一種分布式話音接入和交換設備的設計*

胡贊軍 舒 磊 張 勇 羅永富 譚 文

(中船重工集團第722研究所 武漢 430205)

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一種分布式話音接入和交換設備的設計*

胡贊軍 舒 磊 張 勇 羅永富 譚 文

(中船重工集團第722研究所 武漢 430205)

設計基于VoIP、分布式交換和以太網加密的技術,彌補電信運營商固話網的不足,利用部分企事單位及石油、電力等特殊行業現有網絡資源,方便、快捷地在若干節點提供分布式話音接入和交換功能,并可保障語音的安全性需求。

以太網; 模塊; 話音; 交換; CPU; MII

Class Number TP316.4

1 引言

目前,雖然電信運營商提供的固話網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用,不能有效利用現有網絡資源,不能根據用戶需求在短時間內靈活增加電話接口數量,不能有效保障話音加密等特殊需求。而部分企事業單位、石油、電力、地鐵輕軌等特殊行業已布局具備分組交換功能的內部專網或開通電信運營商提供的VPN業務,而且從技術發展、應用角度而言,網絡側接口也逐漸向以太網接口統一。如何利用專有網絡資源保障不同區域用戶的通話、實現經濟效益、安全、效率等因素的最佳化已成為技術發展的一種需求和驅動力量。

本設計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備,基于VoIP、分布式交換和以太網加密的技術,彌補電信運營商固話網的不足,利用部分企事單位及石油、電力等特殊行業現有網絡資源的以太網接口,在若干節點提供分布式話音接入和交換功能。

2 方案實現

設計實現框圖如圖1所示。

設計包括主CPU模塊、從CPU模塊、模擬話音信號與PCM數字信號轉換模塊、收號處理模塊、話音交換及以太網數據封裝及解封裝模塊、以太網數據加解密模塊、以太網模塊。

為便于靈活配置用戶接口和中繼接口的數量,模擬話音信號與PCM數字信號轉換模塊采用子板形式(即模數轉換子板),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。整個設計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 方案實現框圖

2.1 各模塊功能

1) 主CPU模塊和從CPU模塊

主CPU模塊和從CPU模塊均包含型號為AM3359ZCZD72的處理器芯片、型號為MT41J128M8JP-15E IT的DDR3芯片(8位位寬、256MB容量)和型號為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,主頻可達到720MHz,可以支持多種接口,包括:Mddr/DDR2/DDR3接口、16位數據總線、NAND FLASH接口、SGX530 3D圖形引擎、LCD接口、RTC、兩個USB 2.0接口、兩個三速以太網接口、兩個CAN接口、六個UART接口、三個I2C接口[1]。

主、從CPU模塊通過DDR接口外擴兩片DDR3芯片,用于MII接口與地址數據接口之間的數據緩存;通過數據、地址總線路聯接NAND FLASH,用于啟動代碼、應用程序和號碼配置信息的存儲。

主CPU模塊通過地址數據總線完成對模數轉換子板(由FPGA轉換為24路SPI接口,獲取摘掛機狀態、檢測鈴流、模擬摘機控制)、收號處理模塊(讀取號碼信息)、話音交換及以太網數據封裝及解封裝模塊(信號音產生及切換、MAC地址及IP地址配置、話音信令插入及提取)、以太網數據加解密模塊(寫入從MII口讀出的數據、IP地址、MAC地址,寫入從USB口讀出的密鑰,讀出網絡側輸入的數據、IP地址、MAC地址)的訪問,通過I/O口模擬的SPI口配置以太網模塊。主CPU模塊支持兩個MII接口,一個用于話音交換、以太網數據封裝及解封裝模塊連接,傳遞話音數據;另一個與以太網模塊連接,傳遞網管信息,此外提供UART接口用于本地配置。

從CPU模塊通過地址數據總線從以太網數據加解密模塊讀出數據、IP地址、MAC地址封裝成以太網包后通過其MII接口發往以太網模塊,并實現其逆過程。

2) 模擬話音信號與PCM數字信號轉換模塊

該模塊位于模數轉換子板,分為用戶接口、中繼接口兩種類型,根據工程需要可選配,采用子板形式安裝,每塊子板均支持8個接口,設備總共提供三塊子板共24個接口。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,支持內鈴流方式,采用智能饋電,模塊發熱量較小,可通過SPI接口配置二線端口阻抗、AD與DA雙方向點電平增益等主要指標,可完成兩/四線轉換、PCM A律編碼(G.711標準)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,可實現模數轉換、環路檢測、模擬摘掛機等功能[3]。

3) 收號處理模塊

完成從話音碼流中提取號碼資源的功能,采用TI公司型號為TMS320VC5509APGE DSP芯片實現。TMS320VC5509APGE含每秒可處理四百萬條乘法指令的雙路乘法器、兩個計算邏輯單元、三條內部數據讀總線、兩條內部數據寫總線、128KX16位片內RAM、32KX16位片內ROM,支持最大8MX16位的外部地址空間[4]。

收號處理模塊可根據CPU配置的接口類型信息,對用戶接口采用DTMF制式收號處理;對中繼接口采用FSK制式收號處理,在外部交換機不能提供反極性指示時,可檢測催掛音,實現中繼端口的自動釋放。

4) 話音交換及以太網數據封裝及解封裝模塊

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

設計中由ZI34116C1F芯片產生催掛音、撥號音等信號音,FPGA XC6SLX45-3FGG484I芯片根據主CPU提供的主叫和被叫對應關系等信息、ARP協議獲取源、目的IP地址及源、目的MAC地址,并將話音數據、交換信令封裝在以太網絡數據包中凈荷的區域,如圖2,同時可實現其逆過程。同時FPGA亦完成CPU地址數據總線至最多24路SPI(主模式)的轉換,實現主CPU對QX34132-48的訪問,另將24路接口碼流合并成1路碼流送往收號處理模塊。

圖2 以太網數據封裝說明

5) 以太網數據加解密模塊

采用FPGA EP3C40F324芯片實現,EP3C40F324屬于Altera的Cyclone Ⅲ系列,含39600個邏輯單元、126個M9K塊、126個18X18乘法器、4個PLL、20個全局時鐘網絡、535個用戶I/O管腳。

該模塊支持透明傳輸、加解密兩種模式,由外部信號完成模式選擇。加解密處理時,主CPU將USB口獲取的密鑰信息送至本模塊,本模塊為保持對各種傳輸網絡技術的兼容性采用傳輸模式即僅對鏈路幀的凈荷(圖2中斜線部分)進行加解密(采用專用普通密碼標準算法)。采用靜荷區的空閑字節傳遞密碼同步字,加密時,根據密碼算法生成的算法數據與話音數據同或后即實現了加密,同時生成密碼同步字,解密時根據密碼同步字和算法數據還原話音數據。主、從CPU通過地址數據總線經由本模塊傳遞目的、源IP地址和目的、源MAC地址信息。

6) 以太網模塊

模塊可實現以太網二層交換和以太網物理層處理兩大功能,完成網管數據與話音數據的合成與分離,提供1個10M/100M自適應以太網接口與網絡連接。采用micrel的KS8995芯片,。該芯片可提供5個通道,通道1為話音通道,通道2為網管通道,通道3為外聯通道,芯片支持VLAN劃分、STP生成樹協議,為保障通信的安全性,劃定兩個獨立的VLAN-通道1與通道2、通道2與通道3。

2.2 業務實現

本設計各接口對應唯一IP地址,由網管配置,每臺設備對應一個業務MAC地址、一個網管MAC地址,出廠時即已設定。IP地址作為每個接口的識別標志,業務MAC地址作為設備的識別標志。以跨網用戶的通話為例,主叫用戶摘機、撥號,模擬信號經過1-1、1-2路徑轉換為數字信號,數字信號經過1-3路徑進入收號處理模塊。主CPU通過地址數據總線(1-4路徑)讀取號碼信息,并查找號碼信息資源表獲得主、被叫用戶的IP地址(即源、目的IP),確定為跨網用戶,再通過地址數據總線(1-5路徑)將IP地址等信息輸入話音交換、以太網數據封裝模塊,該模塊根據目的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協議從網絡側獲取該信息(與話音傳遞路徑基本相同,下文描述)。話音交換、以太網數據封裝模塊在進行以太網包封裝時,將源、目的IP地址及源、目的MAC地址填入凈荷區用戶通道對應的位置。封裝后的數據通過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,前者通過地址數據線傳遞至從CPU,后者進入加密模塊(1-7路徑),加密模塊根據主CPU注入的密鑰、加密使能控制對凈荷完成加密,經過地址數據總線將加密數據輸出至從CPU。從CPU對加密數據進行再封包,填入IP及MAC地址信息,最終通過1-7、1-8路徑輸入網絡。現有網絡根據目的MAC地址將主叫端的以太網包輸入至被叫端,在被叫端該數據包經過1-10、1-11、1-12路徑至話音交換、以太網數據封裝及解封裝模塊(IP及MAC地址的傳遞處理與封裝方向類似、過程相反),該模塊根據目的IP地址解析出被叫端口編號。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發送用戶占線信令,主叫端ZI34116C1F芯片向主叫用戶發送忙音;若未占線,主CPU向被叫用戶接口發送振鈴使能信令,同時通知主叫端ZI34116C1F芯片向主叫用戶發送等待音,待監測到被叫用戶摘機后,通知主叫端CPU完成話音通道的接續,至此主、被叫用戶通話已實現。雙方通話完畢,均掛機、釋放交換狀態后,停止向網絡側發送以太網包。本地用戶之間的通話,設備只需提供交換功能,不進行以太網封裝、加解密處理,過程更簡單。此外,中繼出局、入局的通話與用戶之間的通話類似[6]。

圖3 話音數據流向示意

3 配置說明

圖4 網管通道說明

本設計可由網管平臺(帶內方式)或本地管理串口(速率38400bit/s、8bit數據位、偶校驗、1bit停止位)配置設備的號碼信息資源表。如圖4所示,網管數據與話音數據共用1個10M/100M以太網接口,通過二層交換模塊完成合成與分離。最終用戶可通過網管界面完成接口類型、IP編號、中繼/電話號碼、加解密選擇等參數的配置。

4 創新性說明

本設計經濟效益優,可靈活利用現有網絡資源,只需要一次性投資、在若干節點布局設備,網內通話不會額外增加費用。可靠性及安全性高,采用分布式交換分散了系統正常運行的風險,相對集中式交換,部分模塊損壞時,不會導致交換功能的整體喪失。可針對特殊行業防竊聽需求,對通過現有網絡傳遞的話音信號進行加解密處理。擴展性強,在野外、車載移動等情況下,只需要將設備就近接入現有網絡,即可快捷、方便地實現與網內各用戶通話。此外可通過兩線模擬中繼環啟接口與小型交換機連接,擴展本地用戶數量。兼容性好,符合電信標準,可通過兩線模擬中繼環啟接口與電信網絡連接,實現專網用戶與公網用戶的通話。靈活性大,可根據不同的需求在保持兩線模擬用戶接口與兩線模擬中繼環啟接口總數量不變的情況下,自由調整兩者的數量組合。支持網絡、本地(串口)兩種配置模式。生命周期長,適應網絡側分組化、業務接口IP化的演進趨勢[7],滿足技術發展的需要,具備較強的生命力。可移植性佳,更換接口模塊、對交換軟件及網管界面進行少量修改后,可用于異步數據接口、V.35等低速接口的IP化改造。

5 應用示例

圖5 應用示意圖

本設計應用示意圖如圖5所示,提供1路支持自適應模式的10M/100M以太網接口用于與現有分組交換網聯接,提供24路兩線模擬用戶接口或兩線模擬中繼環啟接口用于連接電話、電信固話網或小型交換機。各設備分布于若干節點,采用分布式交換方式實現話音通話,支持跨網的話音加密功能。

6 結語

本設計經過實際測試,各項功能、性能滿足應用要求,其中兩線接口指標達到電信級入網許可標準,以太網接口(100M速率)24小時丟包率為0,可在工業級復雜環境中安裝使用,在網絡向IP化發展的技術背景下,具有良好的推廣價值。

[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.程控交換與綜合業務通信網[M].北京:清華大學出版社,2001:1-5.

[7] 王元杰,楊宏博,等.電信網新技術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:通信系統傳輸接入網。舒磊,男,碩士研究生,工程師,研究方向:通信系統傳輸接入網。張勇,男,碩士研究生,工程師,研究方向:通信系統傳輸接入網。羅永富,男,碩士研究生,工程師,研究方向:通信系統傳輸接入網。譚文,男,工程師,研究方向:通信系統傳輸接入網。

TP316.4

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.016