VoIP的原理及技术
VoIP的核心技术和关键基础就是VoIP技术。 因特网语音通信作为一个高度复杂的系统工程，在实际应用中有着广泛的应用领域，并因此涉及众多的关键技术点。 这些核心技术包括数据传输协议、语音编码解码算法以及网络适应性优化等多个方面的问题。 因此可以说可以认为，在深入探讨和研究用因特网进行语音通信之前的基础性工作下结论是不妥当的，并且需要更加详细地了解和掌握其基本原理以及相关技术问题的具体内容和实现机制。
一、 VoIP的基本传输过程
现行电话网系统多采用电路交换方式进行语音传送，并规定其最低带宽指标达到64kbit/s的标准。相比之下，在线音频通信技术（VoIP）则建立在基于互联网的分组交换网络基础之上，并通过对模拟语音信号实施压缩编码、分组打包等系列处理工作使其具备能在无连接状态下的UDP协议环境安全运行的能力。
为了实现语音信号在IP网络中的传输需要满足一些基本要求这些要求主要包括各组元间的通信协议支持以及硬件设施配置等基础要素。最简单的架构通常由两个或多个支持VoIP功能的设备构成这些设备通过一个统一的IP数据链路相连形成一个封闭式的通信环。在该架构中每个节点都应能够自主完成一系列关键任务包括但不限于声音采集数据编码存储以及解码等过程。根据图2-18所示 VoIP系统的运行机制主要包含以下几个核心环节首先是原始声音信号被采集并转换为数字格式随后通过信道编码将其转化为适合在网络中传输的数据流这些数据流再经过路由转发机制到达目标节点最后的目标节点又会将接收到的声音数据重新解码还原成可听的声音形式从而完成整个过程的关键步骤。值得注意的是无论采用何种组合方式配置的VoIP传输系统都必须具备稳定的IP传输通道并能够灵活地分配资源以保证通信质量
javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
1、 语音-数据转换
语音信号属于模拟波形，在采用IP技术传输时需区分实时与非实时应用领域。无论是实时应用还是非实时应用领域，在处理过程中首先将模拟原始声音转化为数字形式，并对其质量进行严格控制。具体来说，在这一阶段需要对原始声音进行采样并将其转化为离散的数据点群。为了保证数据完整性，在这一阶段需按照8位或6位的标准对原始声音进行量化处理，并将这些量化后的数值存入到预设容量（根据传输延迟和压缩效率需求）的数据缓存区域中。值得注意的是，在实际操作中应考虑到整体系统的资源消耗问题：每个时间段内的数据量通常取值范围在60毫秒至240毫秒之间。为了实现高质量的声音重建效果，在整个数字化系统中可采用多种不同的压缩算法来进行支持：其中最常用的技术标准之一就是ITU-T G.711压缩算法。
2、 原数据到IP转换
当语音信号被数字化编码后，系统将对以特定帧长分割后的语音包执行压缩编码。大多数编码器都采用固定帧长作为基础参数，在这种情况下，默认情况下若一个编码器采用15ms的帧长，则会将刚输入的60ms的连续语音包划分为4个子帧，并按照顺序分别对其进行编码处理。每个子帧包含120个采样点（取样频率为8kHz）。随后会对以特定帧长分割后的语音包进行压缩编码
3、 传送
在这个传输线路中，所有网络都被视为从输入端接收语音包，在特定时间段内将其传递到网络输出端。参数t可以在某个特定范围内变化，并反映了传输过程中的波动性。中间节点根据每个IP数据附带的寻址信息将该数据转发到下一跳的目的地。网络链路可以采用支持IP数据流的各种拓扑结构或接入方式
4、 IP包-数据的转换
该VOIP设备接收该IP数据并启动处理流程。作为网络级关键组件之一，该系统采用可变长度缓存机制以平衡网络波动问题。此缓存单元具备多容量存储能力，并支持用户根据实际需求调节缓存大小；小容量缓存带来较低延迟但无法调节较大的抖动程度；相反地较大容量缓存则能有效缓解剧烈波动但会增加系统响应时间；在信号处理环节中编码后的语音块经过解压缩生成新的语音块序列；每个解码操作均按帧进行处理其规模与当前解码模块保持一致；当帧长度为15毫秒时60毫秒的原始语音包将被分割为连续4个15毫秒的帧随后这些帧将被重新编码为完整的60毫秒数据流传输至解码缓冲区；在数据报处理过程中去除冗余信息如地址和控制字段最终仅保留原始的数据内容完成传递流程
5、 数字语音转换为模拟语音
通过播放驱动器从缓冲器中提取了480个语音样点并将其输入至声卡，并经由扬声器以预先设定好的频率（如8kHz）进行播发。简单来说，模拟到数字信号转换的过程是先经历模拟至数字信号转换的过程，在随后将数字语音编码为IP数据包，并完成这些数据包在网络传输路径上的打包封装工作。接着这些数据包则会依次经过解码处理并将数字化声音还原回模拟形式的过程中完成整个流程。
****二、 推动VoIP发展的动力
随着硬件、软件以及相关协议和标准的持续进步和技术突破的影响日益显著，在实际应用中实现 VoIP 的广泛普及已不再是梦想。这些技术进步不仅为实现 VoIP 的广泛应用铺平了道路，并且极大地提升了 VoIP 网络的功能性能，并增强了其互操作性。表 2-2 简洁明了地总结了影响 VoIP 发展的关键因素。通过分析表中数据可以看出，在推动 VoIP 技术快速普及及广泛应用的过程中起到了关键作用的因素主要包括以下几个方面：
高性能数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）负责完成语音与数据集成所需的所有计算密集型任务。从技术角度来看，DSP对数字信号进行处理并完成复杂运算的能力远超通用中央处理器（Central Processing Unit, CPU）。这种专业能力与经济性的完美融合使其成为VoIP系统中实现高质量语音通信的理想选择。
单个语音流上采用G.729算法进行语音压缩会产生较大的计算负担（即计算开销较大），要求达到每秒20百万指令周期的速度要求（即达到20MIPS）。如果中央处理器需要同时处理多个语音流并完成路由及系统管理功能（这两项任务具有较高的复杂度），则这一目标难以实现（即不现实）。因此，在这种情况下（即当中央处理器需同时承担多项任务时），建议采用一个或多个数字信号处理器（DSP）来分担其中负责执行复杂语音压缩算法的任务（即卸载相应的计算负载）。此外，在完成这些核心任务后（即 DSP 可以持续接收并分析数字语音数据流），它们还可以执行活动检测与降噪等功能（因为它们能够持续接收并分析数字语音数据流，并能快速访问专用存储空间以加速数据处理）。基于上述特点与优势，在本章节中将详细阐述如何在 TMS320C6201 DSP 平台上实现语音编码与降噪功能。
推动VoIP的主要技术进展
| 协议和标准 | 软件 | 硬件 |
|---|---|---|
| H.323 | 加权公平排队法 | DSP |
| MPLS标记交换 | 加权随机早期检测 | 高级ASIC |
| RTP, RTCP | 双漏斗通用信元速率算法 | DWDM |
| RSVP | 额定访问速成率 | SONET |
| Diffserv, CAR | Cisco快速转发 | CPU处理功率 |
| G.729, G.729a:CS-ACELP | 扩展访问表 | ADSL，RADSL，SDSL |
| FRF.11/FRF.12 | 令牌桶算法 | |
| Multilink PPP | 帧中继数据整流形 | |
| SIP | 基于优先级的CoS | |
| Packet over SONET | IP和ATM QoS/CoS的集成 |
协议和标准 软件 硬件 H.323 加权随机早期检测（WRRM） DSP MPLS标记交换 加权公平排队法（WFQ） 高级ASIC RTP/RTCP 双漏斗通用信元速率算法 DWDM RSVP 额定访问速成率 SONET Diffserv, CAR Cisco快速转发 CPU处理功率 G.729, G.729a:CS-ACELP 扩展访问表 ADSL, RADSL, SDSL FRF.11/FRF.12 令牌桶算法 Multilink PPP 帧中继数据整流形 SIP 基于优先级的CoS包传输SONET IP和ATM QoS/CoS集成
2、复杂专用集成电路（Application-Specific Integrated Circuit, ASIC）的发展催生出性能更为卓越的专用集成电路（ASIC）。作为专为单一应用或少数几个功能设计的应用芯片，在专注于狭窄的应用领域时能够实现对该类功能的高度优化。与通用处理器相比，在速度上通常快一个到几个数量级的增长幅度。这种设计思路类似于精简指令集计算机（RSIC），它通过专注于快速执行有限数量的操作指令来提升性能效率。一旦完成开发生产成本并不会显著增加，并广泛应用于路由器和交换机等网络设备中以执行路由查找、数据分组转发及分类管理等关键功能。ASIC的应用不仅提升了设备性能水平而且降低了运营成本；此外它还为网络系统提供了更加宽广的带宽通道并增强了服务质量保障体系；正是由于这些优势 ASIC技术对增强VoIP技术的发展起到了关键推动作用。
该段落主要介绍了互联网中的IP传输技术发展背景及关键技术
底层结构为网络的第一部分，在此之上构建数据传输的核心基础设施。该层次向终端用户提供高品质的互联网接入服务，并确保服务质量。用户层面主要支持两种接入方式——基于 IP 的连接以及宽带访问，并提供丰富多样的服务内容类型。在基础层次上，默认选择以太网作为物理传输介质是被广泛接受的做法；然而，在这一层次中采用 latest DWDM 技术不仅提升性能还具有巨大发展潜力。
密集波分多路复用技术（Dense Wave Division Multiplexing, DWDM）不仅带来了光纤网络的巨大发展，在电信公司铺设的新一代光纤主干网中也实现了惊人的带宽提升。该技术通过充分利用光纤的优势以及先进的光传输设备实现了高效通信。它的命名来源于单根光纤能同时传输多个不同波长的激光信号这一特性。当前系统可支持16个不同波长的信号传输……未来系统则可支持40至96个不同波长的选择与传输。这种技术的意义在于每个新增加的光路都能额外承载一倍的数据流量……因此只需原有设施即可实现现有网络容量的最大化扩展而不必投资于新线路建设
大多数新的光纤网络以（9.6Gbit/s）的速度运行OC-192，在与DWDM结合时，在一对光纤上产生150Gbit/s以上的容量。另外，DWDM提供了接口的协议和速度无关的特征，在一条光纤上可同时支持ATM、SDH和千兆以太网信号的传输，这样和现在已建成的各种网络都可以兼容，因此DWDM既可以保护已有的设资，还可以以其巨大带宽为ISP和电信公司提供了功能更强的主干网，并使宽带成本更低和访问性更强，这对VoIP解决方案的带宽要求提供强有力的支持。增加的传输速率不仅可以提供更粗的管道，使阻塞的机会更少，而且使延时降低了许多，因此可以在很大程度上减少IP网络上的QoS要求。
4、 宽带接入技术
IP网络的用户接入问题已成为影响整体网络发展的关键瓶颈。就长远发展的角度来看,用户的接入终极目标即实现光纤到户（FTTH）。就广义而言,光接入网主要包含两类:一类是基于光数字环路载波系统的解决方案;另一类则是以无源光网络为基础的技术体系。前者主要在美国市场发展较为成熟,在光纤上传送其综合系统并展现出强大的生命力;后者则主要集中在日本和德国这两个国家。日本持续多年致力于技术创新,并采取一系列综合措施将无源光网络的成本降至与铜缆及金属双绞线相近水平的同时,还大量应用该技术于实际业务中。特别是近年来,ITU提出了以ATM为基础构建的新型无源光网络（APON）架构,通过整合ATM技术和无源光网络的优势特性,实现了高达622M bit/s的接入速率,这一技术对推动宽带IP多媒体业务的发展具有重要意义的同时也有助于降低系统的故障率以及减少节点数量、扩大覆盖范围等优点。目前国际电信联盟已完成了相关技术标准的制定工作,各家设备制造商正在积极研发相关设备,预计未来几年内将会有产品面世,该技术也将成为21世纪宽带接入的主要发展方向
常用的接入技术包括PSTN（公共 switched telephone network）、IADN（Integrated Access Network）、ADSL（Asymmetrical Digital Subscriber Line）、Cable Modem（CM）、DDN（Dedicated Digit Network）、X.25以及基于以太网的宽带接入系统等。这些接入技术各有其特点，在这其中发展最为迅速的是Cable Modem（CM）和ADSL技术；Cable Modem采用同轴电缆作为传输介质，在传输速率方面具有显著优势的同时也具备较强的抗干扰能力；然而其一个明显的局限性是无法实现双向传输，并且缺乏统一的标准规范支持。而Asymmetrical Digital Loop（ADSL）则凭借其独特的传输特性实现了独享式的宽带接入服务；通过充分利用现有电话网络资源实现了非对称的双向数据传输模式，在用户端实现了高达8 Mbit/s的数据下载速度与1 Mbit/s的上传速率的平衡；这种技术不仅为企业及各类用户提供优质的宽带接入服务更为重要的是显著降低了运营成本；基于较低成本的区域环路配置下公司得以更快捷地实现互联网接入以及基于互联网的服务提供商所 offer 的虚拟专用网络（VPN）连接；这种模式不仅提升了业务处理效率也为高密度语音通话提供了充分的技术支撑
5、 中央处理单元技术
中央处理器（CPU）在性能、功耗和速度等方面持续进步。这使得基于多媒体技术的个人电脑能够得到更广泛的运用，并显著提升了受功耗限制而受限的功能运行效率。个人电脑具备处理流式音频与视频数据的能力已经逐渐被用户所期待，并因此在数据传输领域中自然地将语音呼叫作为下一步的重点目标。这一技术支撑了先进的人工智能计算在多媒体桌面应用与网络组件中的广泛应用。
阅读(31) | 评论(0) | 转发(0) |
0
上一篇：voip基本原则
下一篇：程序员到底是一个什么职业？
相关热门文章
- 黑客高手分享入侵技术经验
-
[sed -e "/grep/d" 是什么意思...](http://ask.chinaunix.net/question/785919 "sed -e "/grep/d" 是什么意思？谢谢")
给主人留下些什么吧！~~
评论热议