实用以太网电话机

前言  

实用以太网电话机的设计目的，是希望用拨打传统电话的方法在以太网上进行电话交换，而网络上不增添任何的网关、服务器、多点控制单元等设备。 这样，只要把以太网电话机通过RJ45插口接入以太网，就可以拨号呼叫在同一网络上的另一台以太网电话机并进行双向通话。由于电话语音数据不经过网络专用设备的处理直接发给对方，还可缩短语音的网络传输延迟时间。以太网电话机成本低廉，使用方便，通话免费，适合已建有局域网的中小型企事业单位应用。  

目前的许多商品化VoIP系统，其技术建立在ITU（国际电信联盟）的H.323系列标准或IETF（互联网工程任务组）制订的SIP协议基础上。这些VoIP系统功能强大、互联性能好，适用于电信服务或大中型企业使用，但面面俱到的标准体系和昂贵的专用设备价格使这些系统在普通的局域网中难以得到普遍应用。而流行的PC机语音聊天或语音会议技术，则必须要有PC机来起到网络语音终端的作用，显然不如使用电话机方便和经济。  

以太网电话机的话音传输和交换技术直接基于TCP/IP协议的底层协议，使得语音信号能够以UDP数据包的形式在网络上畅通传输；而上层应
用协议则仿照传统电话机的使用模式来建立，所以以太网电话机的使用方法完全和普通电话机一样。从原理上来讲，以太网电话机类似于Peer to Peer的PC机语音技术，但以太网电话机采用了嵌入式计算机技术，全部电路（含固化软件）都可以安装在普通电话机的机壳内，成本低、性能可靠、实用性强。  

硬件方案  

为了降低成本和缩小印刷电路板的尺寸，以太网电话机采用基于SOPC（System on Programmable Chip）技术的硬件方案，把32位嵌入式Nios II处理器和数字语音处理电路及有关的控制逻辑电路用一片FPGA芯片来实现。这样，只要在FPGA片外再配上存储器、网络芯片、语音编解码（CODEC）芯片、语音收发放大器及一些接口电路就可以构成功能齐全的以太网电话机。整机框图见图1，其中粗线框里的电路功能全部由Altera公司的Cyclone系列FPGA 芯片EP1C6Q240来实现。



图1 以太网电话机框图

处理器及存储器  

处理器采用Altera公司在SOPC Builder软件中提供的Nios II 软核处理器。  

处理器外接8MByte的Flash RAM作为程序存储器，16MByte的SDRAM作为数据存储器。存储器均留有很大的余量，便于以后产品升级。

选定处理器后，在SOPC Builder 软件中，可以添加存储器接口、网络接口、定时器、I/O接口、UART接口等，分配地址，设置中断等级。

网络接口  

网络接口芯片采用SMSC公司的LAN91C111芯片，可自适应工作于10M/100M两种速率的以太网。采用该芯片的主要原因是Nios II软件的IDE（集成开发环境）对其提供了较完善的支持，可缩短开发时间。也可选用其它网络接口芯片以进一步降低成本。

语音编解码器和语音放大器  

语音编解码器选用NS公司的四路PCM CODEC芯片TP3094，可同时进行四路全双工话音的G.711编解码。四路语音是为以后的特殊应用留余地，如果只需一路话音，可选用该公司的TP3057芯片。语音放大器分为发送放大器和接收放大器。发送语音放大器选用Maxim公司的话筒放大器专用芯片MAX4060，能够适应平衡和差分两种话筒信号输入方式，抗噪能力强，功耗低。接收放大器采用普通的LM386芯片，成本低廉，性能可靠。  

值得指出的是，以太网电话机与传统的二线制电话机不同，由于收发信道分开，不存在“回声”问题，不会由于收发电信号串扰而引起啸叫（声信号反馈造成的啸叫另当别论）。因此，可以使用较大功率的放大器来输出接收到的信号。本设计使用LM386做放大器，除了能够用扬声器输出比普通免提电话机响亮和保真得多的语音外，振铃声也可用同一个扬声器输出，省去了振铃蜂鸣器。

数字语音处理电路  

图1中，FPGA芯片内的资源除构建Nios II软核处理器外，主要用于数字语音处理，这是本设计的重要特色。由硬件电路并行处理收发语音，可以大幅度地分担处理器的工作，又避免了在使用普通的嵌入式处理器时再外加一片FPGA。由于强实时性的语音处理工作由硬件承担，Nios II处理器及相应软件可专注于系统管理和网络协议解析，增进了软件效率。这一点是保证以太网电话机声音质量的关键。  

数字语音处理电路主要完成以下工作：

* PCM时序控制
* 信号音编码输出
* 发送语音缓存
* 发送语音静音控制
* 接收语音缓存
* 振铃信号输出