VoIP技術及其應用（上）

2019-11-03 09:01:54

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供稿：網友

華東理工大學信息學院孫豐強

　　Voip又稱IP電話或IP網絡電話，是Voice over IP的縮寫，這種技術通過對語音信號進行編碼數字化、壓縮處理成壓縮幀，然后轉換為IP數據包在IP網絡上進行傳輸，從而達到了在IP網絡上進行語音通信的目的。

　　VoIP技術最初只是一種互聯網上的增值應用，形式也較為簡單。隨著互聯網的普及，其在商業運營中的應用價值被人們發現，很多新興的電信運營商將VoIP技術引入到電信運營中，并在上個世紀的最后幾年內取得了爆炸式的增長。 VoIP技術的體系結構

　　VoIP技術的主要目的是用于處理語音和信令，因此可以將它分為四個功能模塊：語音包處理模塊（Voice Package Module）、電話信令網關模塊（Telephone Signaling Gateway Module）、網絡協議模塊（Network PRotocol Module）、網絡管理模塊（Network Management Module）。VoIP技術功能結構見圖1。

語音包處理模塊

　　一般而言，語音包處理模塊主要是在數字信號處理器（DSP）芯片上運行。主要實現以下功能：

◆ 語音的編碼及解碼

◆ 靜音檢測

　　通過對無話音時的噪聲進行檢測，從而判斷所接收的信號是否含有語音信號，如果沒有檢測到語音信號，將會反饋至“語音包處理器”，讓它發出一個含有“靜音”的信息包，從而最大限度地節省通訊帶寬。

◆ 回音抵消器

　　基于國際標準G.165/G.168實現語音通訊中的回音抵消，以改善語音的通訊質量。

◆ 自適應語音恢復

　　通過一個緩沖器，對接收到的延后語音包信號，進行語音恢復。從而達到抗“延時”、抗“時延抖動”的目的。并且可以“自適應”地調節時延值，實現達到語音傳輸時延最小的目的，從而改善語音通訊質量。當然，它同時必須支持“內插”算法，即當語音包在傳輸過程中丟失時，能夠利用“內插”技術進行恢復。

◆ 語音包處理器

　　對經過編碼后的語音信號進行“語音打包”處理，或者是對接收到的語音包進行“拆包”處理，實際上它是一種封裝協議的處理。

電話信令網關模塊

　　一般而言，電話信令網關模塊主要是在Host CPU上運行。作為一個“網關處理器”，它主要是作為電話信令，在電訊設備與網絡協議處理之間進行協議轉換。這些信令包含如：掛機、摘機、呼入保持、來電顯示等。它主要是指原有傳統電話設備上的業務及其將來的增值服務。

網絡協議模塊

　　這個模塊主要是用于處理信令的信息。同時也可以將信令信息轉換成對應的特殊網絡的信令協議，通過交換網絡傳輸。一般而言，國際上目前比較通用的網絡協議標準是：H.323協議，MGCP協議和SIP協議等。

網絡管理模塊

　　主要是提供一個語音管理的接口，實現VoIP的配置及維護。管理信息是基于國際標準ASN.1及SNMP簡單網絡管理協議的要求所建立的。

VoIP的傳輸過程分析

　　VoIP是以IP分組交換網絡為傳輸平臺，對模擬的語音信號進行壓縮、打包等一系列的特殊處理，使之可以采用無連接的UDP協議進行傳輸。

　　為了在一個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，共同通過一個IP網絡連接。VoIP設備先把語音信號轉換為IP數據流，并把這些數據流轉發到IP目的地址，IP目的地址又把它們轉換回到語音信號。兩者之間的網絡必須支持IP傳輸，且可以是IP路由器和網絡鏈路的任意組合。

　　VoIP傳輸過程可分為語音數字化、信號編碼分組、信號打包傳送、解包及解壓縮過程及數字語音模擬化五個過程。VoIP傳輸過程見圖2。

語音信號數字化

　　語音信號是模擬波形，通過IP方式來傳輸語音，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量化，然后送入到緩沖存儲區中。數字化可以使用各種語音編碼方案來實現，目前采用的語音編碼標準主要有ITU-TG.711。

信號編碼分組

　　語音信號進行數字編碼以后，下一步就要對語音包以特定的幀長進行壓縮編碼。編碼后，壓縮的幀合成一個壓縮的語音包送入網絡處理器。網絡處理器為語音添加包頭、時標和其它信息后通過IP網絡傳送到另一端。語音網絡簡單地建立通信端點間的物理連接，并在端點間傳輸編碼信號。IP網絡不會形成連接，而要求把數據放在可變長的數據報或分組中，然后給每個數據報附帶尋址和控制信息，并通過網絡發送。

信號打包傳送

　　信號（數據）被壓縮后，就需要對它進行打包，加進一些協議信息。在收集語音數據的處理過程中需要一些存儲時間，因為將語音數據發送到IP網絡之前必須先收到一定數量的語音數據。在對信號進行編碼及壓縮過程中，也需要一定的時間來對數據進行存儲，從而也產生了一定的時間延遲。

　　協議信息被加入包中是為了更好地保障完成數據的傳輸過程。由于IP協議是為各種不同的網絡互聯而設計的，與專用網相比它含有許多復雜的處理過程，它要求將一個包封裝到另外一個包中，而且數據在傳輸的過程中還要經過再打包、重尋址和重新封裝等過程。

解包及解壓縮過程

　　當每個包到達目的地主機（網關、服務器或用戶計算機終端）時，要檢查該包的序號并將其放到正確的位置，然后用一個解壓縮算法來盡量恢復原始信號數據，這時通過利用時鐘同步及時延處理技術來填充由發送端處理過程中導致的空缺。由于各個包在傳輸過程中經過了不同的路由，所以它們到達目的地的順序有很大差別，因此接收端要將先達到的包放到存儲器里一段時間以后等待后達到的包，等待時間的長短要根據網絡的擁塞情況而定。

數字語音模擬化

　　目前，IP電話主要應用于Internet上，是Internet上的一個增值業務。由于Internet是一個開放的網絡，另外，由于它的帶寬還不夠寬，尤其在網絡惡化的情況下，在傳輸過程中很大一部分包會被丟失或被延遲傳送，這些丟棄、延遲和被破壞的包是導致語音質量下降的根本原因。

　　按Internet傳統糾錯機制，接收端如果收到錯誤的數據包就將其丟棄并請求重傳，因此用戶最終收到的數據跟原始發送的數據是完全一樣的。由于IP電話業務是一種對時間敏感的業務，不能使用重傳機制，這就需要專用的檢錯和糾錯機制來再造聲音和填補空隙，需要接收端存儲接收到一定數量的語音數據，然后使用一種復雜的算法來“猜測”丟失包的內容，產生新的語音信息，從而提高通信的質量。因此，接收端聽到的語音并不與發送端講的語音完全一樣，其中一部分信息是由VoIP系統“再造”的。