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處理器/DSP  

如何利用協同處理器方案實現回音消除功能

上網時間: 2004年01月31日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:dsp  數位訊號處理  gateway  網路閘道  echo cancellation 

回音消除是一項較難實現的電話功能。傳統VoIP網路閘道DSP負責回音消除、壓縮及編解碼等功能,因此在分配處理能力時需要進行折衷,難以獲得最佳的語音品質。本文介紹一種協同處理解決方案,它透過將回音消除等成熟功能轉移給專用元件完成,因而提高設計靈活性和語音品質,並降低產品成本和功耗。

在數據封包網路上進行語音通訊具有現實的商業意義,它可以降低成本,減少網路資源佔用,因而讓廠商發掘新業務以提高營業收入。但是語音業務必須滿足語音品質要求,在具體實施上有很多困難,消費者希望封包網路也能提供像傳統電路交換網路一樣的廠商級語音品質。

電路交換TDM流是在網路閘道中轉換成語音數據包的,所以網路閘道是影響語音品質的一個重要網路設備。目前的封包語音(VoP)網路閘道完全依賴數位訊號處理器來完成數據包的處理、壓縮、語音編╱解碼、音質檢測及回音消除等基本電話功能,通用DSP儘管可以完成這些功能,但代價高昂,它的擴展性很差,同時訊息通道密度低且生產成本高。

能否找到一種更好的網路閘道解決方案呢?答案是肯定的。一種新型方案使用專用協同處理器解決現有問題,它改進了DSP的基礎架構,同時不影響今後的需求。將回音消除等成熟的電話功能從DSP轉移到專用半導體元件中完成後,可以使廠商降低VoP網路閘道每訊息通道成本,提高語音品質並減少總功率和對空間的要求,最終增加訊息通道密度並降低功耗及成本。圖1:傳統的語音網路閘道架構。

回音消除方法

在所有主要電話功能中,回音消除可能是最難實現的。設計者希望透過強大的回音消除功能解決語音不清、雙聲、通話不全及背景噪音變化等問題。早期的回音消除器保証語音品質主要針對電路交換網路長途通話延遲問題而設計,但現在的回音消除器演算法必須滿足新的語音品質要求,實現在嘈雜環境中的通話和無線通話,這些都需要更為嚴格的數位封包網路。由於封包語音本身有延遲,所以現在的回音消除器要用在封包網路所有語音訊息通道。實際上在目前VoP解決方案中,回音消除是最主要的成本支出計畫。

回音消除器依賴精密而強大的演算法工作,只有使用正確的軟體才能獲得最佳性能,DSP架構設計和指令類型將極大影響訊息通道密度和每訊息通道功耗。

G.168建議描述了回音消除的必要性,卻沒有對包括減少自適應噪音在內的語音品質要求做出完整的說明,這使得回音消除更為複雜。同時,G.168標準並未對收費語音品質做出規定,因此廠商紛紛推出各自的解決方案。

現有的回音消除器與封包╱聚合和壓縮引擎一起整合在通用DSP中,因此我們無法對通用DSP架構進行最佳化,提供回音消除所需的處理功能。如果專門針對回音消除來最佳化通用DSP,其它處理功能(如編解碼)和元件成本便會受到影響。更糟糕的是,回音消除軟體還必須與元件中執行的其它演算法共同工作。透過專門最佳化後,通用DSP很難再進行其它修改或改進以滿足客戶的特殊要求。這種情況下,協同處理便是一種極佳的解決方案,如果將回音消除轉移到專門的協同處理器上進行,設計者便可對演算法、功耗和元件尺寸進行最佳化。

為什麼要使用協同處理

在典型的VoP網路閘道中,回音消除、壓縮功能及其它數據封包共享DSP軟體和硬體資源。將有大量指令的回音消除交給最佳化的專門協同處理器處理後,設計者可更為靈活高效地配置整個網路閘道方案,例如將功能架構分開後可按照系統要求來增加或減少晶片尺寸,設計人員還可以挑選使用最好的元件和演算法,充分發揮每個元件的性能,以實現最佳的語音品質、功率、密度及成本。在不增加DSP的情況下處理額外的訊息通道,實現更多低速率編解碼及傳真中繼。圖2:最佳化後的網路閘道架構。

不過,將協同處理器整合在VoP網路閘道最吸引人的一點是透過合理配置協同處理器,可實現極佳的語音品質、訊息通道密度和功耗。

下面我們來說明一下原因。目前受功率限制,訊息通道密度無法提高,因此難於執行回音消除、編解碼及語音品質增強(VQE)等功能所需的指令密集型演算法。功率主要受到散熱、氣流和原材料成本等各方面因素的影響。通常系統功耗都會隨著晶片技術的換代而降低,然而當生產製程從目前的0.13微米向下一代90奈米技術轉變時,降低的功耗卻十分有限。因此,我們必須改變網路閘道的基本架構來減少功耗,協同處理便應運而生。

協同處理器解決方案也大幅地利用了現有的DSP和各種標準。例如,現有標準針對傳統DSP架構使用低速率編解碼進行了最佳化,因此在這些DSP上保持編解碼處理無論從設計角度還是經濟角度來考慮都有意義。然而,回音消除和語音品質增強演算法是基於頻域的,適合用向量DSP引擎來最佳化。從記憶體使用上來看,編解碼速率低,對每訊息通道的記憶體密度要求也較低,另一方面,回音消除和語音品質增強需要短時間高密度儲存。為了平衡這些差異,我們必須用不同的元件來完成這些功能。

原有的VoP網路閘道架構

在目前高密度廠商級語音網路閘道中,以DSP為中心的架構將TDM語音流轉換成ATM或IP傳輸所需的數據包,通常採用時隙交換(TSI)將TDM訊息通道直接提供給DSP元件並與之匹配。在這種架構下,每個DSP負責少量語音訊息通道的所有處理要求(圖1)。

用原有以DSP為中心的網路閘道架構,廠商需要四個先進的DSP才能實現672通道DS-3線路,並要將DSP處理能力分配用於回音消除和壓縮功能。例如當回音尾長增加時,要為回音消除分配更多的處理能力,此外還需要額外的處理能力進行音質控制和噪音削減,以符合標準要求。儘管G.729 A/B對壓縮進行了可靠的定義,但G.168並未對所有的回音消除問題進行說明,因此每家廠商的演算法都有所不同,功耗也不一樣。

協同處理器最佳化架構

開發商希望尋找具有成本效益的方法來改進功耗和訊息通道密度,於是他們開始重新考慮處理器的架構。

通用處理引擎並不能突破技術侷限,它們只是對原有資源簡單地進行重新分配。例如,有的引擎犧牲訊息通道密度來增強通用處理功能,有的則犧牲處理功能來提高訊息通道密度。

採用協同處理方法後,設計者可提高訊息通道密度和處理能力並同時降低功耗(圖2)。

與傳統解決方案相較,專用回音消除協同處理器只需使用3個DSP便可負責672個訊息通道,並將功耗減少三分之一,晶片面積減少一半。由於回音消除在DSP外部進行處理,設計人員可選擇適合設計最佳演算法,包括長回音尾長、噪音削減、音質控制及其它,演算法易於修改、升級和實施,並可在需要的時候配置信令、音量檢測、音訊會議和緩衝記憶體重放等功能。

在最佳化架構下,DSP提供G.711、G.723.1和G.729A/B編解碼和Group 3傳真中繼所需的功能,因而使廠商保護了在DSP和VP軟體上的投資,而只將回音消除等成熟功能移交給協同處理器。

將回音消除移交給協同處理器還有另一個好處。專用的協同處理器提供了一個增值平台,可大幅提高語音品質,在設計和成本上卻與原有架構基本相同。由於回音消除參數較為複雜,要實現廠商級語音品質十分困難而且昂貴,採用高品質專用回音消除器後,通訊設計人員可提供成本更低、性能更強的產品。

軟體問題

採用協同處理器架構必須修改系統控制軟體,不過改動十分有限且易於實現(表1)。

協同處理器架構在軟體上幾乎沒有多大變動,只影響少數功能控制軟體,即管理回音消除功能的部份。這些常規功能包括回音消除規定及控制、數據機檢測和回音消除狀態╱統計查詢。為了轉用協同處理器架構,這些功能必須從DSP介面/API轉變為協同處理器介面/API。不過這點很容易實現,因為回音消除參數通常與其它DSP功能無關,軟體工程師只需簡單地擷取這些參數並轉移到新的協同處理器API上即可。

為了更簡便地實施協同處理器方案,一些設計者加入了一個抽象層,使網路閘道的通用控制軟體在使用專用回音消除API時免受影響。如此一來,只需修改抽象層的通用功能便可實現協同處理器架構。

新的協同處理器策略還影響到DSP套裝軟體。實際上,透過將回音消除等指令密集型功能轉移出DSP,協同處理對DSP嵌入式套裝軟體的需求也相應減少。經過這一轉變,我們可將DSP更多地用於實現壓縮╱解壓縮等其它功能,並可支援額外的TDM時隙。不過,DSP套裝軟體必須透過修改處理能力方能增強,工程師必須注意這一點。

本文總結

以每訊息通道來說,採用協同處理回音消除方案可節省一半的DSP晶片面積和功耗。由於協同處理架構只轉移了成熟的專有功能,因此對今後設計也有意義。協同處理大幅提高了設計和實施靈活性,最重要的是,協同處理可減少VoP成本,同時提供廠商級的語音品質,因而吸引消費者。

作者:Doug Morrissey


副總裁兼技術總監


Email: doug.morrissey@octasic.com


Francois Morel


軟體開發經理


Email: francois.morel@octasic.com


Octasic公司




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