快捷、方便地實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)內(nèi)各用戶通話。此外可通過兩線模擬中繼環(huán)啟接口與小型交換機(jī)連接,擴(kuò)展本地用戶數(shù)量。兼容性好,符合電信標(biāo)準(zhǔn),可通過兩線模擬中繼環(huán)啟接口與電信網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)用戶與公網(wǎng)用戶的通話。靈活性大,可根據(jù)不同的需求在保持兩線模擬用戶接口與兩線模擬中繼環(huán)啟接口總數(shù)量不變的情況下,自由調(diào)整兩者的數(shù)量組合。支持網(wǎng)絡(luò)、本地(串口)兩種配置模式。生命周期長(zhǎng),適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)分組化、業(yè)務(wù)接口IP化的演進(jìn)趨勢(shì)[7],滿足技術(shù)發(fā)展的需要,具備較強(qiáng)的生命力?？梢浦残约?更換接口模塊、對(duì)交換軟件及網(wǎng)管界面進(jìn)行少量修改后,可用于異步數(shù)據(jù)接口、V.35等低速接口的IP化改造。

5 應(yīng)用示例

圖5 應(yīng)用示意圖

本設(shè)計(jì)應(yīng)用示意圖如圖5所示,提供1路支持自適應(yīng)模式的10M/100M以太網(wǎng)接口用于與現(xiàn)有分組交換網(wǎng)聯(lián)接,提供24路兩線模擬用戶接口或兩線模擬中繼環(huán)啟接口用于連接電話、電信固話網(wǎng)或小型交換機(jī)。各設(shè)備分布于若干節(jié)點(diǎn),采用分布式交換方式實(shí)現(xiàn)話音通話,支持跨網(wǎng)的話音加密功能。

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)經(jīng)過實(shí)際測(cè)試,各項(xiàng)功能、性能滿足應(yīng)用要求,其中兩線接口指標(biāo)達(dá)到電信級(jí)入網(wǎng)許可標(biāo)準(zhǔn),以太網(wǎng)接口(100M速率)24小時(shí)丟包率為0,可在工業(yè)級(jí)復(fù)雜環(huán)境中安裝使用,在網(wǎng)絡(luò)向IP化發(fā)展的技術(shù)背景下,具有良好的推廣價(jià)值。

[1] AM335x ARM Cortex-A8 Microprocessors Technical Reference Manual, 2013:166-167. http://www.ti.com.

[2] QX34132-48 用戶接口模塊 千行電子,2011:1-3.http://www.kilo-x.com.

[3] MY2033系列中繼接口電路 Minya Technology Co.,Ltd,2013:1-2.http://www.minyacn.com.

[4] TMS320VC5509A Fixed-Point Digital Siganl Processor Data Manual, 2002:1. http://www.ti.com.

[5] Xilinx, Inc. Spartan-6 Family Overview, 2011: 1-2. http://www.xilinx.com.

[6] 樂正友.程控交換與綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001:1-5.

[7] 王元杰,楊宏博,等.電信網(wǎng)新技術(shù)IPRAN/PTN/[M].北京:人民郵電出版社,2014:1-18.

A Distributed Voice Access and Exchange Equipment Design

HU Zanjun SHU Lei ZHANG Yong LUO Yongfu TAN Wen

(The 722nd Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Wuhan 430205)

Based on VoIP, distributed switching and Ethernet encryption technology, the design makes up the shortage of fixed network telecommunications operators, and uses existing cyber source of part of enterprises, petroleum, electric power and other special industries. It provides a distributed voice access and exchange function in some node, and can guarantee the safety of the demand of speech.

Ethernet, module, voice, exchange, CPU, MII

2014年11月3日,

2014年12月19日

胡贊軍,男,碩士研究生,工程師,研究方向:通信系統(tǒng)傳輸接入網(wǎng)。舒磊,男,碩士研究生,工程師,研究方向:通信系統(tǒng)傳輸接入網(wǎng)。張勇,男,碩士研究生,工程師,研究方向:通信系統(tǒng)傳輸接入網(wǎng)。羅永富,男,碩士研究生,工程師,研究方向:通信系統(tǒng)傳輸接入網(wǎng)。譚文,男,工程師,研究方向:通信系統(tǒng)傳輸接入網(wǎng)。

TP316.4

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.016