引言
就VoIP設備來說，如果語音處理器的功能和其它應用功能由一個處理器來完成，必然能極大地簡化電路，降低成本。Intel的IXP421即是這些多功能處理器的其中一種，它的PCM接口使VoIP設備的硬件結構大大簡化了，還可以通過選擇不同微代碼的方式實現更加靈活的網絡應用。
Intel提供的解決方案是通過軟件DSP實現語音處理，并聲明DSP模塊可同時處理四路PCM窄帶話音，支持多種語音編碼及回波消除等功能。眾所周知，單路單向PCM語音速率為64Kbps，單路雙向為128Kbps，4路雙向則為512Kbps，如何保證語音處理所需要的CPU時間是個關鍵問題。
另外，回波消除或其它附加功能也會增加處理時間，在設計中還要考慮內存讀寫、任務切換、中斷處理等系統因素造成的影響。
IXP421簡介
IXP421是Intel公司開發的采用XSCALE內核的IXP4xx系列處理器之一，主頻為266MHz。IXP421采用多處理引擎和硬件多線程處理機制。它包括了一個處理器內核和兩個并行網絡處理引擎，其中XSCALE內核為處理器核心，它是以ARM V5內核為原型，進行了DSP功能擴展，并優化了16位數據類型的累加和乘法運算。啟動時首先初始化XSCALE核，然后網絡處理引擎將從內存下載各自的微代碼，以完成外圍網絡接口的鏈路層協議處理，它們的執行是完全并行于XSCALE內核的，通過內嵌的消息隊列與XSCALE核同步。先進高速總線(AHB)實現網絡處理引擎和XSCALE核之間的數據交換，其傳輸速率達到133.32MHz×32bit，完全能夠滿足高速網絡的數據傳輸要求。
DSP軟件模塊
Intel公司為IXP4xx系列處理器專門開發了DSP軟件包。根據實現的不同功能，運行時的DSP模塊可分為幾個部分，包括網絡端點、編碼器、解碼器、音頻生成器、音頻檢測器、語音播放器、混音器和T.38。如果系統有四路電話，則每一路電話應該分配一個網絡端點，一個音頻生成器，一個音頻檢測器，網絡端點代表每一路電話所需的TDM前端處理功能，用以實現TDM數據的收發、發送增益控制和回波消除，而音頻生成器、音頻檢測器則分別實現每一路電話的提示音及DTMF音頻檢測功能。另外，各路電話分享一個編碼器和一個解碼器，語音分流器負責控制網絡端點和編解碼器之間的數據流。語音播放器和混音器可多路共用，也可各路單獨占用一個，具體個數由應用需求決定。
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圖1 系統硬件結構 |
系統結構
整個系統由用戶線接口、以太網接口、處理器和通信控制總線組成，如圖1所示。處理器即IXP421，它是設備運行的嵌入式操作系統及應用程序的載體，主要功能是：在通話過程中充當語音數字處理器并分發語音包給特定的終端；在呼叫建立過程中處理網絡協議；初始化并控制各部分硬件模塊協同工作；提供用戶管理界面。內存芯片容量為64MB，通過PC133內存總線連接IXP421的內存控制器。16MB的Intel Strata Flash芯片通過擴展總線連接IXP421。時鐘電路為處理器提供頻率為33.33MHz的參照時鐘，處理器內核及其集成外圍電路的時鐘均由此分頻得到。復位電路為處理器提供上電復位功能，即在系統加電并穩定后復位引腳，保持至少500ms的低電平。
用戶線接口，以Silicon Laboratroies公司的Si3210型接口芯片為核心，為用戶提供模擬電話接口功能，這些功能包括：用戶線直流饋電、摘掛機狀態檢測、DTMF檢測、振鈴、回鈴音及各種提示音、音頻采樣及D/A、A/D轉換，以及PCM數據收發等。
以太網接口，采用Intel的以太網接口芯片LXT972，其主要功能有：10BASE-T/100BASE-TX自適應、自動網絡協商、沖突檢測、鏈路狀態告警，通過MII總線接口，配合IXP421的以太網處理引擎(NPE)，實現鏈路層功能，承載TCP/IP協議及其它應用層網絡協議。
串口，為用戶提供基于串口的管理及調試功能。IXP421有兩組串行輸入、輸出接口，分別為UART0和UART1，其中UART0是高速串行通信端口，支持的通信波特率最高達921.6Kbps。UART1為CONSOLE串行通信口，支持的波特率范圍為1200bps~231Kbps。
系統中較為重要的外部總線的作用如下：
1. HSS(High Speed Serial)總線，連接處理器的WAN/語音NPE和用戶線接口芯片(SLIC)，有時鐘、幀同步、輸入、輸出4條線，支持同步串行傳輸，可配置時鐘頻率范圍為512KHz~8.192MHz。本文應用作為PCM語音信號的傳輸總線，時鐘為2MHz，即總共支持32個時隙。4路SLIC芯片各占一個時隙進行通信。IXP421的一個專用協處理器(VOICE NPE)負責HSS端口的總線數據收發。
2. MII(Media Independent Interface)總線，連接處理器的以太網NPE和以太網PHY接口芯片LXT972，分為MII數據總線和MII管理信息總線。IXP421的網絡處理引擎(NPEA)通過MII收發數據，網絡處理引擎獨立于主CPU內核工作，采用硬件多線程機制，使數據收發不占用主處理器時間，NPEA運行的微程序可提供對以太網PHY設備的簡單控制功能。
3. 控制用戶線接口芯片的串行外圍接口SPI(Serial Peripheral Interface)以菊花鏈形式串接，有輸入、輸出、時鐘、片選4根線，占用處理器的4個GPIO引腳。以串行8位命令方式讀寫SLIC的內部寄存器，可以看作SLIC的控制總線。
性能測試
測試方法
兩路電話同時通話。對端電話保持有說話聲(本地解碼器保持一定的繁忙程度)，用測試機一直ping被測設備的以太網地址，并運行EtherReal工具軟件，抓取被測設備發送到對端的RTP包，計算出RTP包時間間隔及抖動的統計值，同時觀察通話語音質量。本設備和對端設備每隔5秒發送RTCP協議的發送者報告，分段丟包率是在發送者報告中給出的統計值。
測試說明
空閑時(未建立通話)，被測設備處理器占用率為20%;
被測設備TDM總線數據格式為G711u；
通話時打開回波消除，延遲環節設定為1ms延時;
關閉靜音壓縮；
對端VoIP設備采用獨立的DSP芯片(MindSpeed: M82510-14 )；
網絡環境為100BASE-TX以太網，傳輸延遲小于1ms。
測試結果
時間間隔、抖動及分段丟包率
分析：表1的統計數據顯示，每種編碼的語音包到達對端的時間，都比規定的時間要提前零點幾個毫秒，這應該是本設備的DSP處理程序為對端DSP提前預留了處理時間。產生抖動可能是受被測設備系統任務切換時間影響。因為對端設備也在向本端發送RTP包，這就需要本設備的以太網任務、IP協議棧和DSP任務來處理，所以，語音接收和發送過程爭搶CPU時間，從而造成小的抖動，而以太網交換機轉發過程所造成的抖動應該可以忽略。
結論：由時間間隔和丟包率可見，被測設備沒有因為忙而產生延遲或丟包現象，在測試條件下處理器能力仍有富余。抖動是在設備允許的范圍內。
語音質量
分析：如表2所示，測試中G723.1編碼的語音效果有些問題，即對端聽本端的聲音效果不好，而本端聽對端的聲音效果很好，這可能是因為Intel的DSP模塊與MindSpeed的DSP芯片的某個編解碼參數不同。畢竟其它編碼方式沒有這一問題，所以G723.1的語音質量給了低分。
結論：除G.723.1編碼語音質量不理想外，其它幾種常用的編碼效果良好