影響企業(yè)級IP電話性能的因素分析及解決方案
陳煒 2007/03/09
VoIP是指通過IP網絡傳輸電話呼叫的一種方式。VoIP允許通過已有的IP數據網絡傳輸電話呼叫，從而幫助企業(yè)降低通信成本。同時VoIP技術在企業(yè)市場的應用使數據通信產品廠商進入了語音市場，激烈的競爭催生了很多新的應用。在諸多新的應用中，IP電話與企業(yè)數據以及桌面應用的集成已成為一個熱點，企業(yè)級IP電話的語音質量對于整個融合解決方案的質量至關重要。
影響語音質量的因素
VoIP是以一種新技術的角色進入市場，與傳統的PSTN網絡進行競爭。作為替代技術，其語音質量應該能夠與PSTN的語音質量一致或者更好。但是因為IP網絡原本不是為傳遞語音數據而設計的，相對傳統電話系統，一些技術難點需要克服，設計者必須面對由此而帶來的挑戰(zhàn)。常見的問題有網絡時延、抖動、丟包和聲學回聲。
1. 網絡時延
在傳統的PSTN網絡，洲際長話或者衛(wèi)星長話的回路時延大約在500~600ms，這時候，當一方說話后要過一段時間對方才會聽到說話并反應，雙方通話脫節(jié)。在ITU的標準中建議電話系統的回路延時應該不大于300ms。在IP電話系統中，回路的時延包括語音報文打包時長、語音編解碼所引入的延時以及處理網絡抖動所引入的延時等。系統設計者必須均衡考慮各方面因素，使系統的回路時延盡可能小，使通話自然流暢。
2. 抖動
IP報文在網絡上傳遞時，每個報文傳輸的路由都有可能不一樣，在每個節(jié)點上傳遞轉發(fā)的時間也可能不一樣。在一個VoIP通話中，每個語音數據報文在網絡中的傳輸時間都不一樣。一些報文會比預計到達的時間晚到或者早到接收方，而在回放解碼IP語音報文時，解碼器以固定間隔回放語音數據。晚到的語音包會導致在一段時間內解碼器沒有數據可解，而早到的數據報文有可能被丟棄。所以系統中需要引入報文緩存區(qū)以去除網絡抖動，平滑網絡抖動所造成的影響。但是引入過深的緩存區(qū)，會使回路時延相應增大，需要選擇合適的緩存區(qū)大小，在能去除網絡抖動的同時，不過多增大回路延時。
3. 丟包
理想的網絡情況是所有發(fā)送的語音報文都能夠被接收端正常接收。但是IP報文在網絡上傳遞時，網絡的個別處理節(jié)點可能會出現處理能力不夠或者帶寬受限制的情況，部分報文可能會被丟掉。雖然IP網絡上有一些機制可以在報文丟失的時候重傳丟失報文，但是對實時性要求很高的話音數據并不能使用這些機制。
部分語音編解碼方式有內置的丟包補償算法，在丟包比率不高的時候，可以使用插值的方法做補償，讓接聽方感覺不到語音信息丟失。但是在丟包率較高的網絡，必須采用其它方法來控制網絡丟包對語音質量的影響。
4. 聲學回聲
在電話二四線轉換系統中通常存在兩種回聲：線路回聲和聲學回聲。
線路回聲是由于二四線轉換的時候阻抗不匹配引起。在這種情況下，通話者的聲音傳遞到遠端的二四線轉換時反射，同對方的說話送回到通話者的耳中。如果回路延時比較小(＜50ms)，通話者很難察覺到回聲的存在，但是當回路時延比較大的時候，通話者就能聽到自己的說話。IP通話的回路時延一般比較大，所以在有二四現轉換的節(jié)點必須有回聲抑制單元。
聲學回聲是由于在電話側的播放和接聽之間存在聲學耦合，喇叭播放出的聲音經過在空間中的一次或者多次反射以后回饋到聽筒或麥克風而引起(如圖1所示)。
在企業(yè)級IP電話的設計中，因為IP電話中沒有二四線轉換，所以線路回聲的影響不需要考慮。聲學回聲的影響，特別是免提模式下的聲學回聲是系統設計者需要考慮的難點和主要問題。
市場上推廣的很多解決方案宣稱能夠做到全雙工免提。但是事實上，大部分算法都只能支持半雙工免提通話。當全雙工電話工作在免提模式下，通話的雙方即使同時說話也能聽到對方的聲音。如果是只能支持半雙工免提通話，當雙方同時說話的時候，一方的聲音被壓制消除，不能被另一方聽到。甚至在本地的背景噪聲比較大的時候，對方的說話聲音被壓制，而聽不到任何聲音。
網絡時延、抖動、丟包以及聲學回聲都是影響IP電話通話質量的重要因素，系統設計者必須妥善解決這些問題。芯片供應商如果能夠提夠成熟的方案解決這些共性問題，可以使系統設計者集中精力設計差異化的新業(yè)務，并縮短產品推向市場的時間。
TNETV1050 IP電話解決方案
TI提供全面的VoIP解決方案，覆蓋IP電話、家庭網關、電信級網關以及VoADSL和VoCable。針對企業(yè)級IP電話需求，TI提供了多種解決方案，其中TNETV1050/TNEV1055的SoC方案基于TI的TMS320C55x DSP系列的可編程DSP和增強的32位MIPS內核。它使用先進的系統架構，在提供高性能低功耗的同時，兼顧系統的可擴展性，還包括豐富的外設接口，滿足設計企業(yè)級電話系統的要求。
圖2：TNETV1050/1055 IP電話處理器。
TNETV1050芯片包含一個內置的以太網交換機以及雙PHY，可以在桌面上提供IP電話服務的同時，提供一個PC連接。TNETV1050的USB接口可以使IP電話連接多種USB設備，如PDA等。設計者還可以通過TI的VLYNQ接口擴展多種其他功能，例如Wi-Fi模塊，硬件加密等。芯片集成了LCD控制器、CODEC以及鍵盤接口，降低了系統成本。
TI的IP電話軟件套件包括了DSP核心算法和配套的CPU軟件包。完整的DSP軟件包括多種編解碼算法、VAD、聲學回聲消除算法、報文回放模塊，以及完全的統計調試信息功能和語音質量監(jiān)控模塊。針對企業(yè)電話應用，TI提供完整的聲學回聲消除模塊支持全雙工免提功能，同時支持本地三方會議功能以及寬帶編解碼算法。
CPU軟件工具包，包括TI的CPU軟件以及第三方的軟件模塊。其中包括控制DSP的API模塊、支持呼叫控制的模塊、加密框架模塊、協議棧接口，以及第三方的協議棧模塊。
TI的軟件和第三方的軟件一起提供了IP電話所需要的完整軟件解決方案，優(yōu)化的芯片解決方案和DSP/CPU軟件大大減少了系統設計時間。針對企業(yè)級IP電話設計中遇到的共性問題，TI的軟件提供系統的解決方法。
1. 抖動和時延的處理
針對抖動和時延問題，TI的DSP軟件做了相應優(yōu)化，采用緊湊的系統結構，消除不必要的算法延遲。同時采用自適應的去抖動緩存區(qū)的算法，可以計算網絡的實時抖動，并根據實時抖動大小來調整緩存區(qū)的深度。在網絡狀況良好的時候，如企業(yè)的本地局域網中，去抖動緩存區(qū)算法可以縮小緩存區(qū)深度，以減小回路延時。
2. 丟報的處理
TI的軟件包中包括主動和被動兩種丟包處理辦法。主動算法是在傳輸報文中加入冗余信息(RFC 2198)或者前向糾錯信息(RFC 2733)。這樣在回放端如果發(fā)現有報文丟失，就可以根據相應的信息恢復出丟失的報文。當丟失的報文無法用主動方法恢復的時候，可以用被動的方法去做補償，根據前面的語音信息，擬合出一段語音用來補償。
從圖3可以看到，在網絡丟包比較高的時候，使用主動干預仍然可以獲得比較好的語音質量。
3. 聲學回聲的處理
解決IP電話的聲學回聲問題需要從兩方面著手。
首先，設計者需要采用有良好聲學特性的模具結構，以減小聲學回聲的幅度以及非線性回聲的部分。設計者可以通過咨詢相關的設計公司得到幫助。TI的方案包中包含聲學設計指南，對聲學設計中的一些要點提出建議。設計中的要點包括：盡可能增大喇叭到麥克風的距離；麥克風和喇叭在模具中應該有聲學隔離；麥克風應用比較軟的海綿包住，然后固定到話機上，以減少從模具上傳遞過來的震動；話機在接觸桌面的部分使用減震的墊腳，以減少震動；選擇頻譜特性良好的喇叭和麥克風等。
其次，聲學回聲處理模塊應能夠良好地去除壓制聲學回聲，并能夠正確處理兩端講話(double-talk)和不損害背景噪聲連續(xù)性。TI的聲學回聲抑制模塊利用快速傅立葉變換，使用基于頻域算法，能夠快速收斂預測參數，有效的檢測兩端講話。采用多級雙向非線性算法，同時在非線性算法工作的時候利用頻譜特征補償背景噪聲。
實時語音監(jiān)控方案——PIQUA
VoIP的一大難點是IP網絡的不確定性，而VoIP系統的語音質量很大程度上倚賴于網絡質量的好壞。網絡管理員需要一種實時監(jiān)控VoIP的質量，主動干預網絡配置和VoIP的設置。
PIQUA是TI推出的實時語音監(jiān)控方案，它根據復雜的算法估算出用戶對VoIP系統語音質量的主觀感覺并實時上報，同時還提供重要的網絡統計信息。上層軟件和網絡管理員可以根據實時語音質量以及統計信息對系統配置進行干預。例如，當某一段時間網絡的丟報率比較大，導致語音質量下降的時候，系統管理軟件可以根據PIQUA的信息，配置不同等級的冗余或者前向糾錯來保證語音質量。同時網絡管理員也可以根據PIQUA的記錄，了解整個網絡的狀況，找到丟包率較高的原因，調整路由表或者網絡帶寬分配，主動維護整個語音網絡的質量。
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