QNX下實現VoIP語音的應用研究

趙付軒，楊斌

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 610031）

趙付軒（碩士生）、楊斌（教授），主要研究方向為單片機與嵌入式系統應用。

引 言

1 嵌入式系統硬件設計

1.1 OMAP3530平臺簡介

如圖1所示，BeagleBoard開發板主要由OMAP3530異構雙核處理器、MMC模塊、電源、I2C總線模塊及多通道緩沖串口（McBSP）等部件組成。系統由MMC模塊通過SD卡啟動Bootloader及QNX操作系統，通過I2C總線模塊連接語音模塊，通過McBSP連接其他模塊。

圖1 BeagleBoard開發板

OMAP3530采用一種獨特的雙核結構，把控制性較強的ARM處理器和高性能、低功耗的DSP結合起來，是一種開放式的可編程體系結構。對于一些運算量大的實時信號，例如圖像、音頻數據，可以采用DSP進行計算，而對于通信、外設控制等功能，則采用ARM處理器來實現，從而在功耗和復雜應用之間建立了良好的平衡。利用不同的內核（ARM和DSP）和硬件加速器的不同功能，根據性能或功耗的要求將一個算法映射到最佳的處理器引擎，這樣分別發揮了DSP和ARM核的優勢，與傳統只使用ARM核或只使用DSP芯片的移動終端相比，OMAP成功實現了性能與功耗的最佳組合。

1.2 ARM和DSP核之間的通信

ARM與DSP通信結構框圖如圖2所示。Codec Engine是連接ARM和DSP或協處理器的橋梁［1］，是介于應用層（ARM側的應用程序）和信號處理層（DSP側的算法）之間的軟件模塊。ARM應用程序調用Codec Engine的 VISA （Video，Image，Speech，Audio）API，如圖2中VIDENC＿process（a，b，c）。Codec Engine的stub（ARM側）會把參數a、b、c以及要調用DSP側process這個信息打包，通過消息隊列（message queue）傳遞到DSP。Codec Engine的skeleton（DSP側）會解開這個參數包，把參數a、b、c轉換成DSP側對應的參數x、y、z（比如ARM側傳遞的是虛擬地址，而DSP只能認物理地址），DSP側的server（優先級較低，負責和ARM通信的任務）會根據process這一信息創建一個DSP側的process（x，y，x）任務最終實現 VIDENC＿process（a，b，c）的操作。

圖2 ARM與DSP通信結構框圖

1.3 語音采集和播放模塊

QSA（QNX Sound Architecture）繼承和擁有大部分0.5.2版的高級Linux聲音架構（ALSA）的特點。雖然QNX聲音架構（QSA）和高級Linux聲音架構（ALSA）有很多相似的地方，但是它們并不兼容。在QNX Neutrino 6.5.0中現在支持兩個以上聲道，并且提供了一種機制，這種機制可以讓你配置聲音轉換器插件以增加或減少聲音或聲道［2］。QNX聲音架構支持各種各樣的數據格式。QNX的聲音架構分三個層次，從上層的ALSA應用層到中間ALSA內核及驅動層（其中包括編解碼器及平臺驅動等），再到最底層的OMAP3530的硬件層（包括I2C總線控制接口、系統DMA及 McBSP）。ALSA SoC架構如圖3所示。

1.4 操作系統

如圖4所示，QNX是一個真正的微內核操作系統［3］。在微內核RTOS中，應用程序、設備驅動程序、文件系統和網絡協議棧都駐留在內核外部的獨立地址空間，它們與內核以及彼此之間相互隔離，因此該系統具有出色的故障包容性，一個組件的故障不會導致整個系統崩潰。QNX是一個多任務、多用戶、分布可嵌入、符合POSIX標準的操作系統。QNX又是一個實時操作系統，它提供用戶可控制的、優先級驅動的、基于優先搶占的調度方式。它的自身開銷小、上下文切換快，在同樣的硬件條件下給實時應用留下更大的余地。

圖3 ALSA SoC架構

圖4 QNX系統微內核架構

2 VoIP技術

2.1 VoIP基本原理

通過語音的壓縮算法對語音數據編碼進行壓縮處理，然后把這些語音數據按TCP／IP標準進行打包，經過IP網絡把數據包送至接收地，再把這些語音數據包串起來，經過解壓處理后，恢復成原來的語音信號，從而達到通過網絡傳送語音的目的。

2.2 VoIP協議

VoIP架構中用到的協議主要有RTP、UDP及IP，語音數據流程如圖5所示。

據自然正家的數據統計，在服務過程中換用公司自發研制的清潔套組后，員工的工作效率提升了17%，客戶滿意率達到98%以上。好品質的清潔套組和高口碑的服務在客戶群中口口相傳，公司的訂單也就越來越多。

圖5 語音數據流程

采集的語音通過壓縮RTP、UDP及IP打包之后通過局域網進行傳輸，然后在接收端解IP包，執行相反的過程，最后播放語音。VoIP通道實際上是語音分組、RTP和UDP的通道。它并非一個IP的通道，因為在每個節點上IP協議都被使用。

作為VoIP的設計者，必須注意緩沖區大小、分組尺寸以及分組丟失率等問題。分組丟失的越多，接收端的語音質量就會越差；而另一方面，分組尺寸太大又會增大等待時間，并造成緩沖區的增大。

2.3 語音壓縮編解碼技術

用于VoIP中的常見的編碼器有：ITU－T G.723語音編碼器、ITU－T G.728語音編碼器、ITU－T G.729語音編碼器。語音編碼器的主要功能就是把用戶語音的PCM樣值編碼成少量的比特（幀）。語音編碼器是建立和處理VoIP分組的發動機，它由DSP驅動。

G.729原來是8kb／s的話音編碼標準［4］，現在的工作范圍擴展至6.4～11.8kb／s，話音質量也在此范圍內有一定的變化，但即使是6.4kb／s，話音質量也還不錯，因而很適合在VoIP系統中使用。

3 系統軟件開發架構

由于OMAP3530是ARM和DSP異構雙核處理器，目前還沒有一個統一的集成開發環境，所以本設計需要采用ARM端QNX IDE和DSP端CCS IDE兩套集成開發環境。系統的軟件架構如圖6所示。

圖6 系統軟件架構

為了簡化軟件開發，DSP的軟件結構從通用處理器（GPP）的編程環境中抽象出來。在OMAP軟件體系結構中，這種抽象通過定義一個接口，使GPP成為系統的主控者來實現。該接口由一系列包括設備驅動接口的API組成，提供一種通信機制，使得GPP應用程序能夠完成諸如初始化、控制DSP任務、與DSP交換信息、接收或發送數據流到DSP、狀態查詢等工作。通過資源管理器接口，GPP應用程序調用DSP的功能函數，就像在本地調用一樣。這種軟件體系結構允許開發人員在GPP的操作系統上使用C語言編程，而不直接面對底層硬件，并且使開發人員得以容易地使用符合標準的DSP算法，而無需深入了解DSP就可以利用DSP來加速信號處理任務，實現多媒體、語音或其他功能，從而充分發揮OMAP處理器的性能。

4 系統實現

4.1 語音采集和播放模塊

語音采集和播放模塊的作用是將音頻模擬信號轉換為數字信號，并對信號進行PCM編碼。QNX操作系統中語音采集與播放是相似的，下面介紹具體步驟。

（1）打開PCM設備

打開一個播放設備：

（2）配置PCM設備

snd＿pcm＿plugin＿info（）使用插件轉換器，如果硬件有一個自由子通道，插件轉換器可以做任何轉換；snd＿pcm＿channel＿info（）直接訪問硬件，這個函數只返回硬件的處理能力。

（3）控制語音轉換

實際的語音轉換是由snd＿pcm＿voice＿conversion結構體控制的。

（4）準備PCM子通道

采集或播放語音流的下一步就是準備運行的已分配的子通道。

① 當沒有用插件接口時使用snd＿pcm＿plugin＿prepare（）；

② 當沒有準備好時，snd＿pcm＿channel＿prepare（）函數會依據指定的通道調用snd＿pcm＿capture＿prepare（）或snd＿pcm＿playback＿prepare（）。

③關閉PCM子通道，完成采集或播放語音數據時，可以通過調用snd＿pcm＿close（）關閉子通道。

一旦打開和配置了一個PCM回放設備，并且準備好了PCM子通道，就可以采集或播放語音數據了。

4.2 語音網絡傳輸

VoIP中網絡傳輸技術主要是RTP和UDP［6］。由于實時傳輸協議RTP提供具有實時特征的、端到端的數據傳輸業務，因此VoIP可用RTP來傳送話音數據。在RTP報頭中包含裝載數據的標識符、序列號、時間戳及傳送監視等，通常RTP協議數據單元是用UDP分組來承載，而且為了盡量減少時延，話音凈荷通常都很短。IP、UDP和RTP報頭都按最小長度計算。VoIP話音分組開銷很大，采用RTP協議的VoIP格式，在這種方式中將多路話音插入話音數據段中，可以提高傳輸效率。

用較短的數據包來傳送語音業務是很重要的。如果在網絡中丟失了一個數據包，由于短包中包含重要語音信息的可能性較小，所以影響不大。大多數低速率語音編解碼器都只產生短語音數據包，一般幀長為10～30ms，數據包的長度為10～30字節，一種典型的數據包是40字節，采用短包可以使數據比特穿過輸入接口的等待時間縮短。

結 語

對于語音開發來說，QNX實時操作系統是一個不錯的選擇，支持較多的音頻編解碼，編程接口符合POSIX標準，可移植性較強。本設計使用基于OMAP3530處理器的BeagleBoard開發板，功能強大，可以實現較高的語音通話質量。

［1］TI.Codec Engine Algorithm Creator User's Guide［OL］.（2010－03）［2012－02］.http：／／www.ti.com.

［2］QNX Audio Developer's guide［OL］.（2011－05）［2012－02］.http：／／www.qnx.com.

［3］Getting Started with QNX Neutrino：A Guide for Realtime Programmers［OL］.（2011－05）［2012－02］.http：／／www.qnx.com.

［4］ITU－T G.729reference［OL］.（2010－08）［2012－02］.http：／／www.itu.int／en／pages／default.aspx.

［5］TI.OMAP3530Datasheet［OL］.（2011－01）［2012－02］.http：／／www.ti.com／omap3530.pdf.

［6］Uyless Black.Voice over IP［OL］.（2011－06）［2012－02］.http：／／en.wikipedia.org／wiki／Voice＿over＿IP.