嵌入式网络终端的语音传输系统设计

引言

嵌入式系统因其满足系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的要求，已经被广泛地应用在交通、商业／金融、工业控制、医疗等各个领域。目前，嵌入式网络应用技术已经成为了国际研究的热点技术，许多IT行业的公司也都在研发相应的嵌入式网络终端。

电话是人们最常使用的交流工具，随着互联网的迅速发展，基于IP网络的语音通信成为了人们研究的热点。传统电话的语音传输质量和可靠性都很好，但资费较高，特别是打国际长途时；而基于IP网络的语音通信由于是在Internet上传输信号，大大节省了通信线路的成本，从而降低了VOIP资费，使其拥有了巨大的市场潜力。

目前，VOIP系统现有的终端软件，如Skype*、UUCall*、KC*、Mierosoft公司的Netmeeting等，都是基于PC机的，难以运行在嵌入式网络终端这种资源有限的设备上。同时，许多类库中的函数在PC机上可以正常运行，而WinCE嵌入式操作系统却不支持，因此不能直接对VOIP系统现有的终端软件进行简单的裁剪。

1 嵌入式网络终端的硬件设计

1．1 系统硬件结构

如图1所示，系统由嵌入式网络终端、电源模块、以太网口模块、串口和USB接口模块、显示模块(触摸屏)、语音采集和播放模块、外部数据存储模块以及系统工作状态指示和接口模块构成。其中，嵌入式网络终端采用三星公司专门针对手持设备而设计的S3C2440A-40微处理器。

1．2 语音采集和播放模块

语音采集和播放模块的作用是将音频模拟信号转换为数字信号，并对信号进行PCM编码。其电路如图2所示。采用Philips公司的UDA1341 TS型立体声音频CODEC进行音频编解码。该芯片提供2个麦克风输入，可实现单端输入、差分输入等灵活配置，并设置了可编程增益放大器和自动增益控制器，可保证高质量的音频获取；同时，还集成了听筒和喇叭输出的驱动器，喇叭音量可以通过编程调整。S3C2440A-40微处理器与UDA1341TS编解码器通过I2S总线直接相连，并采用DMA发送／接收方式，完成系统的录音和放音。

1．3 嵌入式操作系统

嵌入式操作系统采用了微软公司研发的WinCE。它是一款功能强大的32位嵌入式实时操作系统，具有多线程、多任务、完全抢占式的特点，是专为各种受到严格资源限制的硬件系统所设计的。WinCE支持多种硬件外围设备，同时内置的标准通信能力使WinCE能够访问Internet并收发E-mail或浏览Web。除此之外，WinCE特有的与Windows类似的用户界面使最终用户易于使用。

2 VOIP技术

2．1 VOIP的基本原理

VOIP(Voice Over Internet Protocol)是以IP分组交换网络为传输平台，通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包，经过IP网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理后恢复成原来的语音信号，从而达到由IP网络传送语音的目的。其特点是可以将一路语音数据压缩为8 kb／s甚至更低，同时可使用户不需要独占医疗线路资源，从而提高了线路利用率，并大大降低了资费成本。

2．2 VOIP协议

VOIP技术中最主要的两种呼叫控制协议为H．323协议和SIP协议。H．323是ITU的一个标准协议簇，制定了无服务质量保证的分组网络(PBN)上的多媒体通信系统标准，已在VOIP领域的到了广泛的应用，呼叫建立比较复杂。SIP协议是由IETF(国际互联网标准制定组织)制定的面向Internet会议和电话的信令协议，参照了HTTP和SMTP协议，呼叫控制在终端完成，呼叫建立相对简单。

2．3 语音压缩编码技术

语音压缩编码技术是VOIP技术的核心，其目的就是在保证语音音质和可懂的条件下，采用尽可能少的比特数来表示语音。常用的语音编码方式有G．723．1、G．729、G．729A等，其中G．729可将采样为64 kb／s的话音以几乎不失真的质量压缩至8kb／s。本设计采用了G．729方式的语音压缩算法，结合实时传输协议RTP和UDP网络传输技术来实现语音传输。

3 系统设计

3．1 终端软件的功能模块

终端软件功能模块如图3所示。此终端软件可为用户提供良好的交互界面。

3．2 VOIP终端软件主流程

用户打开终端软件，可以根据自己的需要选择语音聊天、文本聊天或者收发邮件。进行语音聊天前，用户可以直接在好友栏中选择聊天对象，也可直接输入对方的IP进行连接。语音聊天的过程是：说话方，麦克风采集模拟语音信号→语音芯片采集量化编码→嵌入式系统对信号进行压缩编码→RTP格式打包→UDP格式打包→IP格式打包→Internet网络传输；收听方，接收语音数据→去IP／UDP／RTP包头→嵌入式系统对信号解码→语音芯片将数字语音信号转为模拟信号→扬声器播放