通過因特網(wǎng)進行語音通信是一個非常復雜的系統(tǒng)工程,，其應用面很廣，因此涉及的技術(shù)" title="技術(shù)">技術(shù)也特別多,，其中最根本的技術(shù)是VoIP" title="VoIP">VoIP (Voice over IP)技術(shù),，可以說，因特網(wǎng)語音通信是VoIP技術(shù)的一個最典型的,、也是最有前景的應用領(lǐng)域,。因此在討論用因特網(wǎng)進行語音通信之前，有必要首先分析VoIP的基本原理" title="原理">原理,，以及VoIP中的相關(guān)技術(shù)問題,。

一、 VoIP的基本傳輸過程

傳統(tǒng)的電話網(wǎng)是以電路交換方式傳輸語音,，所要求的傳輸寬帶為64kbit/s,。而所謂的VoIP是以IP分組交換網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺,，對模擬的語音信號進行壓縮,、打包等一系列的特殊處理，使之可以采用無連接的UDP協(xié)議進行傳輸,。

為了在一個IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音信號,，要求幾個元素和功能。最簡單形式的網(wǎng)絡(luò)由兩個或多個具有VoIP功能的設(shè)備組成,，這一設(shè)備通過一個IP網(wǎng)絡(luò)連接,。VoIP模型的基本結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)VoIP設(shè)備是如何把語音信號轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)流,，并把這些數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到IP目的地,，IP目的地又把它們轉(zhuǎn)換回到語音信號。兩者之音的網(wǎng)絡(luò)必須支持IP傳輸,，且可以是IP路由器和網(wǎng)絡(luò)鏈路的任意組合,。因此可以簡單地將VoIP的傳輸過程分為下列幾個階段。



1,、 語音-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

語音信號是模擬波形,，通過IP方式來傳輸語音，不管是實時應用業(yè)務還是非實時應用業(yè)務,，道貌岸首先要對語音信號進行模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,，也就是對模擬語音信號進行8位或6位的量化，然后送入到緩沖存儲區(qū)中,，緩沖器的大小可以根據(jù)延遲和編碼的要求選擇,。許多低比特率的編碼器是采取以幀為單位進行編碼。典型幀長為10~30ms,?？紤]傳輸過程中的代價,，語間包通常由60、120或240ms的語音數(shù)據(jù)組成,。數(shù)字化可以使用各種語音編碼方案來實現(xiàn),，目前采用的語音編碼標準主要有ITU-T G.711。源和目的地的語音編碼器必須實現(xiàn)相同的算法,，這樣目的地的語音設(shè)備幫可以還原模擬語音信號,。

2、 原數(shù)據(jù)到IP轉(zhuǎn)換

一旦語音信號進行數(shù)字編碼,，下一步就是對語音包以特定的幀長進行壓縮編碼,。大部份的編碼器都有特定的幀長，若一個編碼器使用15ms的幀,，則把從第一來的60ms的包分成4幀,，并按順序進行編碼。每個幀合120個語音樣點(抽樣率為8kHz),。編碼后,，將4個壓縮的幀合成一個壓縮的語音包送入網(wǎng)絡(luò)處理器。網(wǎng)絡(luò)處理器為語音添加包頭,、時標和其它信息后通過網(wǎng)絡(luò)傳送到另一端點,。語音網(wǎng)絡(luò)簡單地建立通信端點之間的物理連接(一條線路)，并在端點之間傳輸編碼的信號,。IP網(wǎng)絡(luò)不像電路交換網(wǎng)絡(luò),，它不形成連接，它要求把數(shù)據(jù)放在可變長的數(shù)據(jù)報或分組中,，然后給每個數(shù)據(jù)報附帶尋址和控制信息,，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，一站一站地轉(zhuǎn)發(fā)到目的地,。

3,、 傳送

在這個通道中，全部網(wǎng)絡(luò)被看成一個從輸入端接收語音包,，然后在一定時間(t)內(nèi)將其傳送到網(wǎng)絡(luò)輸出端,。t可以在某全范圍內(nèi)變化，反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸中的抖動,。網(wǎng)絡(luò)中的同間節(jié)點檢查每個IP數(shù)據(jù)附帶的尋址信息,，并使用這個信息把該數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)到目的地路徑上的下一站。網(wǎng)絡(luò)鏈路可以是支持IP數(shù)據(jù)流的任何拓結(jié)構(gòu)或訪問方法,。

4,、 IP包-數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

目的地VoIP設(shè)備接收這個IP數(shù)據(jù)并開始處理。網(wǎng)絡(luò)級提供一個可變長度的緩沖器，用來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的抖動,。該緩沖器可容納許多語音包,，用戶可以選擇緩沖器的大小。小的緩沖器產(chǎn)生延遲較小,，但不能調(diào)節(jié)大的抖動,。其次，解碼器將經(jīng)編碼的語音包解壓縮后產(chǎn)生新的語音包,，這個模塊也可以按幀進行操作,，完全和解碼器的長度相同。若幀長度為15ms,，,，是60ms的語音包被分成4幀，然后它們被解碼還原成60ms的語音數(shù)據(jù)流送入解碼緩沖器,。在數(shù)據(jù)報的處理過程中,，去掉尋址和控制信息，保留原始的原數(shù)據(jù),，然后把這個原數(shù)據(jù)提供給解碼器,。

5、 數(shù)字語音轉(zhuǎn)換為模擬語音

播放驅(qū)動器將緩沖器中的語音樣點(480個)取出送入聲卡,，通過揚聲器按預定的頻率(例如8kHz)播出,。簡而言之,，語音信號在IP網(wǎng)絡(luò)上的傳送要經(jīng)過從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,、數(shù)字語音封裝成IP分組、IP分組通過網(wǎng)絡(luò)的傳送,、IP分組的解包和數(shù)字語音還原到模擬信號等過程,。



1、 語音-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

語音信號是模擬波形,，通過IP方式來傳輸語音,，不管是實時應用業(yè)務還是非實時應用業(yè)務，道貌岸首先要對語音信號進行模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,，也就是對模擬語音信號進行8位或6位的量化,，然后送入到緩沖存儲區(qū)中，緩沖器的大小可以根據(jù)延遲和編碼的要求選擇,。許多低比特率的編碼器是采取以幀為單位進行編碼,。典型幀長為10~30ms?？紤]傳輸過程中的代價,，語間包通常由60、120或240ms的語音數(shù)據(jù)組成,。數(shù)字化可以使用各種語音編碼方案來實現(xiàn),，目前采用的語音編碼標準主要有ITU-T G.711,。源和目的地的語音編碼器必須實現(xiàn)相同的算法，這樣目的地的語音設(shè)備幫可以還原模擬語音信號,。

2,、 原數(shù)據(jù)到IP轉(zhuǎn)換

一旦語音信號進行數(shù)字編碼，下一步就是對語音包以特定的幀長進行壓縮編碼,。大部份的編碼器都有特定的幀長,，若一個編碼器使用15ms的幀，則把從第一來的60ms的包分成4幀,，并按順序進行編碼,。每個幀合120個語音樣點(抽樣率為8kHz)。編碼后,，將4個壓縮的幀合成一個壓縮的語音包送入網(wǎng)絡(luò)處理器,。網(wǎng)絡(luò)處理器為語音添加包頭、時標和其它信息后通過網(wǎng)絡(luò)傳送到另一端點,。語音網(wǎng)絡(luò)簡單地建立通信端點之間的物理連接(一條線路),，并在端點之間傳輸編碼的信號。IP網(wǎng)絡(luò)不像電路交換網(wǎng)絡(luò),，它不形成連接,，它要求把數(shù)據(jù)放在可變長的數(shù)據(jù)報或分組中，然后給每個數(shù)據(jù)報附帶尋址和控制信息,，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送,，一站一站地轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

3,、 傳送

在這個通道中,，全部網(wǎng)絡(luò)被看成一個從輸入端接收語音包,，然后在一定時間(t)內(nèi)將其傳送到網(wǎng)絡(luò)輸出端,。t可以在某全范圍內(nèi)變化,，反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸中的抖動,。網(wǎng)絡(luò)中的同間節(jié)點檢查每個IP數(shù)據(jù)附帶的尋址信息,，并使用這個信息把該數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)到目的地路徑上的下一站,。網(wǎng)絡(luò)鏈路可以是支持IP數(shù)據(jù)流的任何拓結(jié)構(gòu)或訪問方法,。

4,、 IP包-數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

目的地VoIP設(shè)備接收這個IP數(shù)據(jù)并開始處理,。網(wǎng)絡(luò)級提供一個可變長度的緩沖器,，用來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的抖動。該緩沖器可容納許多語音包,，用戶可以選擇緩沖器的大小,。小的緩沖器產(chǎn)生延遲較小，但不能調(diào)節(jié)大的抖動。其次,，解碼器將經(jīng)編碼的語音包解壓縮后產(chǎn)生新的語音包,，這個模塊也可以按幀進行操作，完全和解碼器的長度相同,。若幀長度為15ms,，，是60ms的語音包被分成4幀,，然后它們被解碼還原成60ms的語音數(shù)據(jù)流送入解碼緩沖器,。在數(shù)據(jù)報的處理過程中，去掉尋址和控制信息,，保留原始的原數(shù)據(jù),，然后把這個原數(shù)據(jù)提供給解碼器。

5,、 數(shù)字語音轉(zhuǎn)換為模擬語音

播放驅(qū)動器將緩沖器中的語音樣點(480個)取出送入聲卡,，通過揚聲器按預定的頻率(例如8kHz)播出。簡而言之,，語音信號在IP網(wǎng)絡(luò)上的傳送要經(jīng)過從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,、數(shù)字語音封裝成IP分組、IP分組通過網(wǎng)絡(luò)的傳送,、IP分組的解包和數(shù)字語音還原到模擬信號等過

二,、 VoIP的相關(guān)技術(shù)因素

由于相關(guān)的硬件、軟件,、協(xié)議和標準中的許多發(fā)展和技術(shù)突破,，使得VoIP的廣泛使用很快就會變成現(xiàn)實。這些領(lǐng)域中的技術(shù)進步和發(fā)展為創(chuàng)建一個更有效,、功能和互操作性更強的VoIP網(wǎng)絡(luò)起著推波助瀾的作用,。表2-2簡單列出了這些領(lǐng)域中的主要發(fā)展。從表中可以看出,，推動VoIP飛速發(fā)展乃至廣泛應用的技術(shù)因素可以歸納為如下幾個方面。

1,、 數(shù)字信號處理器 先進的數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor ,DSP)執(zhí)行語音和數(shù)據(jù)集成所要求的計算密集的任各,。DSP處理數(shù)字信號主要用于執(zhí)行復雜的計算，否則這些計算可能必須由通用CPU執(zhí)行,。它們的專門化的處理能力與低成本的結(jié)合使DSP很好地適合于執(zhí)行VoIP系統(tǒng)中的信號處理功能,。

單個語音流上G.729語音壓縮的計算開銷開常大，要求達到20MIPS,，如果要求一個中央CPU在處理多個語音流的同時,，還執(zhí)行路由和系統(tǒng)管理功能，這是不現(xiàn)實的，因此,，使用一個或多個DSP可以從中央CPU卸載其中的復雜語音壓縮算法的計算任務,。另外，DSP還適合于語音的活動檢測和回聲取消這樣的功能,，困為它們實時處理語音數(shù)據(jù)流,，并能快速訪問板上內(nèi)存，因此,。在本章節(jié)中,，比較詳細地介紹如何在TMS320C6201DSP平臺來實現(xiàn)語音編碼和回聲抵消的功能。

表2-2 推動VoIP的主要技術(shù)進展



協(xié)議和標準 軟件 硬件 H.323 加權(quán)公平排隊法 DSP MPLS標記交換 加權(quán)隨機早期檢測 高級ASIC RTP, RTCP 雙漏斗通用信元速率算法 DWDM RSVP 額定訪問速成率 SONET Diffserv, CAR Cisco快速轉(zhuǎn)發(fā) CPU處理功率 G.729, G.729a:CS-ACELP 擴展訪問表 ADSL,，RADSL,，SDSL FRF.11/FRF.12 令牌桶算法 Multilink PPP 幀中繼數(shù)據(jù)整流形 SIP 基于優(yōu)先級的CoS Packet over SONET IP和ATM QoS/CoS的集成

2、 高級專用集成電路 專用集成電路(Application-Specific Integrated Circait, ASIC)發(fā)展產(chǎn)生了更快,、更復雜,、功能更強的ASIC。ASIC是執(zhí)行單一應用或很小的一組功能專門的應用芯片,。由于集中于很窄的應用目標,，故它們可以對特定的功能進行高度的優(yōu)化，通常雙通用CPU快一個或幾個數(shù)量級,。就像精簡指令集計算機(RSIC)芯片集中于快速執(zhí)行扔限數(shù)目的操作一樣,，ASIC被預先編程、使其能更快地執(zhí)行有限數(shù)目的功能,。一旦開發(fā)完成,，ASIC批量生產(chǎn)的成本并不高，被用于包括路由器和交換機這樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,，執(zhí)行路由查表,、分組轉(zhuǎn)發(fā)、分組分類和檢查以及排隊等功能,。ASIC的使用使設(shè)備的性能更高,，而成本更低。它們?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)提供增加的寬帶和更好的QoS支持,，所以對VoIP發(fā)展起著很大的促進作用,。

3、 IP傳輸持術(shù)傳輸電信網(wǎng)大多采用時分多路復用方式,，因特網(wǎng)須采用的是統(tǒng)計復用變長分組交換方式,，二者相比，后者對網(wǎng)絡(luò)資源利用率高,，互連互通簡便有效,、對數(shù)據(jù)業(yè)務十分適用,，這是因特網(wǎng)得以飛速發(fā)展的重要原因之一。但是,，寬帶IP網(wǎng)絡(luò)通信對QoS和延遲特性提出了茍刻的要求,，因此，統(tǒng)計復用變長分組交換的技術(shù)發(fā)展為人們所關(guān)注,。目前,，除已問世的新一代IP協(xié)議--IPV6外，世界因特網(wǎng)工程任務組(IETF)提出了多協(xié)議標記交換技術(shù)(MPLS),，這是一種基于網(wǎng)絡(luò)層選路的各種標記/標簽的交換,，能提高選路的靈活性，擴展網(wǎng)絡(luò)層選路能力,，簡化路由器和基于信元交換的集成,，提高網(wǎng)絡(luò)性能。MPLS既可以作為獨立的選路協(xié)議工作,，又能與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)選路協(xié)議兼容,，支持IP網(wǎng)絡(luò)的各種操作、管理和維護功能,，使IP網(wǎng)絡(luò)通信的QoS,、路由、信令等性能大大提高,，達到或接近統(tǒng)計復用定長分組交換(ATM)的水平,，而又比ATM簡單、高效,、便宜,、適用。IETF還地抓緊新的分組理理持術(shù),，以便實現(xiàn)QoS選路,。其中正在研究"隧道技術(shù)" 就是為了實現(xiàn)單向鏈路的寬帶傳送。 另外,，如何選擇IP網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺也是近年來研究的一個重要領(lǐng)域,，先后出現(xiàn)了IP over ATM、IP over SDH,、IP over DWDM等技術(shù),，目前公認的寬帶網(wǎng)絡(luò)分析模型如圖所示。



第一層是基層礎(chǔ),，提供高速的數(shù)據(jù)傳輸骨干。IP層向IP用戶提供高質(zhì)量的,，具有一定服務保證的IP接入服務,。用戶層提供接入形式(IP接入和寬帶接入)和服務內(nèi)容形式,。在基礎(chǔ)層，以太網(wǎng)作為IP網(wǎng)絡(luò)的物理層,，是理所當然的事情,，但是IP overDWDM卻上最新技術(shù)，并具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br />
密集波分多路復用(Dense Wave Division MultipLexing,DWDM)為光纖網(wǎng)絡(luò)注入新的活力,，并在電信公司鋪設(shè)新的光纖主干網(wǎng)中提供驚人的帶寬,。DWDM技術(shù)利用光纖的能力和先進的光傳輸設(shè)備。波分多路復用的名稱是從單股光纖上傳送多個波長的光(LASER)而得來的,。目前的系統(tǒng)能夠發(fā)送和識別16個波長,，而將來的系統(tǒng)能夠支持40~96全波長。這具有重要意義,，因為每增加一個波長,，就增加了一個信息流。因此可以將2.6Gbit/s(OC-48)網(wǎng)絡(luò)擴大16倍,，而不必鋪設(shè)新的光纖,。

大多數(shù)新的光纖網(wǎng)絡(luò)以(9.6Gbit/s)的速度運行OC-192，在與DWDM結(jié)合時,，在一對光纖上產(chǎn)生150Gbit/s以上的容量,。另外，DWDM提供了接口的協(xié)議和速度無關(guān)的特征,，在一條光纖上可同時支持ATM,、SDH和千兆以太網(wǎng)信號的傳輸，這樣和現(xiàn)在已建成的各種網(wǎng)絡(luò)都可以兼容,，因此DWDM既可以保護已有的設(shè)資,，還可以以其巨大帶寬為ISP和電信公司提供了功能更強的主干網(wǎng)，并使寬帶成本更低和訪問性更強,，這對VoIP解決方案的帶寬要求提供強有力的支持,。增加的傳輸速率不僅可以提供更粗的管道，使阻塞的機會更少,，而且使延時降低了許多,，因此可以在很大程度上減少IP網(wǎng)絡(luò)上的 QoS要求。

4,、 寬帶接入技術(shù)

IP網(wǎng)絡(luò)的用戶接入已成為制約全網(wǎng)發(fā)展的瓶頸,。從長期發(fā)展看，用戶接入的終極目標是光纖到戶(FTTH),。光接入網(wǎng)從廣義上講包括光數(shù)字環(huán)路載波系統(tǒng)和無源光網(wǎng)絡(luò)兩類,。前者主要在美國，結(jié)合開放口V5.1/V5.2,，在光纖上傳送其綜合系統(tǒng),，顯示了很大的生命力,。后者主要在目本和德國。日本堅持不懈攻關(guān)十多年,，采取一系列措施,，將無源光網(wǎng)絡(luò)成本降低至與銅纜和金屬雙絞線相近的水平，并大量使用,。特別是近年 ITU提出以ATM為基礎(chǔ)的無源光網(wǎng)絡(luò)(APON),，將ATM與無源光網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢互補，接入速率可達622M bit/s,，對寬帶IP多媒體業(yè)務發(fā)展十分有利,，且能減少故障率和節(jié)點數(shù)目，擴大覆蓋范圍,。目前ITU已完成了標準化工作,，各廠家正在積極研制，不久會有商品上市,，將成為面向21世紀的寬帶接入技術(shù)的主要發(fā)展方向,。

目前主要采用的接入技術(shù)有:PSTN、IADN,、ADSL,、CM、DDN,、 X.25和 Ethernet以及寬帶無線接入系統(tǒng)列等,。這些接入技術(shù)各有特點，其中發(fā)展最快的是ADSL和CM;CM(Cable Modem)采用同軸電纜,，傳輸速率高,、抗干擾能力強;但是不能雙向傳輸，無統(tǒng)一標準,。ADSL(Asymmetrical Digital Loop) 獨享接入寬帶,， 充分利有現(xiàn)有電話網(wǎng)，提供非對稱的傳輸速率,，用戶側(cè)的下載速率可以達到8 Mbit/s,，用戶側(cè)的上載速率可以達到1M bit/s。ADSL為企業(yè)和各個用戶提供必要的寬帶,，并極大地降低成本,。使用較低成本的ADSL地區(qū)環(huán)路，現(xiàn)在公司能以更高的速度訪問因特網(wǎng)和基于因特網(wǎng)服務供應商的VPN,，允許更高的VoIP呼叫容量,。

5、 中央處理單元技術(shù)

中央處理單元(CPU)在功能,、功率和速度方面繼續(xù)發(fā)展,。這使多媒體PC能夠廣泛應用,，并提高了受CPU功率限制的系統(tǒng)功能的性能,。PC處理流式音頻和視頻數(shù)據(jù)的能力在用戶中期待已久,，所以在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳送語音呼叫理所當然成為下一步的目標。這個計算功能使先進的多媒體桌面應用和網(wǎng)絡(luò)組件中的先進功能都支持語音應用,。