近年來隨著寬帶網(wǎng)絡和IP技術的日益發(fā)展，VoIP（Volee over Internet Protoc01）技術的應用越來越廣泛。網(wǎng)關是VoIP網(wǎng)絡中的重要設備，按照應用領域可分為電信級網(wǎng)關和用戶端網(wǎng)關。用戶端網(wǎng)關設備主要應用于小區(qū)和企業(yè)，是連接終端電話和IP網(wǎng)絡的橋梁，主要功能是進行語音編解碼、信令處理、VoIP協(xié)議處理和路由協(xié)議處理等。用戶端網(wǎng)關設備在VoIP網(wǎng)絡中的位置如圖1所示?？梢钥闯?，網(wǎng)關處于用戶電話線路部分的末端、IP網(wǎng)絡部分的起始端。

“雙模”是指VoIP和PSTN兩種模式。雙模網(wǎng)關是一種同時連接PSTN網(wǎng)絡和VoIP網(wǎng)絡并能在兩者之間自動切換的用戶端網(wǎng)關設備。雙模網(wǎng)關可以使用VoIP網(wǎng)絡節(jié)省大量通話成本，還可以在VoIP網(wǎng)絡不可用（斷電或路由不可達）時使用PSTN網(wǎng)絡保障電話線路永遠暢通，而且使用雙模網(wǎng)關不需要對PBX交換機做任何改動，用戶還可以自由選擇或由網(wǎng)關自動選擇使用VoIP網(wǎng)絡還是PSTN網(wǎng)絡，具有很好的實用性和靈活性。

1 VoIP雙模網(wǎng)關的工作原理

網(wǎng)關在VoIP網(wǎng)絡中主要起協(xié)議轉換、控制及關守作用，如呼叫控制和呼叫管理等。雙模網(wǎng)關在普通VoIP網(wǎng)關的基礎上增加了VoIP與PSTN之間的切換。雙模網(wǎng)關系統(tǒng)從功能上可分為雙模切換模塊、FXS接口電路模塊、語音處理模塊和軟件控制模塊，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

外部交換站FXS（Fbreign eXchange Subscdber）接口和外部交換局FXO（Foreign eXchange Office）接口是VoIP網(wǎng)關中非常重要的兩個接口。在傳統(tǒng)的PSTN電話連接中，電話中心局端交換機提供饋電和鈴流，電話本身完成Tip／Ring電路來請求服務或者應答PSTN上的呼叫。在VoIP電話連接中，F(xiàn)XS電路仿真了電話中心局端交換機的功能，提供饋電和鈴流并檢測環(huán)路電流。而FXO電路相當于仿真了電話機的功能，提供環(huán)路閉合和檢測鈴流。

FXS接口電路直接與模擬話機連接，提供撥號音、饋電、鈴流電壓，并能夠檢測話機的摘掛機和環(huán)路閉合，完成模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉換。FXS接口電路包括編解碼器CODEC和用戶線接口電路SLIC（Subscriber Line Interface Circuit）。CODEC包括一個模數(shù)轉換器（ADC）和一個數(shù)模轉換器（DAC）。SLIC電路仿真了PSTN電壓，它必須能夠檢測電話的摘掛機并能產生最高達120V的鈴流電壓。

雙模切換模塊主要包括FXO接口電路，它由CODEC和數(shù)據(jù)處理陣列DAA（Data Access Arrangement）組成。其中CODEC與FXS電路中的相同；DAA仿真了一部話機，通過提供PSTN的環(huán)路閉合來去除高壓直流分量，只讓PSTN線上的模擬交流信號通過。網(wǎng)關中使用FXO接口電路可實現(xiàn)以下功能：

（1）斷電時線路保持暢通：當網(wǎng)關斷電不能連接VoIP網(wǎng)絡時，將線路切換到PSTN線路上。

（2）呼叫重定向：當VoIP網(wǎng)絡由于擁塞或者其他原因而不可用時，能夠將線路切換到PSTN上，而且能記住已撥號碼并進行自動重撥。

（3）遠端VoIP呼叫：VoIP用戶可以在其他地方通過PSTN撥入的方式進行VoIP呼叫，F(xiàn)XO接口先把PSTN上的電話撥號音（模擬信號）接收下來，然后轉換成數(shù)字信號送出，相當于將撥號音從一個FXO擴展到多個本地FXS。

網(wǎng)關的語音處理模塊負責對PCM數(shù)字語音信號進行壓縮與解壓縮。壓縮算法的標準包括G．711、G．723．1和G．729等，不同的算法壓縮比不一樣，占用的帶寬也不同。壓縮算法可以用硬件DSP實現(xiàn)，也可以用純軟件實現(xiàn)。

軟件控制模塊實現(xiàn)網(wǎng)關的協(xié)議棧處理和路由處理等功能。協(xié)議棧負責將壓縮后的數(shù)據(jù)流進行封裝，加上IP協(xié)議包頭，形成可在VoIP網(wǎng)絡中傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。目前VoIP的協(xié)議棧主要基于H．323和SIP兩種標準。協(xié)議棧將數(shù)據(jù)流打成IP數(shù)據(jù)包后，選擇適當路由經(jīng)過以太網(wǎng)接口發(fā)送到VoIF網(wǎng)絡中。接收端網(wǎng)關接收到IP數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包解壓縮并將解壓縮后的PCM數(shù)字信號解碼，恢復原始語音信號。

2 VoIP雙模網(wǎng)關系統(tǒng)設計

本節(jié)提出了一種基于H．323的雙模網(wǎng)關的系統(tǒng)設計方案，該方案支持4路話音，使用一種經(jīng)濟實用的“假FXO接口”方式實現(xiàn)雙模切換，能夠在VoIP通話時檢測到PSTN線上進來的呼叫并可通過按話機的拍簧或者Flash閃斷鍵切換接聽。

為了有效利用資源，系統(tǒng)使用三相轉接頭將電話線路與PSTN線路組合到一個RJ11接口上，每路話路使用一個三相轉接頭。三相轉接頭的連接方式如圖3所示。

三相轉接頭的使用可簡化雙模切換的實現(xiàn)，也減少了設備的物理端口數(shù)量。

系統(tǒng)設計采用“硬件+嵌入式操作系統(tǒng)+應用層軟件”的總體架構。

2．1 硬件設計方案

系統(tǒng)的硬件部分主要包括雙模切換模塊、FXS接口電路、語音處理模塊電路、CPU模塊和以太網(wǎng)模塊，硬件設計原理圖如圖4所示。

雙模切換模塊使用了一種“假FXO接口”的方式。電路中用繼電器控制各話路本身的VoIP和PSTN通路之間的雙模切換。繼電器在網(wǎng)關沒有上電時默認將網(wǎng)關置于把話機線與PSTN線對接的狀態(tài)，上電工作后由1片FPGA可編程邏輯芯片來控制繼電器的切換。FPGA芯片是網(wǎng)關實現(xiàn)智能切換的關鍵部件，其中實現(xiàn)的控制邏輯包括PSTN線路上的鈴流檢測、話機拍簧動作檢測等邏輯，并據(jù)此控制繼電器進行切換。FPGA與CPU的接口可實現(xiàn)在VoIP網(wǎng)絡路由不可達時切換到PSTN網(wǎng)絡的邏輯。雙模切換模塊實現(xiàn)了FXO接口的部分功能，但不是真正的FXO接口，所以稱之為“假FXO接口”。

FXS接口電路模塊主要由SUC芯片和Codee芯片組成，分別選用Legerity公司的Le79R70芯片和Le58Q021芯片。Le58Q021是4通道的Codec芯片，可以控制SLIC芯片（Le79R70）的工作狀態(tài)，選擇編碼方案（線性、a律、μ律），還支持軟件可編程SLIC的輸入阻抗、平衡阻抗和頻率響應特性等。系統(tǒng)使用1片Le58Q021和4片Le79R70協(xié)同工作支持4路話音，向話機提供饋電，產生振鈴信號、檢測話機摘掛機等，并負責完成電話模擬信號與PCM數(shù)字信號的相互轉換。

語音處理DSP芯片選用AudioCodes公司的AC483，它能同時支持4通道語音編解碼器，支持G．729A、G．723．1、G．727、G．726、G．711等壓縮算法標準，可完成實時的語音壓縮、DTMF信號的檢測、產生和回音消除等工作。

系統(tǒng)CPU芯片選用Samsung公司ARM7TDMI系列的S3C4510B，其工作頻率為50NHz，片內集成了豐富的通用模塊，含有支持10M／100M自適應的以太網(wǎng)控制器，可以直接通過PHY芯片引出以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)PHY芯片選用Intel公司的LXT972A芯片，它具有1OM／100M自適應收發(fā)功能，支持全雙工操作。此外，系統(tǒng)還使用了2MB Flash、16MB SDRAM和512KB SRAM作為存儲器。

2．2 軟件設計方案

軟件部分主要由嵌入式操作系統(tǒng)和應用層軟件組成，完成協(xié)議棧處理、路由處理和其他控制功能，軟件方案層次結構如圖5所示。

嵌入式操作系統(tǒng)采用μCLinux。μCLinux是一種針對無內存管理單元的處理器定制的嵌入式操作系統(tǒng)，具有豐富的網(wǎng)絡功能、源代碼公開、內棱可剪裁和易于移植等特點。根據(jù)硬件平臺的特點，還需要開發(fā)適應硬件平臺的驅動程序，包括Bootloader、串口驅動和以太網(wǎng)驅動。其中Boofloader是移植uCLinux操作系統(tǒng)的關鍵，系統(tǒng)上電時，Bootloader負責進行硬件初始化、中斷的處理和硬件時鐘管理等工作，并加載操作系統(tǒng)映象到內存。為方便系統(tǒng)網(wǎng)絡升級，Bootloader可實現(xiàn)TFTP網(wǎng)絡功能。串口和以太網(wǎng)口驅動程序相對比較簡單，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確收發(fā)即可。

應用層的軟件主要由H．323協(xié)議棧處理模塊、路由處理模塊和DSP控制模塊組成。H．323協(xié)議棧負責呼叫控制和信令、音頻處理和媒體實時傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)采用比較成熟的開放源代碼的OpenH323協(xié)議棧作為參考，應用層上的功能模塊都是基于該協(xié)議棧開發(fā)的。路由尋址模塊主要負責路由尋址和路由管理，確定目的網(wǎng)關的IP地址，并選擇最佳路由將IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過IP網(wǎng)絡傳送到目的網(wǎng)關。DSP控制模塊主要是在應用程序中根據(jù)通話流程編寫相應的控制程序控制DSP芯片AC483的行為。網(wǎng)管模塊提供了Web網(wǎng)管和CLI命令行界面，很容易對雙模網(wǎng)關配置和維護。

3 應用方案

系統(tǒng)作為用戶端網(wǎng)關設備，可廣泛應用于小區(qū)和企業(yè)。對于用戶數(shù)量比較少的小區(qū)，可以將話機直接與網(wǎng)關連接，如圖6所示。對于用戶量相對較多的企業(yè)，可以與PBX交換機連接，如圖7所示。

該系統(tǒng)基于H．323協(xié)議棧設計。目前該系統(tǒng)基本功能已實現(xiàn)，能與其他網(wǎng)關設備互通，并能與運營商的Gatekeeper互通。在該設計的基礎上，可以通過選用處理能力更強的芯片來支持更多話路，可以增加SIP協(xié)議棧以支持雙協(xié)議棧架構，還可以實現(xiàn)真的FXO接口電路以支持遠端VoIP呼叫，這些都是系統(tǒng)未來可以改進的地方。

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