基于BF531的VoIP終端的設計與實現(xiàn)

郭星 海軍701工廠，北京 100015

基于BF531的VoIP終端的設計與實現(xiàn)

郭星 海軍701工廠，北京 100015

本文介紹了VoIP原理和關鍵技術，分析了SIP協(xié)議的呼叫流程，提出基于BF531的VoIP終端的設計方案，實現(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)到達目的地后進行解壓、數(shù)模轉換還原語音，是一種利用Internet技術進行語音通信的新業(yè)務。由于VoIP技術促進了網(wǎng)絡資源利用，降低語音業(yè)務成本，因此在全球范圍內得到了迅速的發(fā)展，可以說是當前世界上發(fā)展最快，普及最廣的應用服務技術之一。鑒于VoIP在網(wǎng)絡和通信領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上可行的設計方案，即在高性能低功耗的BF531處理器平臺上實現(xiàn)VoIP終端。

1 VoIP原理及關鍵技術

1.1 VoIP原理

VoIP原理：運用語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，然后把語音數(shù)據(jù)按有關協(xié)議進行打包，經(jīng)由IP網(wǎng)絡把數(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，就可以恢復成原來的語音信號了，從而實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)傳送語音的目的。

1.2 VoIP關鍵技術

VoIP完全建立在IP網(wǎng)絡基礎上，關鍵技術包含信令、編碼、實時傳輸?shù)取?/p>

1.2.1 信令

保障電話呼叫的實現(xiàn)和話音質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、低碼率的同時還要保證語音的高質量。語音壓縮編碼的目標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 實時傳輸

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

(1)RTP協(xié)議

RTP是一種應用型的傳輸層協(xié)議，為應用提供端到端的實時網(wǎng)絡傳輸。RTP需要與底層網(wǎng)絡協(xié)議相配合才可以實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的任務。由于語音傳輸對實時性要求較高，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力裝置的空間要求遠高于核能發(fā)電廠，而傳統(tǒng)核聚變反應堆體積、重量很大，遠超這些運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式能量供應源。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米的該型反應堆就可實現(xiàn)200兆瓦的熱功率輸出，運行一年所需的燃料量僅為25千克，可以在線補充燃料，無需像裂變堆那樣定期停堆更換燃料棒，可連續(xù)運行，大幅提升續(xù)航能力，而且設計與建造周期也只有數(shù)月，成本遠低于大型聚變裝置。

RTCP是配合RTP的一種實時傳輸控制協(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)絡狀況的有關參數(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標準（RFC3261），用于在IP網(wǎng)絡上建立、改變和終結多媒體會話，是基于應用層的控制協(xié)議。同時SIP可以邀請第三方加入會話，也支持重定向服務和名字映射。

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/服務器的模式，即主叫代理充當UAC，被叫代理充當UAS。SIP大致有三種呼叫模式：a.UAC向UAS直接呼叫，b.UAC在重定向服務器的配合下進行重定向的呼叫，c.代理服務器代表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終端設計實現(xiàn)

2.1 VoIP終端組成框圖

圖2 VoIP終端組成框圖

2.2 硬件設計

硬件采用模塊化設計，包括IP電話處理器、電源管理模塊、語音處理模塊、網(wǎng)絡接口模塊、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 軟件設計

終端軟件分驅動層、中間層和應用層三層設計，其中應用層軟件采用Qt/E開發(fā)，移植開源軟件linphone的庫文件，采用多線程設計思想，將整個應用程序劃分為四部分，分別由四個線程來實現(xiàn)。

UI線程主要用來響應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類型的對象實現(xiàn)。QApplication類負責圖形界面應用程序的控制流以及主要設置管理，包括主事件的循環(huán)、應用程序的初始化和結束及對話管理。

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)絡語音數(shù)據(jù)解碼、混音及播放等。

SIP信令交互線程調用linphone所依賴的eXoSIP和oSIP庫，使用UDP實現(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)初始化時創(chuàng)建的eXosip_execute線程不斷查詢是否有數(shù)據(jù)需要處理。當它發(fā)現(xiàn)狀態(tài)機中有需要處理的數(shù)據(jù)時，它會調用在系統(tǒng)初始化時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)，放到事件隊列中。

RTP/RTCP收發(fā)線程調用linphone所依賴的oRTP庫，用Socket套接字實現(xiàn)RTP/RTCP數(shù)據(jù)包收發(fā)工作。RTP負責傳送語音數(shù)據(jù)，RTCP對數(shù)據(jù)分發(fā)質量等信息進行反饋。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會話結構體，返回值是成功發(fā)送到網(wǎng)絡中字節(jié)數(shù)。接收函數(shù)：rtp_ session _recv _with_ ts，接收rtp數(shù)據(jù)包。

3 VoIP終端功能驗證

首先向SIP服務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，然后進行了通話測試，并進行了語音時延測量。通過測試發(fā)現(xiàn)VoIP終端能夠實現(xiàn)語音通話，語音清晰流暢，沒有出現(xiàn)明顯的時延和回音，達到預期效果，已在實際中應用。

4 結論

本文在深入分析VoIP原理和SIP機制的基礎上，提出基于BF531處理器的設計方案，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。通過測試結果分析，設計的終端達到了預期的目標，驗證了本文提出的設計方案的可行性。

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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