引言

IP电话是以IP网络为传输载体，实现计算机对电话、电话对电话及计算机对计算机之间进行话音通信的技术。就方便、实用而言，电话对电话为最好的一种方式。话音通过公共电话网（PSTN）后，需要经过连接网关（CG）、话音网关（VG）分别与No.7信令系统（SS7）网和IP网连接。其中CG完成IP协议（如H.323和SIP）和PSTN协议（如ISUP、PRI）之间的互联；SS7网充当其中介物；VG则完成时分复用（TDM）信号与TP分组之间的转换；IP路由器（包括IP边缘路由器和IP中心路由器）主要用来进行路由选择。其中，话音网关是通过Internet提供phonetophone通信的关键设备，是Internet和PSIN／ISDN／PBX网络之间的接口设备。电话进入Internet前是模拟信号，不能直接在Internet中传输，因此必须经过话音网关转换，将模拟信号转换成数字信号；然后压缩、打包，最终转变成适合Internet传输的IP报文数据。在接收端，话音网关完成逆过程。

该话音网关系统以美国TI公司的客户端数字信号处理器（DSP）为核心，配置普通电话机以及电话线侧信号处理芯片，实现对语音信号的采集和输出、调制和解调、处理和存储等功能。数字语音信号通过串口转接到USB口，方便、实时地传送到PC机，由上层软件实现IP传送数据。本文主要介绍电话端和DSP端的软、硬件设计。

1 系统结构

整个系统由普通电话机、DSP、SI3016、串口转USB设备以及Flash组成，系统硬件结构框图如图1所示。图中，DSP是核心控制单元，负责与电话端和PC端的信号交换；在DSP内部采用双音多频信号检测和产生、回音相消、数据压缩和解压以及数据组包和拆包等多种语音信号处理算法。SI3016负责DSP和普通电话机之间的语音传输；Flash保存DSP所需要的程序，供DSP上电调用；JTAG是DSP的仿真接口。在PC连接端，使用一个串口转USB设备，实现TMS320C54cst的串口数据由USB传输到PC机，使得连接方便、可靠。

图1 系统硬件结构框图

2 电话端软硬件设计

话音网关系统采用TMS320C54cst和SI3016芯片。TMS320C54cst是美国TI公司最近推出的一款针对客户端信号处理的专用DSP芯片。该芯片完全兼容TI公司的C54系列DSP，内部具有通用DSP芯片常有的缓冲串口、HPI接口、定时器等片内外设，还具有和客户端相关的专用直接访问设备（DAA）单元。DAA实际上是一种电话终端数据收发模块，提供一个可编程的接口电路，该接口电路可以直接与全球的电话线连接。DAA的内部结构框图如图2所示。

图2 DAA内部结构框图

DAA由两个部分组成，DSP片内设备以及与其匹配的片外设备。DAA的片内设备是嵌入到DSP内部的SI3021模块，该模块与Silicon公司的SI3021芯片的功能完全相同。DSP和SI3021在片内通过缓冲串口2通信，它们之间的通信占用缓冲串口2，使得缓冲串口2不能再连接其他设备。通信时，DSP必须提供时钟信号到SI3021模块。为了与电话时钟同步，该时钟信号的频率只能是58.982 4 MHz或者117.964 8 MHz，SI3021模块对该时钟进行分频，得到串口通信的位同步时钟和帧同步时钟，再将这些时钟信号返回到DSP。DSP为信号的被动接收方。

DAA的片外设备选择为Silicon公司的SI3016芯片，SI3016与DSP之间只有1根信号线通过匹配阻容连接。SI3016的内部寄存器全部直接映射到DSP的内部地址，通过对DSP内部寄存器的读写控制，DAA片内设备SI3021自动将这些寄存器的值写入SI3016或者从SI3016中读出。SI3016的周边硬件电路如图3所示。

图中右下方的RING和TIP是2根电话线，通过4个二极管组成无级性电压变换，最后通过晶体管连接到SI3016的DC1引脚，提供电源到SI3016。

为了保证不受电话线侧电源的损坏，SI3016上电后保持低功耗状态。为了使能SI3016工作，必须按照以下步骤对SI3016进行初始化：

① 设置采样控制寄存器，使能采样时钟。

② 等待SI3016的锁相环电路锁定采样时钟，等待的时间介于100 μs和1 ms之间。

③ 设置SI3016的第2寄存器为00h，这将使得SI3016进入工作状态；同时使能AOUT跟踪电话，可以使用电路测试SI3016的输出。

④ 设置SI3016的其他寄存器。

正确设置后，SI3016就进入正常工作待机状态，处于检测振铃（ring detection）和摘机（off hook）状态。在待机状态（on hook），SI3016所消耗的电量很少，直接从DSP侧取电；而在摘机状态，尤其是拨号（call）状态，SI3016所消耗的电量很大，不能直接从DSP取电，SI3016就从两根电话线取电。这样，对于SI3016自身，不需要提供电源和地信号。这与一般的芯片不同，一般芯片都有电源和地引脚。

图3 SI3016与电话线的连接电路

SI3016从待机状态到摘机状态时可以检测是否有并机存在，从而避免第三方监听电话。SI3016摘机后，检测电话电流并将结果反映到第19寄存器的LVCS位，如果有较大的电流下降，表明存在并机。较多的并机存在，可能会使得LVCS位的值为0，不能通过LVCS位确定是否有正确的线压可用，但可以检查第19寄存器的DOD位，判断是否有可用的线压。

SI3016提供来电检测（Caller ID）功能。在待机状态下来电号码在第一次和第二次的振铃中由交换机发送，这样SI3016必须在这两次振铃之间检测接收到的数据，并翻译成号码，在LCD上显示。检测的步骤如下：

① 检测到振铃后，判断是否是第一次振铃。

② 设置第16寄存器的OFF/SQL2位，该位设置后将复位电话的交流电压，准备接收交换机发送的来电电话号码，OFF/SQL2位将一直保持为1，直到来电号码检测到。

③ 依次设置第18寄存器的MODE位和第5寄存器的ONHM位。这两位设置后，将使能检测来电号码电流的A/D转换器，将电流转换成数字信号。不同的来电号码对应不同的电流值，实际上只有0～9等10种电流大小。A/D转换器是低功耗器件，工作时从DSP取电，其工作电流为7 μA左右。

④ A/D转换器输出的数字信号从RNG1和RNG2引脚提供到SI3016，SI3016再通过C1D引脚传输到DSP。

⑤ 检测到来电后，依次清除所设置的ONHM、MODE和OFF/SQL2位。

3 DSP端软件结构

DSP端的软件结构如图4所示。SI3016收到电话机语音信号首先经过G.168回音相消算法消除回音。如果进行语音压缩，则调用G.726S算法进行压缩，压缩之前还可以调用VAD（Voice Activity Detection）语音激活检测技术判断是否有语音信号，从而压缩掉2个字之间的空隙，大大提高压缩效益；如果不进行压缩，信号就直接经过UMTD（Universal Multifrequency Tone Detector）双音多频检测算法，这样语音信号到达RTP实时组包，组包之后将数据包传送到PC机，以上为数据上传流程。其中，除了组包算法必须由用户软件完成外，其他算法均集成在DSP芯片内部，只需要简单的调用即可。

数据下传是上传的逆过程，主要包括数据拆包、UMTG（Universal Multifrequency Tone Generator）双音多频产生、可能需要的数据解压等算法。与上传一样，只有数据拆包由用户程序完成，其他算法均集成在DSP芯片内部。

图4显示了G.723.1和G.729数据压缩解压算法。这些算法均可以替代芯片内部集成的G.726算法，且均需要用户程序完成，为特定需求的应用场合提供软件的可适应性。

4 总结

本文详细介绍了基于DSP的IP电话网关的系统构成、硬件连接以及软件程序开发。系统设计简单、可靠、实用，是一种比较好的IP电话网关解决方案。该系统可以应用于电话到电话、PC到电话、电话到PC等多种方式的IP电话系统。

图4 系统软件结构框图