无线IPPBX系统的设计与实现

随着以太网宽带技术的发展，以IP网络为媒介的语音通信技术（VOIP技术）凭借其低廉的话费受到消费者的广泛关注。很多企业和科研机构也开始研究、使用这项技术。无线VOIP交换设备（即无线IPPBX）通过GSM无线模块来实现IP网络的电话用户与普通电话用户之间的通信。它融合了以太网和GSM网络，具备GSM网络与以太网络两方面的优势，既具备IP电话话费低廉的优势，又可以通过GSM网络实现IP电话落地而不受固定电话线的束缚，同时结合以太网的http协议可以在其上实现短信网关的功能。本文将从硬件和软件的角度来阐述该设备的设计与实现。

1 系统硬件设计

　　1.1 硬件结构

系统硬件结构如图1所示，整个硬件系统由GSM工作单元、PCM编解码工作单元、语音压缩/解压处理单元（DSP）、CPLD总线适配单元和MPC860T核心控制单元构成。系统通过两条总线实现硬件系统的协同工作：通过I2C总线向GSM工作单元、PCM编解码单元发送控制信令和读取状态信息；通过HPI总线实现对语音压缩解压处理单元（DSP）语音压缩包的读取和发送。系统通过CPLD以及与之相连的一块MCU实现两条总线的适配并在MPC860T核心控制单元端提供了统一的I/O接口。

系统的工作流程如下：若系统要传送语音数据到以太网，GSM模块或普通话机的模拟话音经PCM编解码器A law/μlaw 编码后送到E1数据总线上，然后DSP将E1线上的PCM码流按G.729/G.723的标准压缩成低比特率的语音包，并在相应的端口产生一定的状态信号，该状态信号经CPLD处理后转化为MPC860T的中断信号，MPC860T处理器响应中断，通过CPLD将语音压缩包从DSP的HPI口读取出来并通过以太网控制器将其发送到以太网上。系统从以太网接收语音压缩包，并将其还原成模拟话音，其过程与此相反。

1.2 GSM工作单元设计

GSM工作单元由MCU、GSM模块以及一些外围接口电路构成，其原理框图如图2所示。MCU是工作单元的控制部件，它通过自身的I2C接口与系统的I2C总线连接，并通过串口与GSM模块连接。单元工作时先从I2C 总线接收系统发送的控制信令，然后由MCU将控制信令转化为具体的AT指令并通过串口发送给GSM模块。GSM模块根据收到的AT指令执行相应的操作（发送拨号信息、建立语音通路、发送短信等）。当然GSM模块也可以将自己的状态信息如自己的忙闲状态、来电号码通过串口发给MCU，再由MCU通过I2C总线上报给主控CPU（MPC860T）。

GSM单元的设计中需要特别注意以下几点：

(1)电源设计。GSM模块在整个系统中属于功耗比较大的部件，空闲时工作电流为35mA，工作时的平均电流为350mA，突发工作电流可以达到2A。所以GSM模块要采用单独的电源芯片供电，并且有足够的负载能力。在设计中采用DC-DC的电源芯片给模块提供4V电压并在电源的输出端并联一个 2200μF的大电容，以防止模块的突发大电流使电源芯片的供电电压发生瞬时下降。

(2)串行接口电路的设计。GSM模块的串行口（UART）使用的不是标准的TTL电平，不能与控制它的MCU串口直接相连，在它们之间要有一个电平转换接口电路。该电路要能实现模块的3V高电平与 MCU端5V TTL高电平的相互转换。设计中使用三极管的开关电路和电阻分压电路就可实现该功能，如图3所示。实验证明该方法简单、有效。

(3)模块语音口电路的设计。GSM模块的语音输入、输出都是差分信号，而PCM编解码器的语音口要求单端信号。在两个语音端口之间要有差分信号与单端信号的转换电路，才可实现两者的连接。设计中采用运放电路来实现差分与单端的转换。由于GSM模块的语音口特别容易受到射频干扰，所以模块的语音口还要连接一些滤波电容。此外,PCB布板也要保证语音信号线远离模块的天线，这样才能将噪声干扰降到最低, 保证话音质量。

　　1.3 PCM编解码单元设计

PCM编解码单元主要有两个任务：将来自GSM模块或普通话机的模拟话音进行A law/μ law PCM编码，然后发送到系统E1数据线上；获取系统E1数据总线某个时隙的PCM编码并将其还原成模拟话音。设计中采用一块带I2C接口的MCU作为PCM编解码器的控制器。该控制器从I2C总线接收主控CPU（MPC860T）发送的控制信令并将该信令转化为PCM编解码器命令序列，PCM编解码器接受命令后完成相应的编解码功能。

　　1.4 语音压缩解压单元设计

语音压缩解压单元的工作是：将前端PCM编码器发送来的PCM数据压缩成低比特率的语音包后交由主控CPU处理；将主控CPU发送来的语音压缩包还原成 PCM编码。该单元的设计中采用AudioCodes公司的 AC48304C_C作为语音PCM编码的压缩解压处理器。该处理器支持四个语音处理通道，每个通道可以单独编程，配置