美隆電子有限公司

期日:

2007年3月13日

影響企業級IP電話性能因素分析及解決方案

VoIP是指透過IP網路傳輸電話呼叫的一種方式。VoIP允許透過現有的IP數據網路傳輸電話呼叫，協助企業降低通訊成本。

在企業市場中，VoIP促使數據通訊產品廠商進入了語音市場，激烈的競爭同時催生了多種全新應用。在諸多新應用中，IP

電話與企業數據以及桌上型應用的整合已成為關注焦點，企業級IP電話的語音品質對融合解決方案的品質至關重要。

VoIP正與傳統PSTN網路進行競爭。作為替代技術，其語音品質應該能與PSTN的語音品質一致或更好。但由於IP網路原本

不是為傳遞語音數據而設計，相對於傳統電話系統，仍有一些技術挑戰需要克服，常見的問題包括延遲、抖動、封包丟失

和回音。

1. 延遲

在傳統的PSTN網路中，洲際長話或者衛星長話的迴路延遲約為500~600ms，這時，當一方說話後要過一段時間對方才會

聽到聲音。ITU標準建議的電話系統迴路延遲應少於300ms。在IP電話系統中，迴路的延遲包括語音封包化時間長、語音編

解碼導入的延遲以及處理網路抖動導入的延遲等。系統設計者必須均衡考慮各方面因素，盡可能縮短系統迴路延遲，使通

話自然流暢。

2. 抖動

當IP封包在網路上傳遞時，每個封包傳輸的路由都可能不同，在每個節點上傳遞轉發的時間也可能不一樣。在一個VoIP通

話中，每個語音數據封包在網路中傳輸的時間都不一樣。一些封包會比預計時間晚到或早到接收端，而在播放解碼IP語音封

包時，解碼器以固定間隔播放語音數據。晚到的語音封包會導致在一段時間內解碼器沒有數據可解，而早到的數據封包則

有可能被丟棄。所以系統中需要導入封包緩衝記憶體以去除網路抖動，平滑網路抖動造成的影響。但導入過深的緩衝記憶

體會使迴路延遲相應增大，需選擇合適的緩衝記憶體大小，在去除網路抖動的同時不會增加太多迴路延遲。

3. 封包丟失

理想的網路情況是所有發送的語音封包都能被接收端正常接收。但IP封包在網路上傳遞時，網路的個別處理節點可能會出

現處理能力不夠或頻寬受限情況，部份封包可能會被丟棄。雖然IP網路上有一些機制能在封包丟失時重傳丟失封包，但對

即時性要求很高的語音數據則無法使用這些機制。

部份語音編解碼方式有內建的封包丟失補償演算法，在封包丟失比率不高時，可使用插值方法做補償，讓接聽方感覺不到

語音資訊丟失。但在封包丟失率較高的網路，必須採用其他方法來控制網路封包丟失對語音品質的影響。

4. 回音

在電話二四線轉換系統中通常存在兩種回音：線路回音和聲學回音。

線路回音是由於二四線轉換時阻抗不匹配引起。在這種情況下，通話者的聲音傳遞到遠端的二四線轉換時反射，與對方的

談話會送回通話者的耳中。如果迴路延遲較小(＜50ms)，通話者很難察覺到回音的存在，但當迴路延遲較大時，通話者就能

聽到自己的聲音。IP通話的迴路延遲通常較大，所以在有二四現轉換的節點必須有回音抑制單元。

聲學回音是由於在電話側的播放和接聽之間存在聲學耦合，喇叭播放出的聲音經過在空間中的一次或多次反射後回饋到聽筒

或麥克風所引起(如圖1所示)。

在企業級IP電話設計中，由於IP電話沒有二四線轉換，所以不需考慮線路回音的影響。聲學回音的影響，特別是免提模式下

的聲學回音是系統設計者需考慮的難點和主要問題。

市場上推廣的很多解決方案宣稱能夠實現全雙工免提。但事實上，大部份演算法都只能支援半雙工免提通話。當全雙工電

話工作在免提模式下，通話的雙方即使同時說話也能聽到對方的聲音。如果僅能支援半雙工免提通話，當雙方同時說話時，

一方的聲音被壓制消除，無法被另一方聽到。甚至在本地背景噪音較時，對方的說話聲音也會被壓制而聽不到任何聲音。

網路延遲、抖動、封包丟失以及聲學回音都是影響IP電話通話品質的重要因素，系統設計者必須妥善解決這些問題。晶片供

應商如果能提供成熟的方案解決這些問題，將能使系統設計者將資源集中在設計差異化服務，並縮短產品上市時程。

TNETV1050 IP方案

TI提供了一種涵蓋IP電話、家庭網路閘道、電信級網路閘道以及VoADSL和VoCable應用的VoIP解決方案。針對企業級IP電話

需求，TI提供了多種解決方案，其中TNETV1050/TNEV1055的SoC方案基於TI的TMS320C55xDSP系列可編程DSP和增強型32位

元MIPS核心。它能在降低功耗的同時兼顧系統的可擴展性，並包含多種週邊設備介面，滿足設計企業級電話系統需求。

TNETV1050晶片包含一個內建的乙太網路交換器以及兩個PHY，

可在桌面上提供IP電話服務的同時提供PC連接。TNETV1050的USB

介面能使IP電話連接多種USB設備，如PDA等。設計者還可透過TI的

VLYNQ介面擴展多種其他功能，如WiFi模組及硬體加密等。該晶片

整合了LCD控制器、CODEC以及鍵盤介面，降低了系統成本。

TI的IP電話軟體套件包含DSP核心演算法和配套的CPU套裝軟體。

完整的DSP套裝軟體包含多種編解碼演算法、VAD、聲學回音消除

演算法、封包播放模組，以及完整的統計除錯資訊功能和語音品

質監控模組。針對企業電話應用，TI提供完整的聲學回音消除模

組支援全雙工免提功能，同時支援本地三方會議功能以及寬頻編

解碼演算法。

CPU軟體工具套件則包含TI的CPU軟體以及第三方軟體模組。

其中包括控制DSP的API模組、支援呼叫控制的模組、加密框架模

圖2：TNETV1050/1055 IP電話處理器。

組、協議堆疊介面，以及第三方的協議堆疊模組。

TI的軟體和第三方的軟體共同提供了IP電話所需的完整軟體方案，最佳化晶片方案和DSP/CPU軟體大幅減少了系統設計時間

。針對企業級IP電話設計中遇到的共通問題，TI的軟體也提供了解決方法。

1. 抖動和延遲的處理

針對抖動和延遲問題，TI的DSP軟體已進行了最佳化，採用緊密的系統結構，消除不必要的演算法延遲。同時採用自適應去

抖動緩衝記憶體演算法，可計算網路即時抖動，並根據即時抖動大小調整緩衝記憶體深度。在網路狀況良好時，如在企業的

本地區域網路中，去抖動緩衝記憶體演算法可縮小緩衝記憶體深度，以減少迴路延遲。

2. 封包丟失處理

TI的套裝軟體中包括主動和被動兩種封包丟失處理方法。主動演算法是在傳輸封包中加入冗餘資訊(RFC 2198)或前向糾錯

資訊(RFC 2733)。這樣在播放端若發現有封包丟失，就可根據相應的資訊恢復丟失的封包。當丟失的封包無法用主動方法恢

復時，可用被動方法做補償，根據前面的語音資訊，擬合出一段語音用於補償。從圖3可看出，在網路封包丟失比率較高時，

使用主動干預仍可獲得較好的語音品質。

聲學回音的處理

解決IP電話的聲學回音問題需從兩方面著手。

首先，設計者需採用具有良好聲學特性的模具結構，以減少聲學

回音的幅度以及非線性回音部份。設計者可透過諮詢相關設計公

司獲得協助。TI的套件中包含聲學設計指南，對聲學設計的要點

提出了建議。設計要點包括：盡可能增大喇叭到麥克風的距離；

麥克風和喇叭在模具中應該有聲學隔離；麥克風應用較軟的海綿

包住，然後固定到話機上，以減少從模具上傳遞過來的震動；話

機在接觸桌面的部份使用減震的墊腳以減少震動；選擇頻譜特性

良好的喇叭和麥克風等。

圖3：在網路封包丟失較高時使用主動干預仍可獲得

較好的語音品質。

其次，聲學回音處理模組應能良好地去除壓制聲學回音，且能正

確處理兩端通話(double-talk)和不損害背景噪音連續性。TI的聲學回音抑制模組利用快速傅立葉變換，使用基於頻域的演算法，

能快速收斂預測參數，有效檢測兩端對話。採用多級雙向非線性演算法，並在非線性演算法工作時利用頻譜特徵補償背景噪音。

即時語音監控方案PIQUA

VoIP的一大難題是IP網路的不確定性，而VoIP系統的語音品質很大程度上倚賴於網路品質的好壞。網路管理員需要一種能即

時監控VoIP品質，主動干預網路配置和VoIP的設置。

PIQUA是TI的即時語音監控方案，它根據複雜的演算法估算出用戶對VoIP系統語音品質的主觀感覺並即時上報，同時還提供

重要的網路統計資訊。上層軟體和網路管理員可根據即時語音品質及統計資訊對系統配置進行干預。例如，當某段時間網路

的封包等失率較大，導致語音品質下降之際，系統管理軟體可根據PIQUA的資訊，配置不同等級的冗餘或前向糾錯來保證語

音品質。同時網路管理員也能根據PIQUA的記錄瞭解整個網路狀況，找到封包丟失率較高的原因，調整路由表或網路頻寬分

配，主動維護整個語音網路的品質。

作者：陳煒

資深技術應用工程師

德州儀器公司

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