如何选择VoIP解决方案中的处理器

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随着VoIP在企业语音通信市场继续取代模拟电话，在住宅环境和中小型企业(SMBs)里也迅速采用了该技术。VoIP的优势，比如多线路、使用廉价数字介质语音通信系统以及显著降低了通信速率，不仅对大企业，对较小的客户都有相当的吸引力。随着VoIP设备、手持机、IPPBXs和网关等设备需求的持续增长，对更高声音质量的要求显然成为首要考虑，市场反馈已经表明，如果VoIP比典型的POTS（普通老式电话服务）的品质更低，则主流顾客不会转向VoIP。VoIP硬件开发商的挑战是选择一种平台，在系统性能和总的材料清单（BOM）成本上实现恰当的结合，为竞争激烈的市场中提供一种成功的解决方案。 VoIP系统中的核心处理器是设计中的关键部件，在很大程度上影响处理的语音质量、特性集合和材料清单。本文将从多个层面考查VoIP的硬件需求和选择有效方法时又必须考虑的折衷。

VoIP应用对处理器要求

VoIP硬件产品开发商需要面对的主要问题与特性集合、语音质量、产品费用、研制计划，以及设计的可扩展性有关。理想的方式是开发出一个公共的硬件/软件平台，以能够满足多个不同的产品。然而，每个终端设备(IP电话、IAD (集成接入设备)，家用网关和IP-PBX)都有不同的要求，选择满足所有这些要求的处理器平台就是一个很大的挑战。多数终端设备生命周期非常短，很快就会被具有新性能或不同特性的新版本取代，这种趋势就需要有一种方法，使其具备更大的灵活性，而且有助于快速设计，该方法确保将新产品的上市时间减到最小。

以下表格介绍了可选用的VoIP硬件工作平台。所有这些方案都针对具有已知性能等级和合成语音质量的产品权衡了使用的材料成本清单、设计灵活性、研制计划和上市时间。



表1：基于关键决策标准的VoIP设备处理器比较。


不同的方法都有各自的优势和缺点，所作的决定必须考虑产品和市场优先顺序。基于微控制器的平台为嵌入式设计人员提供一种熟悉和便宜的方法，也提供了友好的开发环境，其本身也是典型的低成本，且能简易处理IP包。然而，对于语音编码/解码、回声消除信号处理等方面的处理，微控制器不是一个很好的选择，它对于VoIP产品的演化是一个有限的平台。DSP架构更擅长数据流处理，这对于语音处理更容易。基于这个原因，设计中加入DSP就更有道理，这使分配给处理器的处理任务更适合执行。但这会使材料清单有所增加，不仅仅是增加额外处理器，同时需要更多的存储器和外设。而多芯片(无论是MCU加DSP，还是MCU加ASIC)都将增加更多的材料清单，以及更多的工作量。

专用的、功能固定的硬件是另外一种方法，它对设计灵活性有明显的负面影响，如果是定制芯片设计，还有NRE（一次性工程费用）和上市时间方面的影响。如果是商业上可用的ASSP（特定应用标准产品），设计差异化产品的能力将受到明显的影响。另外一种较好的方式是搭建或购买在单芯片上集成了MCU和DSP的SOC，这能减少产品封装数量，在灵活性上有一定的损失，但提供了可编程能力。MCU和DSP程序可以运用到不同的目标应用中。

讨论的最后一个方法是使用单个“汇聚”的处理器来处理控制逻辑和语音引擎。“汇聚”处理器，就是指在独立的DSPs领域具有信号处理性能的单个处理器。不同的MCU制作商都集成了某些信号处理功能，比如指令集扩展和在MCU核上有MAC单元，但这种方法缺乏为高性能信号处理所需要的根本结构基础，来处理先进的语音质量增强，比如高性能的回声消除器和噪声抑制。

ADI公司的Blackfin处理器在信号和控制程序执行方面具备很高的性能，符合“汇聚”处理器标准。由于“汇聚”处理满足VoIP硬件平台中所有的关键性成功因素，具有明显的领先优势，因此，本文余下的部分将就这种方法展开讨论。

Blackfin，优化的媒体处理“汇聚”处理器结构

ADI公司的Blackfin是一个单处理器系统结构，具有其他所有RISC微控制器不具有的DSP特性，同时具有DSPs上通常不具备的重要微控制器特征，在同一个处理器核内管理所有的包处理和媒体处理，因此是IP媒体处理的一个更高效率的解决方案。

在上面介绍的MCU加DSP方法中，设计人员实现VoIP方案时有个重要的瓶颈，数据必须在MCU和DSP子系统之间来回传输，这无疑引入了延迟，增加了系统开销。Blackfin还是一个非常灵活的高性能处理引擎，所有Blackfin周期都可以分配为执行控制程序处理或信号处理，没有MCU加DSP设计方案中出现的某些单独限制。另外，Blackfin还提供了一种完全可编程的解决方案，去除了将设计人员锁定到固定编解码器或算法的硬件块，增加或改变某些特性都可通过软件改变，通过可选堆叠式FLASH存储器，或板级装配FLASH，大大简化了设计工作。Blackfin处理器还具有大量方案导向的外设和接口，可以减少开发工作量、复杂性和器件数，包括10/100以太网MAC、多DMA通道、LCD接口、多个串行口、并行口和音频口，以及低功耗等特色，所有这些对解决方案都有价值。

另外，产业领先的应用级、系统级和开发工具软件为Blackfin处理器提供支持。来自于Global IP Solutions的VoIP解决方案和开源Asterisk软件包都针对Blackfin处理器作了优化。采用系统级内核和固件解决方案，ADI公司的软件(VDK)、Unicoi (Fusion)和uClinux全部支持Blackfin处理器。

ADI公司的开发工具(VisualDSP++)和开源GNU工具允许快速代码开发和验证。ADI公司为了满足不同客户在硬件和软件上的设计要求，支持不同的选项，覆盖了从一系列独立的软件组件到完整的FOB产品参考设计，且具有工业领先水平的性能，功耗和价格。



图1：具有面向VoIP外设的BF516低功耗Blackfin处理器。


BF516具有很高的性能，支持400MHz操作，它集成了关键外设，以及与其他系统设备的无缝接口，因此降低了BOM成本。

BF516的主要特点包括：

高达到400MHz的Blackfin内核和116KB的L1片上存储器，提供更多的性能去处理高复杂度的媒体算法；

带有DMA支持的以太网MAC，提供了具有更少处理器开销的网络连接；

针对IP电话用户接口的PPI/LCD控制器；

两个SPORTS口，可连接到编解码器和SLIC；

一个针对IP-PBX的可连接MMC、SD和CE-ATA设备的移动存贮接口(RSI)控制器；

多达40个GPIO口，可用于IP电话键盘和LED控制；

2个UARTS；

2个SPI接口；

TWI (I2C)控制器；

8个定时器；

用于安全和IP保护的LockBox/8kB大小的OTP。