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建構電信級高密度VoP媒體網路閘道訊號處理系統

上網時間: 2006年02月24日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:VoP媒體網路閘道  訊號處理  電信級 

VoP技術為電信廠商提供了新的網路實現方法和新的業務拓展空間。作為新網路的基礎設備,高密度媒體網路閘道無論在市場還是技術方面都將受到越來越多的關注,而媒體訊號處理系統則是關鍵。。本文分析了電信級高密度媒體網路閘道訊號處理系統的設計方法和要求,介紹德州儀器的TNETV3010數位訊號處理器在高密度VoP媒體網路閘道系統中的設計。

半導體業的發展,特別是訊號處理器和網路處理器的發展,為高密度電信級封包語音(Voice Over Packet,VoP)媒體網路閘道處理語音等多媒體訊號帶來很多便利。由於VoP電話具有投資少,維護費用低,能相容數據業務等許多優勢,因此近年來越來越多的電信廠商開始將注意力投向VoP應用這一領域。在VoP網路中,承載語音的數據網路已不是電路交換網路,而是IP網路或ATM、訊框中繼等封包網路,於是VoP媒體網路閘道應運而生。


圖1:高密度媒體網路閘道基本系統架構。

以往VoP網路閘道係統的實現大都由工控機、語音處理卡和網路鏈路卡構成,這種工控機處理能力相當有限,一般只能處理幾十個語音通道,遠不能滿足成立大型電信級電話網路的需要。為了成立大規模的下一代電話網路,設備製造商需要研製電信級VoP高密度媒體網路閘道。它負責PSTN╱ISDN的C4或C5的匯接,將其接取到ATM或IP網路,主要實現VoATM或VoIP功能。

電信級媒體網路閘道一個主要特點就是接取密度大,一般有幾十個到幾百個E1接取容量,這就要求網路閘道具備非常強的訊號處理能力。因此,在大型媒體網路閘道中,訊號處理系統是整個系統的瓶頸,這部份的設計優劣直接影響整個系統性能。由於目前絕大多數網路閘道都採用DSP作為語音訊號處理引擎,因此,實際上DSP模組的性能就直接決定了網路閘道的性能。

高密度媒體網路閘道係統基本結構

簡單來說,電信級媒體網路閘道可以分為兩種:接取網路閘道和中繼網路閘道。它們將取替5類和4類交換機。接取網路閘道提供了傳統接取設備和VoP網路之間的主要通訊,從功能上來講,類似於5類交換機,它必須支援傳統的POTS接取、非數位的PBX接取以及ISDN的BRI和PRI接取。中繼網路閘道提供PSTN和VoP核心網路之間的一種通訊功能,它主要完成語音訊號在不同網路之間傳輸的轉換工作。無論是接取網路閘道還是中繼網路閘道,其處理的媒體串流除了語音之外,還包括MODEM和FAX訊號,這些都是傳統電話網路的基本業務。

圖2:TNETV3010晶片結構。

圖1所示高密度媒體網路閘道的主要組成部份:系統控制器、PSTN介面模組、TDM交換模組、媒體訊號處理模組和數據網路介面模組。系統控制器負責整個系統的管理、配置和呼叫控制。PSTN介面模組提供與PSTN網路的介面,接取網路閘道常用的介面包括POTS和PBX介面,中繼網路閘道常用的介面包括T1/E1、DS3和OC-3。TDM交換模組負責TDM串流的分配。語音訊號處理模組負責媒體訊號的處理和轉換工作。數據網路介面模組提供與封包交換網路的介面。目前應用最多的是ATM網路和IP網路,絕大多數網路閘道設備都提供這兩種網路介面,常見的封包介面有OC-n(OC-3、OC12等)、POS、100BaseT和Gigabit乙太網路介面。

媒體訊號處理系統主要包括DSP和匯聚器(Aggregator),如圖1中的虛線部份所示。DSP完成不同網路之間的多種媒體訊號轉換工作。由於電信級媒體網路閘道容量比較大,每個系統都需要許多DSP,因此匯聚器是必需的。匯聚器主要有以下功能:匯聚來自多個DSP產生的數據封包,然後集中傳輸到下一模組;在相反方向,它把從封包交換網路上傳遞來的數據封包路由到合適的DSP上;有些DSP的介面不標準,導入匯聚器則可以向外界提供一個標準介面,這一點在背板系統中尤其有用;在某些應用中,它還可以提供封包過濾、網路管理等功能。匯聚器可以是專用晶片,如乙太網路交換晶片、通用處理器或小型的網路處理器,也可以是具有匯聚邏輯的ASIC、FPGA或PLD等邏輯元件。匯聚器的選擇和設計由模組介面、數據串流頻寬及封包處理等因素決定。

圖 3:TNETV3010 VoP模組系統結構。

媒體訊號處理系統基本要求

1. 必須能夠支援傳統PSTN網路的所有基本業務

媒體網路閘道的一個重要使命就是使PSTN網路平滑過渡到下一代語音網路,這就要求網路閘道的訊號處理系統能處理現有PSTN中所有基本的媒體訊號,如語音、MODEM和FAX訊號,甚至信令訊號,如CAS等。PSTN功能的模擬是媒體網路閘道的基本功能。

2. 必須保證語音等業務品質達到電信級要求

電路交換網路特有的可靠性和低延遲保證了傳統電話的語音品質,因此用戶自然希望新一代網路依然具有高品質的語音。然而封包網路,尤其是IP網路主要是用來傳輸數據業務,採用的是盡力而為的、無連接的技術,因此沒有服務質量保證(QoS),存在封包丟失、失序到達和延遲抖動等情況。

圖 4:TNETV3010語音通道。

數據業務對此要求不高,但語音屬於即時業務,對時序、延遲等有嚴格的要求。因此網路閘道的媒體訊號處理必須採取特殊措施以保障一定的業務品質,否則用戶難以接受VoP電話。為了達到這一目的,一些特定功能,如多電語音處理、語音活動檢測、回聲消除等就應運而生,缺少任何環節,都會導致語音品質的下降。此外,MODEM和FAX的相容性也是考核網路閘道業務性能的重要指標。

3. 必須達到電信級可靠性要求

任何電信級設備的可靠性要求都很高,即所謂的五個九要求(99.999%),媒體網路閘道也不例外。作為媒體網路閘道的核心,訊號處理系統的可靠性直接決定了整個設備的可靠性。為了提高系統的可靠性,設計者常常採用冗餘備份的方法,與訊號相關的部份採用1加1備份,對於那些純媒體串流處理的模組採用N加1備份。

圖 5:TNETV3010 FoP傳真通道。

4. 具備較強的可擴展性和靈活性

廠商建設下一代語音網路的先決條件是VoP網路能否擴展為大型的語音網路。可擴展性是指媒體網路閘道在不損傷語音品質的前提下能否支援非常大的語音流量。為了適應這種密度需求,單一的系統通常必須支援幾千路的語音通道。這種高密度需求對設備的供電、散熱和體積提出了高要求。作為網路閘道的核心晶片,DSP的平均每通道面積和功耗就顯得尤其重要。

另外,大容量的媒體網路閘道訊號處理系統往往都十分複雜,開發設計週期比較長,投資大,所以設備製造商在設計系統時通常都要考慮通用平台設計,即在同一個平台中盡可能支援多種業務,這?所指的平台包括硬體和軟體平台。舉例來說,用於有線網路的訊號處理系統可以透過適當的軟體升級,支援無線業務。DSP的性能和儲存空間的大小決定了其應用靈活性的程度。

基於TNETV3010的訊號處理系統設計

隨著VoP業務的興起,無論是業務廠商、設備製造商還是晶片供應商都看到了其孕育的巨大商機。現在許多DSP廠商都推出了專門用於高密度VoP的數位訊號處理器。

圖 6:TNETV3010訊號通道。

德州儀器(TI)的單晶片TNETV3010整合了六個C55x核心(如圖2所示),不同DSP核心之間透過內部獨特的交換平台進行數據通訊,所以這是一種扁平化結構,使編程大為簡化,而且可以繼承以前單核心C55x成熟的應用程式,可大幅縮短開發時間。每個核心都有自己獨立的記憶體,在程式空間方面,針對VoP應用,擴大了內部儲存空間,因此無需外部記憶體。

依靠C55x核心強有力的平行特性,TNETV3010能支援192路電信級的PCM語音通道,或96路低位元率通道,全負載執行時的功耗小於1瓦,平均每PCM通道功耗小於5毫瓦。此外,TNETV3010的封裝面積僅16mm x 16mm。因此非常適合高密度網路閘道應用。

TNETV3010 VoP模組系統結構

圖3為基於TNETV3010的媒體訊號處理系統結構。其中,TNETV3010負責語音等訊號處理,UL2-MII FPGA負責數據封包格式的轉換和路由。對使用者而言,控制串流和數據串流是分離的。HOST可以很方便地透過乙太網路介面和訊號處理模組進行通訊。HOST與DSP之間無直接介面,兩者之間所有的通訊都透過UL2-MII FPGA,這在很大程度上簡化了設計。FPGA的所有設計程式碼都由TI提供。

除了UL2-MII FPGA作為匯聚器外,TI與Wintegra公司還共同推出一種為高密度VoP設備而設計新型整合參考架構。該參考架構將WinPath網路處理器整合在基於TNETV3010的高密度網路閘道解決方案中。TNETV3010支援參考架構中的語音處理功能,包括符合G.168-2000標準帶128ms波尾的回波消除、語音檢測與生成、音訊轉碼及完整的VoP封包/單元封裝。WinPath從TNETV3010獲得了完整的封包/單元,並提供了單元、封包及AAL2 CID(ATM自適應第二層配置安裝及分佈)交換、L2-L7分類、AAL2 CPS(每秒字符)封包化及封包拆卸、協議互通作業以及流量管理。

圖7: HOST軟體結構。

TNETV3010媒體訊號處理過程

TNETV3010在硬體上採用C55x多核心結構,在軟體設計方面採用了Telogy VoP軟體。從業務功能來分,整個TNETV3010的媒體訊號處理過程可分為,語音處理、傳真/MODEM處理和訊號處理。

圖4所示TNETV3010語音處理過程,它涵蓋了全部語音處理的基本模組。一個VoP通道由兩部份組成:TDM語音處理部份和封包語音處理部份,連接這兩者的是會議橋模組。這是一種高度模組化設計,可以很方便地進行TDM側之間、封包網路側之間和TDM與封包網路之間的語音通訊。重要的模組包括回聲消除模組、會議橋和編解碼模組等。

圖5所示TNETV3010傳真處理過程,它主要由T.30和T.38兩個模組組成。T.30主要完成本地傳真機的端接,而T.38主要完成傳真在封包網路中的傳輸,目前Telogy的FoP通道已能和大部份傳真機實現互通。

圖6所示TNETV3010的訊號處理過程。這個訊號通道能完成全部的CAS訊號處理和部份的CCS訊號處理。值得注意的是,許多其他DSP不具備同時處理語音和訊號發送的功能,這就限制了其應用場合。而TNETV3010的這一特性能使其靈活地應用於接取和中繼網路閘道。

HOST軟體設計

整個TNETV3010媒體訊號處理軟體系統,除了DSP側的軟體外,還包括HOST側的整套控制模組。圖7是高密度網路閘道中媒體處理板的HOST CPU典型的軟體結構圖。其中,TI提供了所有與媒體處理相關的模組和介面,包括媒體處理資源管理模組、DSP處理控制模組、數據路徑配置模組、底層通訊模組和整套與應用程式相連的API。這些軟體模組不是參考程式,而是真正的交鑰匙(Turn-Key)軟體,TI保證其所有程式碼的正確性和有效性。系統整合者無需開發額外的程式碼,所需寫的僅僅是應用適配層。因此,TNETV3010方案軟體整合非常簡單。

各模組都有不同任務,媒體處理資源管理模組負責所有媒體處理資源的分配和管理,如DSP及其的通道分配,DSP即時資源監控,DSP的IMAGE管理等。DSP控制模組負責對具體的語音,傳真/MODEM和訊號處理通道的全部作業,如製作和關閉通道,通道的參數配置,通道上報事件的處理等。數據路徑配置模組負責媒體數據封包的傳輸路徑管理及配置,如路徑的設立和關閉,內部路由表的配置,封包頭的設置等。底層通訊模組提供了上層消息串流與底層硬體驅動之間的介面。

作者:周剛

德州儀器半導體技術(上海)有限公司




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