過去幾年里，通過Internet人們之間的數據交換變得非常頻繁。僅去年全世界的電子郵件數量就達到6.9萬億之多。通過同一主干網絡進行語音傳輸的動力越來越大。本文概述了語音數據綜合技術，以及FPGA(現場可編程門陣列)在推動語音數據綜合的作用。

語音數據業務的網絡綜合是指通過同一網絡同時傳輸數據、語音和視頻的能力。VoIP語音傳輸，也稱為IP電話，就是采用Internet協議分組的形式進行語音傳輸。

目前的語音電話基于電路交換基礎設施，采用PSTN網絡（公共交換電話網絡）。呼叫建立后，在整個呼叫持續時間內，PSTN系統為其保留一個64Kbps帶寬的固定端到端信道。一個語音呼叫通常不會占用整個信道帶寬。

在VoIP網絡中，語音的分組是實時進行的。VoIP還大大降低了需要的帶寬，因為可以同時傳輸多個分組。配合采用SSS7及TCP/IP網絡來完成呼叫的建立和釋放，同時還采用了地址解析協議（ARP）。語音IP分組的傳輸過程過程是這樣的：

* 步驟1： 將模擬語音信號轉換成線性脈碼調制(PCM)數字位流(每125ms 16位）;

* 步驟2： 從PCM位流中去除線路回聲，并通過分析進行靜音壓縮和音調檢測；

* 步驟3：將 最終的PCM樣本數據轉換成語音幀，再通過語音編碼器進行壓縮。G.729a采用10字節語音數據表示10ms的語音。它可將128kbps的線性PCM位流壓縮為8kbps；

* 步驟4： 語音幀集成到語音分組中。首先，生成一個具有12字節標頭的RTP分組。然后再加下一個包含源及目標地址的8字節UDP分組。最后，再加上包含源及目標IP地址的20字節IP標頭；

* 步驟5： 分組通過Internet傳輸，路由器和交換機檢查目標地址并將分組傳送到目標地址。IP路由可能會越過不同的網絡并通過許多節點；

* 步驟6： 當目標接收到分組后，分組經過相反的過程實現語音的回放。

IP分組是按順序編號后傳送到目標地址的。接收端必須按正確的次序將分組重組（當分組到達次序變化時）以產生語音。IP地址和電話號碼也必須正確地進行映像。

1998年的VoIP設備銷售達6100萬美元，預計到2003年時將超過38億美元。VoIP市場也將從2000年時的77億分鐘，發展到2005年時的5000億分鐘。還預測VoIP網關設備的市場將從2000年的12億美元增長到2005年的100億美元。

* IP傳真（Fax over IP ，FoIP）采用VoIP類似的技術提供傳真服務；

* DSL語音(Voice over DSL， VoDSL)通過DSL網絡進行VoIP傳輸。VoIP網關將VoIP業務連接到一個5類語音交換網絡和PSTN網絡；

*有線電視電纜語音傳輸（Voice over Cable，VoCable）采用有線電視電纜基礎設施提供Internet和語音傳輸服務。

為了實現語音和數據傳輸業務的綜合，需要克服幾個障礙。如要在一個網絡基礎設施內有效地滿足本質上不同的兩類業務傳輸的要求。語音和視頻(多媒體)流需要恒定的帶寬，并且對網絡的延遲很敏感。數據業務則是猝發式的，對網絡的延遲相對不那么敏感。數據網絡的無連接本質意味著：不同的數據業務是在實時的基礎上競爭帶寬的。

雖然專用分機交換(PBX)設備基于專用設計，IP電話產品則完全基于Internet協議，而且是一個基于開放標準的不斷演化的技術。設計人員需要遵守標準，因此為產品的驗證和測試帶來很大的工作量。

VoIP產品的語音質量還必須能夠與電路交換系統的質量相比。影響語音質量的因素包括線路噪聲、回聲、采用的語音編碼及網絡延遲。此外還需要在IP分組交換網絡基礎上提供與電路交換網絡相似的特性，如呼叫等待、免費號碼、信用卡付費、來電ID顯示以及三方呼叫等。

綜合網絡要進行語音和視頻的傳輸必須支持服務質量(QoS)。QoS是指網絡向用戶提供可保證的服務水平的能力。服務水平通常包括諸如最小帶寬、最大延遲以及抖動(延遲的變化)等的參數。

語音處理功能包括下述內容：

* PCM 接口 處理PCM數據，功能包括壓縮擴展及再取樣等。這一模塊還包括雙音頻產生器，負責產生雙音多頻信號和呼叫過程所需要的音頻信號;

*回聲抑制單元根據ITU G.165 或 G.168標準對全雙工的語音端口信號進行回聲抑制;

* 語音活動檢測器在靜默時，沒有語音信號的情況下，限制分組數據的傳送;

* 音頻檢測器檢測接收到的雙音多頻信號，并分辨語音和傳真信號;

* 語音編碼單元對語音數據壓縮以后傳輸。在VoIP應用中有幾種不同的編碼解碼方法可用來進行語音數據流的壓縮。表1比較了不同的ITU編碼解碼方法。MOS（平均主觀分數）是通過主觀的評價過程就聲音質量所打出的平均分數;

* 語音播放使接收到的分組緩沖，并將之輸入到語音編碼解碼電路中解碼進行回放;

* 分組語音協議 使壓縮后的語音數據封裝,以便通過數據網絡進行傳輸。

VoIP網關支持上百條線路，但預見到VoIP將從試驗階段進入成熟采用階段，系統供應商正致力于將密度提高到上千的范圍。

由于處理這么多信道需要十分強大的處理能力，因此構造高容量系統的工作充滿了挑戰。現在在此類系統中采用了高性能DSP陣列，同時采用H.110 CT總線在線路接口卡和PSTN系統間傳輸PCM語音流。此外，還包括DS1、DS3或ATM端口及一般運行SS7信令軟件的一個管理處理器。因此一塊語音處理卡包括DSP、存儲器、微處理器（完成控制、信令和數據處理功能）、H.110兼容總線接口和10/100以太網接口。所以需要相當數量的復雜連接邏輯，包括PCI橋、存儲器控制器和數據通道FIFO。FPGA在網關中可用作：

*系統級連接邏輯 實現專用的PCI主機橋、DSP與處理器接口邏輯、存儲器控制器、數據路徑開關和FIFO功能；

*回聲消除 在實現高性能FIR濾波器和相關器之類的功能時，FPGA比DSP更有效；

*語音編碼 采用FPGA實現ADPCM核心，可以處理八個完全雙工的數據流，并支持G.721、 G.723、 G.726、 G.726a、 G.727及G.727a 的ITU標準。

IP電話連接到一個局域網（LAN)而不是傳統的電話插座。實際上IP電話是具有內置VoIP網關和局域網接口電路的電話。此類系統中處理功能通常分為一個DSP處理器作語音處理，和一個RISC處理器完成的信令、系統管理和網絡協議處理。

圖1示意一個典型的IP電話結構。包括一個語音編碼解碼器(完成A/D和D/A）、用戶接口邏輯（按鍵盤、狀態顯示及振鈴信號的音頻指示器）以及可選數據（串行）端口(完成如PDA同步等功能）。可編程邏輯解決方案可為產品帶來自己的特色以及與多種技術的接口。

* 系統和用戶接口邏輯： PCI、 RS-232串行端口和其它連接邏輯功能；

* 局域網(LAN）、 家庭網絡和無線局域網接口：IEEE802.3、 HomePNA、IEEE802.11、 HiperLAN2、HomeRF等；

* DSP、語音編碼解碼器。

FPGA可實現網絡處理器與交換結構接口所需要的復雜功能，或者實現基礎設施接口所需要的其它ASSP功能。FPGA還可以用作網絡處理器的專用協處理器。在此類應用中，FPGA用來加速復雜的幀處理算法，如：業務分類、業務調度和定形、復雜的策略、以及隊列管理。

Internet電話已成長起來，并成為目前主流通信手段的一部分。雖然技術比較復雜，但它卻為消費者和企業節約了成本和帶寬。FPGA為開發和構建VoIP網關和解決方案的系統設計人員提供了一個低風險、低成本的方式。因此，FPGA可推動數據和語音業務的綜合的發展。■