ATEIS的音频处理器在VOIP中的应用
2016-11-01

  VOIP(voice over internet protocol)是一种以IP电话为主,并推出相应的增值业务的技术。
  它是建立在IP技术上的分组化、数字化传输技术,其基本原理是:通过语音压缩算法对话音进行压缩编码处理,然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包,经过IP网络把数据包传输到目的地,再把这些语音数据包串起来,经过解码解压处理后,恢复成原来的语音信号,从而达到由IP网络传送话音的目的。
  VOIP最大的优势是能广泛地采用internet和全球IP互连的环境,提供比传统业务更多、更好的服务。
目前,存在一些VOIP 协议栈,它们源于各种标准团体和提供商,如 H.323、SIP、MEGACO 和 MGCP。ATEIS的VOIP基于SIP标准传输协议,可和其他支出SIP标准协议的IP电话等设备通信。
  会话发起协议(SIP)是建立 VOIP 连接的 IETF 标准。SIP 是一种应用层控制协议,用于和一个或多个参与者创建、修改和终止会话。SIP 的结构与 HTTP (客户-服务器协议)相似。客户机发出请求,并发送给服务器,服务器处理这些请求后给客户机发送一个响应。该请求与响应形成一次事务。
  传统的IP 网络主要是用来传输数据业务,采用的是尽力而为的、无连接的技术,因此没有服务质量保证,存在分组丢失、失序到达和时延抖动等情况。数据业务对此要求不高,但话音属于实时业务,对时序、时延等有严格的要求。因此必须采取特殊措施来保障一定的业务质量。VOIP 电话/VOIP网络电话的关键技术包括:信令技术、编码技术、实时传输技术、服务质量(QoS)保证技术、以及网络传输技术等。
信令技术
  信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量,目前被广泛接受的VoIP 控制信令体系包括ITUT的H.323 系列和IETF 的会话初始化协议SIP。虽然H.323 提供了窄带多媒体通信所需要的所有子协议,但H.323 的控制协议非常复杂。H.323 不支持呼叫转移,且建立呼叫的时间比较长。与H.323相反,SIP 是一种比较简单的会话初始化协议。它不像H.323 那样提供所有的通信协议,而是只提供会话或呼叫的建立与控制功能。SIP 可以应用于多媒体会议、远程教学及Internet 电话等领域。
  SIP 是一种应用层协议,可以用UDP 或TCP 作为其传输协议。如图所示:ATEIS的TERRACOM中Transfer Protocol协议可选择TCP或UDP方式传输。

  SIP与H.323 不同的是:SIP 是一种基于文本的协议,用SIP 规则资源定位语言描述(SIP Uniform Resource Locators),这样易于实现和调试,更重要的是灵活性和扩展性好。由于SIP 仅作于初始化呼叫,而不是传输媒体数据,因而造成的附加传输代价也不大。SIP 的URLL可以嵌入到web 页或其它超文本链路中,用户只需用鼠标一点即可发出一个呼叫。与H.323 相比,SIP 还有建立呼叫快,支持传送电话号码的特点。如图所示,以ATEIS的彩色触摸屏广播话筒为例,可自定义添加设备的URI,并自由设置“Device Name”名称和“ZONE”分区。最后把相应按钮添加到触摸屏页面,实现触摸选择分区广播对讲等功能。

编码技术
  话音压缩编码技术是VOIP技术的一个重要组成部分。ATEIS的PPM-IT5提供了以下音频编码:G.711ulaw、G.711alaw、G.722、G.729、PCM16K、G.726-32、G.727-32。

  G.711是国际电信联盟ITU-T定制出来的一套语音压缩标准,它代表了对数PCM(logarithmic pulse-code modulation)抽样标准,主要用于电话。它主要用脉冲编码调制对音频采样,采样率为8k每秒。它利用一个 64Kbps 未压缩通道传输语音信号。 起压缩率为1:2, 即把16位数据压缩成8位。G.711是主流的波形声音编解码器。G.711 标准下主要有两种压缩算法。一种是µ-law algorithm (又称often u-law, ulaw, mu-law),主要运用于北美和日本;另一种是A-law algorithm,主要运用于欧洲和世界其他地区。其中,后者是特别设计用来方便计算机处理的。
  G.722是支持比特率为64, 56和48kbps多频率语音编码算法。在G.722中,语音信号的取样率为每秒16000个样本。与3.6kHz的频率语音编码相比较,G.722可以处理频率达7kHz音频信号宽带。G.722 编码器是基于子带自适应差分脉冲编码(SB-ADPCM)原理的。信号被分为两个子带,并且采用 ADPCM 技术对两个子带的样本进行编码。
  G.722相对于G.711 采样频率由8KHZ扩展为16KHZ,语音质量得以提高。将信号划分为2个子带(高频,低频),每个子带中的信号都采用ADPCM(adaptive differential pulse code modulation)进行编码。ADPCM原理即只采样声音样本中增量变化的那一段在最后比特率的计算中,低频部分被分配到比较多的资源8Kbps X 6bit,高频部分被分配到比较少的资源(多为摩擦声,噪音等辅助音)8Kbps X 2bit,两者相加既为64Kbps。故G.722相对于G.711比特率都为64kbps,但提高了语音质量。
  G.729编码方案是电话带宽的语音信号编码的标准,对输入语音性质的模拟信号用8kHz采样,16比特线性PCM量化。G.729A是ITU最新推出的语音编码标准G.729的简化版本。G.729协议使用的算法是共轭结构的算术码本激励线性预测(CS-ACELP),它基于CELP编码模型。由于G.729编解码器具有很高的语音质量和很低的延时,被广泛地应用在数据通信的各个领域。G.729占用带宽小,使用G.711同样的采样率,仅需占用带宽8Kbps,但占用CPU的时间多,使用CPU的时间大约是G.711的4倍,所以对设备CPU要有足够的处理能力。
  PCM16K:PCM 脉冲编码调制是Pulse Code Modulation的缩写。脉冲编码调制是数字通信的编码方式之一。主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样,使其离散化,同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化,同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值,PCM是一种很基本的编码方式,转换后不压缩,故称为无损编码。这里采用16KHZ采样频率进行抽样,量化之后每个量化值对应1个16位二进制数,即16bit,故ATEIS设备中命名为PCM16K。
  G.726-32:G.726是ITU-T定义的音频编码算法,对输入语音性质的模拟信号用8kHz采样,在G.721和G.723标准的基础上提出。G.726可将64kbps的PCM信号转换为40kbps、32kbps、24kbps、16kbps的ADPCM信号。最为常用的方式是 32 kbit/s,但由于其只是 G.711速率的一半,所以可将网络的可利用空间增加了一倍。G.726具体规定了一个 64 kbpsA-law 或 μ-law PCM 信号是如何被转化为40, 32, 24或16 kbps 的 ADPCM 通道的。ATEIS在设备中仅选取了中常用的32kbit/s,故设备中命名为“G.726-32”。
  G.727-32:G.727和G.726几乎同时推出, 二者具有相同的比特率(bit rates), 但G.727则针对 PCME (Packet Circuit Multiplex Equipment environment)进行最佳化。采用5-, 4-, 3-和2-bit/sample自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)。ATEIS在系统中仅选用常用的PCM信号转换为32kbit/s进行编码处理,故设备命名为“G.727-32”。
实时传输技术
  实时传输技术主要是采用实时传输协议RTP。RTP 是提供端到端的包括音频在内的实时数据传送的协议。RTP 包括数据和控制两部分,后者叫RTCP。RTP 提供了时间标签和控制不同数据流同步特性的机制,可以让接收端重组发送端的数据包,可以提供接收端到多点发送组的服务质量反馈。
网络传输技术
  VOIP网络传输技术主要是TCP 和UDP,此外还包括网关互联技术、路由选择技术、网络管理技术以及安全认证和计费技术等。由于实时传输协议RTP 提供具有实时特征的、端到端的数据传输业务,因此VOIP中可用RTP 来传送话音数据。在RTP 报头中包含装载数据的标识符、序列号、时间戳以及传送监视等,通常RTP 协议数据单元是用UDP 分组来承载,而且为了尽量减少时延,话音净荷通常都很短。IP、UDP 和RTP 报头都按最小长度计算,采用UDP这种方式将多路话音插入话音数据段中,这样提高了传输效率。
  另外避免带宽或多路通话问题造成声音断续,多个IP点声音不同步问题,ATEIS特增加了BUFFER缓冲机制,如图所示可调整RT为0.5到2.0之间,单位为秒。在实际运用过程中,可能由于带宽问题造成声音断续,因为封包在传输过程中有延时,也有可能封包传输丢失,当然封包丢失可通过RTP机制通知发送端重新发送数据,在设备中设置1个缓冲BUFFER,等待所有的封包信号到达后再一起送出。这里设置RT最长限制是避免封包一直延时造成永久等待。

实际应用
  如图所示:ATEIS的LAP G2T数字音频处理器、ECS远程回声消除系统、IDA8消防广播系统、Senator全数字会议系统、PPM-IT5触摸屏多分区广播话筒均支持VOIP功能,并能和IP电话融合,对于模拟电话需要和IP电话会议融合,只需配置ATEIS的TERRA-FXO电话接口机转IP的设备即可实现。

  以下是ECS回声抑制系统的回声消除原理,在本地会议室安装1台ECS给对方回声消除,如果2边会议室都有回声需要2边都安装ECS机器。

以下是Senator全数字会议系统VOIP的回声消除原理图

关于ATEIS(亚提斯):
  亚提斯总部位于瑞士,为商业音频系统、体育场馆、公共广播系统等音频应用领域提供高品质数字音频产品、系统解决方案,具有超过三十年的企业历史和行业经验。其商业音响产品、公共广播系统、声音报警系统、柜台对讲机,在欧洲市场上占有率持续性增长,是欧洲数字音频领域的行业领导者。
  目前,公司提供全套的音响设备:全数字DSP会议系统、数字音频处理器、数字广播应急系统、IP广播内通系统、功放等。
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