全方位講解VoIP 的原理及技術知識

通過因特網進行語音通信是一個非常複雜的系統工程，其應用面很廣，因此涉及的技術
也特別多，其中最根本的技術是VoIP (Voice over IP)技術，可以說，因特網語音通信是VoIP
技術的一個最典型的、也是最有前景的應用領域。因此在討論用因特網進行語音通信之前，
有必要首先分析VoIP的基本原理，以及VoIP中的相關技術問題。
一、VoIP的基本傳輸過程
傳統的電話網是以電路交換方式傳輸語音，所要求的傳輸寬帶爲64kbit/s。而所謂的VoIP
是以IP分組交換網絡爲傳輸平臺，對模擬的語音信號進行壓縮、打包等一系列的特殊處理，
使之可以採用無連接的UDP協議進行傳輸。
爲了在一個IP 網絡上傳輸語音信號，要求幾個元素和功能。最簡單形式的網絡由兩個
或多個具有VoIP 功能的設備組成，這一設備通過一個IP 網絡連接。VoIP 模型的基本結構
圖如圖下圖所示。從圖中可以發現VoIP設備是如何把語音信號轉換爲IP數據流，並把這些
數據流轉發到IP目的地，IP目的地又把它們轉換回到語音信號。兩者之音的網絡必須支持
IP傳輸，且可以是IP路由器和網絡鏈路的任意組合。因此可以簡單地將VoIP的傳輸過程分
爲下列幾個階段。
1、 語音-數據轉換
語音信號是模擬波形，通過IP 方式來傳輸語音，不管是實時應用業務還是非實時應用
業務，道貌岸首先要對語音信號進行模擬數據轉換，也就是對模擬語音信號進行8 位或6
位的量化，然後送入到緩衝存儲區中，緩衝器的大小可以根據延遲和編碼的要求選擇。許多
低比特率的編碼器是採取以幀爲單位進行編碼。典型幀長爲10~30ms。考慮傳輸過程中的代
價，語間包通常由60、120 或240m s的語音數據組成。數字化可以使用各種語音編碼方案
來實現，目前採用的語音編碼標準主要有ITU-T G.711。源和目的地的語音編碼器必須實現
相同的算法，這樣目的地的語音設備幫可以還原模擬語音信號。
2、 原數據到IP轉換
一旦語音信號進行數字編碼，下一步就是對語音包以特定的幀長進行壓縮編碼。大部份
的編碼器都有特定的幀長，若一個編碼器使用15ms 的幀，則把從第一來的60ms 的包分成
4 幀，並按順序進行編碼。每個幀合120個語音樣點（抽樣率爲8kHz）。編碼後，將4 個壓
縮的幀合成一個壓縮的語音包送入網絡處理器。網絡處理器爲語音添加包頭、時標和其它信
息後通過網絡傳送到另一端點。語音網絡簡單地建立通信端點之間的物理連接（一條線路），
並在端點之間傳輸編碼的信號。IP 網絡不像電路交換網絡，它不形成連接，它要求把數據
放在可變長的數據報或分組中，然後給每個數據報附帶尋址和控制信息，並通過網絡發送，
一站一站地轉發到目的地。
3、 傳送
在這個通道中，全部網絡被看成一個從輸入端接收語音包，然後在一定時間（t）內將
其傳送到網絡輸出端。t 可以在某全範圍內變化，反映了網絡傳輸中的抖動。網絡中的同間
節點檢查每個IP 數據附帶的尋址信息，並使用這個信息把該數據報轉發到目的地路徑上的
下一站。網絡鏈路可以是支持IP數據流的任何拓結構或訪問方法。
4、 IP包-數據的轉換
目的地VoIP設備接收這個IP數據並開始處理。網絡級提供一個可變長度的緩衝器，用
來調節網絡產生的抖動。該緩衝器可容納許多語音包，用戶可以選擇緩衝器的大小。小的緩
衝器產生延遲較小，但不能調節大的抖動。其次，解碼器將經編碼的語音包解壓縮後產生新
的語音包，這個模塊也可以按幀進行操作，完全和解碼器的長度相同。若幀長度爲15ms，，
是60ms的語音包被分成4 幀，然後它們被解碼還原成60ms的語音數據流送入解碼緩衝器。
在數據報的處理過程中，去掉尋址和控制信息，保留原始的原數據，然後把這個原數據提供
給解碼器。
5、 數字語音轉換爲模擬語音
播放驅動器將緩衝器中的語音樣點（480 個）取出送入聲卡，通過揚聲器按預定的頻率
（例如8kHz）播出。 簡而言之，語音信號在IP 網絡上的傳送要經過從模擬信號到數字信
號的轉換、數字語音封裝成IP分組、IP分組通過網絡的傳送、IP分組的解包和數字語音還
原到模擬信號等過程。整個過程如圖下圖所示。
二、推動VoIP發展的動力
由於相關的硬件、軟件、協議和標準中的許多發展和技術突破，使得VoIP 的廣泛使用
很快就會變成現實。
這些領域中的技術進步和發展爲創建一個更有效、功能和互操作性更強的VoIP 網絡起
着推波助瀾的作用。表2-2 簡單列出了這些領域中的主要發展。從表中可以看出，推動VoIP
飛速發展乃至廣泛應用的技術因素可以歸納爲如下幾個方面。
1、 數字信號處理器
先進的數字信號處理器（Digital Signal Processor ,DSP）執行語音和數據集成所要求的
計算密集的任各。DSP 處理數字信號主要用於執行復雜的計算，否則這些計算可能必須由
通用CPU 執行。它們的專門化的處理能力與低成本的結合使DSP 很好地適合於執行VoIP
系統中的信號處理功能。
單個語音流上G.729 語音壓縮的計算開銷開常大，要求達到20MIPS，如果要求一箇中
央CPU 在處理多個語音流的同時，還執行路由和系統管理功能，這是不現實的，因此，使
用一個或多個DSP可以從中央CPU卸載其中的複雜語音壓縮算法的計算任務。另外，DSP
還適合於語音的活動檢測和回聲取消這樣的功能，困爲它們實時處理語音數據流，並能快速
訪問板上內存，因此。在本章節中，比較詳細地介紹如何在TMS320C6201DSP平臺來實現
語音編碼和回聲抵消的功能。
2、 高級專用集成電路
專用集成電路（Application-Specific Integrated Circait, ASIC）發展產生了更快、更復雜、
功能更強的ASIC。ASIC 是執行單一應用或很小的一組功能專門的應用芯片。由於集中於
很窄的應用目標，故它們可以對特定的功能進行高度的優化，通常雙通用CPU 快一個或幾
個數量級。就像精簡指令集計算機（RSIC）芯片集中於快速執行扔限數目的操作一樣，ASIC
被預先編程、使其能更快地執行有限數目的功能。一旦開發完成，ASIC 批量生產的成本並
不高，被用於包括路由器和交換機這樣的網絡設備，執行路由查表、分組轉發、分組分類和
檢查以及排隊等功能。ASIC 的使用使設備的性能更高，而成本更低。它們爲網絡提供增加
的寬帶和更好的QoS支持，所以對VoIP發展起着很大的促進作用。
3、 IP傳輸持術
傳輸電信網大多采用時分多路複用方式，因特網須採用的是統計複用變長分組交換方
式，二者相比，後者對網絡資源利用率高，互連互通簡便有效、對數據業務十分適用，這是
因特網得以飛速發展的重要原因之一。但是，寬帶IP網絡通信對QoS和延遲特性提出了苟
刻的要求，因此，統計複用變長分組交換的技術發展爲人們所關注。目前，除已問世的新一
代IP協議--IPV6 外，世界因特網工程任務組（IETF）提出了多協議標記交換技術（MPLS），
這是一種基於網絡層選路的各種標記/標籤的交換，能提高選路的靈活性，擴展網絡層選路
能力，簡化路由器和基於信元交換的集成，提高網絡性能。MPLS既可以作爲獨立的選路協
議工作，又能與現有的網絡選路協議兼容，支持IP 網絡的各種操作、管理和維護功能，使
IP網絡通信的QoS、路由、信令等性能大大提高，達到或接近統計複用定長分組交換（ATM）
的水平，而又比ATM簡單、高效、便宜、適用。IETF還地抓緊新的分組理理持術，以便實
現QoS選路。其中正在研究"隧道技術"就是爲了實現單向鏈路的寬帶傳送。 另外，如何選
擇IP網絡傳輸平臺也是近年來研究的一個重要領域，先後出現了IP over ATM、IP over SDH、
IP over DWDM等技術，目前公認的寬帶網絡分析模型如圖所示。
第一層是基層礎，提供高速的數據傳輸骨幹。IP 層向IP用戶提供高質量的，具有一定
服務保證的IP接入服務。用戶層提供接入形式（IP 接入和寬帶接入）和服務內容形式。在
基礎層，以太網作爲IP網絡的物理層，是理所當然的事情，但是IP overDWDM卻上最新技
術，並具有很大的發展潛力。
密集波分多路複用（Dense Wave Division MultipLexing,DWDM）爲光纖網絡注入新的活
力，並在電信公司鋪設新的光纖主幹網中提供驚人的帶寬。DWDM技術利用光纖的能力和
先進的光傳輸設備。波分多路複用的名稱是從單股光纖上傳送多個波長的光（LASER）而
得來的。目前的系統能夠發送和識別16個波長，而將來的系統能夠支持40~96全波長。這
具有重要意義，因爲每增加一個波長，就增加了一個信息流。因此可以將2.6Gbit/s（OC-48）
網絡擴大16 倍，而不必鋪設新的光纖。
大多數新的光纖網絡以（9.6Gbit/s）的速度運行OC-192，在與DWDM結合時，在一對
光纖上產生150Gbit/s以上的容量。另外，DWDM 提供了接口的協議和速度無關的特徵，在
一條光纖上可同時支持ATM、SDH 和千兆以太網信號的傳輸，這樣和現在已建成的各種網
絡都可以兼容，因此DWDM既可以保護已有的設資，還可以以其巨大帶寬爲ISP和電信公
司提供了功能更強的主幹網，並使寬帶成本更低和訪問性更強，這對VoIP 解決方案的帶寬
要求提供強有力的支持。增加的傳輸速率不僅可以提供更粗的管道，使阻塞的機會更少，而
且使延時降低了許多，因此可以在很大程度上減少IP網絡上的QoS要求。
4、 寬帶接入技術
IP 網絡的用戶接入已成爲制約全網發展的瓶頸。從長期發展看，用戶接入的終極目標
是光纖到戶（FTTH）。光接入網從廣義上講包括光數字環路載波系統和無源光網絡兩類。前
者主要在美國，結合開放口V5.1/V5.2，在光纖上傳送其綜合系統，顯示了很大的生命力。
後者主要在目本和德國。日本堅持不懈攻關十多年，採取一系列措施，將無源光網絡成本降
低至與銅纜和金屬雙絞線相近的水平，並大量使用。特別是近年ITU提出以ATM爲基礎的
無源光網絡（APON），將ATM 與無源光網絡優勢互補，接入速率可達622M bit/s，對寬帶
IP 多媒體業務發展十分有利，且能減少故障率和節點數目，擴大覆蓋範圍。目前ITU 已完
成了標準化工作，各廠家正在積極研製，不久會有商品上市，將成爲面向21 世紀的寬帶接
入技術的主要發展方向。
目前主要採用的接入技術有:PSTN、IADN、ADSL、CM、DDN、 X.25 和 Ethernet 以
及寬帶無線接入系統列等。這些接入技術各有特點，其中發展最快的是ADSL 和CM；
CM(Cable Modem)採用同軸電纜，傳輸速率高、抗干擾能力強；但是不能雙向傳輸，無統一
標準。ADSL（Asymmetrical Digital Loop）獨享接入寬帶， 充分利有現有電話網，提供非
對稱的傳輸速率，用戶側的下載速率可以達到8 Mbit/s，用戶側的上載速率可以達到1M bit/s。
ADSL爲企業和各個用戶提供必要的寬帶，並極大地降低成本。使用較低成本的ADSL地區
環路，現在公司能以更高的速度訪問因特網和基於因特網服務供應商的VPN，允許更高的
VoIP呼叫容量。
5、 中央處理單元技術
中央處理單元（CPU）在功能、功率和速度方面繼續發展。這使多媒體PC能夠廣泛應
用，並提高了受CPU功率限制的系統功能的性能。PC 處理流式音頻和視頻數據的能力在用
戶中期待已久，所以在數據網絡上傳送語音呼叫理所當然成爲下一步的目標。這個計算功能
使先進的多媒體桌面應用和網絡組件中的先進功能都支持語音應用。