IP電話實(shí)時(shí)通信的實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)

0 網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目 IP 電話網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 專(zhuān) 業(yè) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí) 0312404 姓 名 孫慧華 高志杰 學(xué) 號(hào) 031240420 031240306 指導(dǎo)老師 賀 剛 2017 年年 6 月月 6 日日 1 目 錄 第一章引言 3 1 1 課題背景及意義 3 1 2 課題研究現(xiàn)狀 3 1 3 研究?jī)?nèi)容 4 1 4 論文組織方式 5 第二章需求分析 6 2 1 功能需求 6 2 2 性能要求 7 第三章概要設(shè)計(jì) 8 3 1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3 2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 第四章詳細(xì)設(shè)計(jì) 11 4 1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì) 11 4 1 1 音頻輸入輸出的實(shí)現(xiàn) 14 4 1 2 數(shù)據(jù)的壓縮與排序 16 4 1 3 傳送和接收 17 4 2 用戶界面設(shè)計(jì) 18 第五章測(cè)試及實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析 19 總結(jié)及展望 20 2 第一章第一章引言引言 1 11 1 課題背景及意義課題背景及意義 IP Internet Protocol 電話是一種數(shù)字電話 是技術(shù)創(chuàng)新的一種通信服 務(wù)業(yè)務(wù) 它把語(yǔ)音 壓縮編碼 打包分組 分配路由 存儲(chǔ)交換 解包解壓等 交換處理在IP網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信 它促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)資源利用 降低語(yǔ)音 業(yè)務(wù)成本 因此在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展 IP電話的產(chǎn)生Internet商業(yè)化以后 在全世界 特別是發(fā)達(dá)國(guó)家迅速發(fā)展 起來(lái) 在一些國(guó)家 如美國(guó) 本地電話Internet接入采用包月制 不限時(shí)限量 因此Internet是近乎免費(fèi)的 Free 的 人們都希望能通過(guò)這近乎免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行傳統(tǒng)的電話和傳真服務(wù) 1995年2月以色列VocalTec公司研制出可以通過(guò) Internet網(wǎng)打長(zhǎng)途電話的軟件產(chǎn)品 Internet Phone 用戶只要在多媒體PC機(jī)上安裝該軟件 就可以通過(guò)Internet網(wǎng)和任何地方 安裝同樣軟件的聯(lián)機(jī)用戶進(jìn)行通話 這項(xiàng)技術(shù)上的突破引起全世界的矚目 其 背后的無(wú)限商機(jī)也使許多公司進(jìn)行此項(xiàng)技術(shù)的研究 從而使IP電話技術(shù)得到迅 速發(fā)展 人們把這種在Internet上實(shí)現(xiàn)電話業(yè)務(wù)稱為Internet電話 應(yīng)該說(shuō)是 IP電話的雛形 經(jīng)過(guò)五年的發(fā)展 IP電話成為信息技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的一項(xiàng)新型電話業(yè)務(wù)在全 世界開(kāi)展 并對(duì)傳統(tǒng)電話業(yè)務(wù)形成越來(lái)越大的威脅 IP電話從當(dāng)初的PC到PC發(fā) 展到今天的PC到PC PC電話 電話到電話等多種業(yè)務(wù)形式 但不論是現(xiàn)在還是 將來(lái) IP電話可以說(shuō)是當(dāng)今世界上發(fā)展最快 普及最快的一門(mén)應(yīng)用服務(wù)技術(shù)之 一 也是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一 1 21 2 課題研究課題研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀 H 323是IP電話所遵循的標(biāo)準(zhǔn) 而H 323標(biāo)準(zhǔn)首選語(yǔ)音編碼器是ITU T G 729 A ITU T G 729 A標(biāo)準(zhǔn)采用一種稱為 共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè) Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction CS 3 ACELP 算法來(lái)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行編碼 在開(kāi)始編碼之前 先要對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行電話帶濾波 然后以8kHz頻 率對(duì)其進(jìn)行采樣 再將其轉(zhuǎn)換為16位線性PCM碼 作為編碼器的輸入 編碼器處 理語(yǔ)音的單位是幀 1幀為10毫秒語(yǔ)音 包括80個(gè)聲音樣本 采樣頻率為8kHz 編碼器對(duì)每一幀語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析 抽取出其中的CPLD模型的參數(shù) 線性預(yù)測(cè) 濾器參數(shù) 自適應(yīng)和固定碼本索引和增益 對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行編碼和傳送 但是該編碼器算法復(fù)雜 一幀語(yǔ)音處理延遲較大 很大程度上影響了IP電話網(wǎng) 關(guān)處理密度 1 31 3 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái) 以 Internet 為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn) 促進(jìn)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用 而針對(duì) G 729 的研究和優(yōu)化一 直從未停息 例如 為了提高 IP 電話網(wǎng)關(guān)的處理密度 在實(shí)現(xiàn) ITU T G 729 A 語(yǔ)音編解 碼器時(shí) 采用了目前性能最好的 DSP 即 TMS320C6201 針對(duì) TMS320C6201 并行 性和流水等特點(diǎn) 歸納出了一系列減少編解碼器處理延遲的優(yōu)化方法 本文是基于 G 729 A 協(xié)議 采用 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信 并未針對(duì) G 729 A 協(xié)議進(jìn)行有話改進(jìn) 因?yàn)楸救思夹g(shù) 只是領(lǐng)域達(dá)不到那么高的層次 在結(jié)果中 會(huì)對(duì)本人基于 G 729 A 實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)通信和從網(wǎng)絡(luò)上找到的基于 TMS 1 41 4 論文組織方式論文組織方式 首先 本論文從目前 IP 電話的產(chǎn)生開(kāi)始 詳細(xì)研究了本課題的背景以及意義 由 于目前我國(guó)的通信分別掌控的移動(dòng) 聯(lián)通 電信三大巨頭手中 而通信費(fèi)用一直是國(guó)人所 普遍關(guān)注的話題 雖然目前位置 通信費(fèi)用有所改善 但依舊是一個(gè)令人無(wú)奈的地方 所 以本人想就這個(gè)現(xiàn)狀 深入了解 IP 電話的實(shí)現(xiàn)原理 實(shí)現(xiàn)機(jī)制 能夠在未來(lái)開(kāi)發(fā)屬于自己 的網(wǎng)絡(luò)電話 做到真正的零費(fèi)用 其次 在對(duì)本論文的背景有所了解的情況下 對(duì)本課題所必須的 ITU T G 729 A 編解碼器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹 主要是 G 729 A 協(xié)議編解碼算法介紹 G 729 A 編 4 解碼器的實(shí)現(xiàn) 最后 在對(duì)所必須得基礎(chǔ)知識(shí)有所了解的情況下 按照各模塊的功能 分別詳細(xì) 介紹了各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程 5 第二章第二章需求分析需求分析 2 12 1 功能需求功能需求 隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的普及 越來(lái)越多的人開(kāi)始使用網(wǎng)絡(luò)這個(gè)媒介來(lái) 發(fā)送 接收信息 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)給人們生產(chǎn)和生活帶來(lái)了巨大的便利 網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音 通信 IP 電話應(yīng)運(yùn)而生 主要分為三種 電話到電話 PC 到電話 PC 到 PC 本 功能選取 PC 到電話為實(shí)現(xiàn)方案 即 實(shí)現(xiàn) PC 到電話的網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音通信 系統(tǒng)用例圖 能夠?qū)崿F(xiàn)公用交換電話網(wǎng)絡(luò) PSIN 中的普通電話相互通話 需要網(wǎng)絡(luò)環(huán) 境配合 或與其他的兼容 IP 電話或應(yīng)用程序通信 2 22 2 性能要求性能要求 1 撥打電話 要求用話機(jī)撥打電話 用下列任意一種方式呼叫 提起話筒或按免提鍵 撥號(hào)盤(pán)上直接呼出 6 按電話簿鍵選擇號(hào)碼呼出 按 Redial 鍵選擇呼出最近一次已撥打號(hào)碼呼出 2 接聽(tīng)電話 響鈴 顯示號(hào)碼或者 IP 地址 提起話筒或者免提鍵接聽(tīng) 可以拒絕接聽(tīng) 3 靜音或者保留 通話過(guò)程中按相應(yīng)鍵 7 第三章第三章概要設(shè)計(jì)概要設(shè)計(jì) 3 13 1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一個(gè)成功 IP 電話的實(shí)現(xiàn)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程 我只針對(duì) G 729 實(shí)現(xiàn)通信 其主 要的體系結(jié)構(gòu)如下圖 其中用了一個(gè) tcp 連接 表示雙方連通沒(méi)有 用 udp 發(fā)送語(yǔ)音數(shù)據(jù) 發(fā)送端表明了發(fā) 送順序 接收端重排了順序 3 23 2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 TCP包結(jié)構(gòu) TCP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的協(xié)議 許多的應(yīng)用層協(xié)議都是在建立在 TCP協(xié)議之上的 TCP首部的各字段如圖4 2所示 4 8 圖圖 4 4 2 2 TCPTCP 數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)在 IPIP 數(shù)據(jù)報(bào)中的封裝數(shù)據(jù)報(bào)中的封裝 TCP協(xié)議頭部信息如下 1 源端口 發(fā)送端TCP端口號(hào) 2 目的端口 接收端TCP端口號(hào) 3 序號(hào) 指出段中數(shù)據(jù)在發(fā)送端數(shù)據(jù)流中的位置 4 確認(rèn)號(hào) 指出本機(jī)希望下一個(gè)接收的字節(jié)的序號(hào) 5 頭標(biāo)長(zhǎng)度 以32bit為單位的段頭標(biāo)長(zhǎng)度 是針對(duì)變長(zhǎng)的 選項(xiàng) 域 設(shè)計(jì)的 6 碼位 指出段的目的與內(nèi)容 不同的各碼位置位有不同的含義 7 窗口 用于通告接收端接收緩沖區(qū)的大小 8 校驗(yàn)和 這是可選域 置0表示未選 全1表示校驗(yàn)和為伍 9 緊急指針 當(dāng)碼位的URG置位時(shí) 指出緊急指針的序號(hào) 2 UDP 包結(jié)構(gòu) UDP協(xié)議是英文User Datagram Protocol的縮寫(xiě) 即用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 主要 用來(lái)支持那些需要在計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 包括網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng) 在內(nèi)的眾多的客戶 服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都需要使用UDP協(xié)議 UDP協(xié)議從問(wèn)世 至今已經(jīng)被使用了很多年 雖然其最初的光彩已經(jīng)被一些類(lèi)似協(xié)議所掩蓋 但 是即使是在今天 UDP仍然不失為一項(xiàng)非常實(shí)用和可行的網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議 UDP 數(shù)據(jù)報(bào)各域的意義與TCP段中相應(yīng)的域相同 只有校驗(yàn)和有些不同 除UDP數(shù)據(jù) 報(bào)本身外 它還覆蓋一個(gè)附加的 偽頭標(biāo) 這個(gè)偽頭標(biāo)來(lái)自于IP報(bào)頭 包括 源IP地址 信宿IP地址 協(xié)議類(lèi)型 UDP長(zhǎng)度及填充域 UDP首部的各字段圖4 3 所示 9 圖圖 4 34 3 UDPUDP 首部首部 UDP協(xié)議頭部信息如下 1 源端口 發(fā)送端UDP端口號(hào) 2 目的端口 接收端UDP端口號(hào) 3 頭標(biāo)校驗(yàn)和 用于保證頭標(biāo)數(shù)據(jù)的完整性 10 第四章第四章詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì) 4 14 1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì) 通過(guò)前面的敘述可以知道 這款軟件唯一的功能就是基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通 信 本系統(tǒng)包括三個(gè)基本模塊 音頻的輸入輸出 接收與發(fā)送 數(shù)據(jù)壓縮與排 序 而這三個(gè)模塊整合起來(lái)就是網(wǎng)關(guān) 網(wǎng)關(guān)是通過(guò) IP 網(wǎng)絡(luò)提供 PC to Phone Phone to PC Phone to Phone 語(yǔ) 音通信的關(guān)鍵設(shè)備 是 IP 網(wǎng)絡(luò)和 PSTN ISDN PBX 網(wǎng)絡(luò)之間的接口設(shè)備 應(yīng)具 有下列功能 a 具有 IP 網(wǎng)絡(luò)接口和與 PSTN ISDN PBX 交換機(jī)互聯(lián)的接口 b 完成實(shí)時(shí)語(yǔ)音壓縮 將 64kbit s 的語(yǔ)音信號(hào)壓縮成低碼率語(yǔ)音信號(hào) c 完成尋址和呼叫控制 下面我給出借口的部分代碼 連接和啟動(dòng)的借口 11 4 1 14 1 1 音頻輸入輸出的實(shí)現(xiàn)音頻輸入輸出的實(shí)現(xiàn) 下面給出其主要過(guò)程 音頻的輸入 描述 封裝 wavein api 只使用了 pcm 方式 只使用 函數(shù)回調(diào)方式 所有的設(shè)置屬性的函數(shù)只應(yīng)在錄音前使用 否者會(huì)在下次錄音時(shí)才生效 應(yīng)該重載 virtual void GetData char pBuffer int iLen 注意 對(duì)于 StartRecord 中的 PerPareBuffer OpenRecord 是乎應(yīng)該同時(shí)調(diào)用 12 要么就都不調(diào)用 其原因好象是 waveInAddBuffer 之后必須 使用 saveInStart 否則好象不能關(guān)閉設(shè)備 SIZE AUDIO FRAME 是 160 倍數(shù) SIZE AUDIO PACKED 是 對(duì)應(yīng)的輸出 為 SIZE AUDIO FRAME 160 10 關(guān)閉的時(shí)候注意 在 closerecord 后有可能線程中還有數(shù)據(jù)到來(lái) 導(dǎo)致關(guān) 閉不正確 所以關(guān)閉的時(shí)候 sleep 1000 詳細(xì)原因我也不太清楚 依賴性 Winmm lib 主要代碼中的方法 如線程創(chuàng)建 音頻的輸出 描述 13 封裝 waveout api 只使用了 pcm 方式 注意 PLAY DELAY 10 播放時(shí)候的延遲 大于它 說(shuō)明有 PLAY DELAY 個(gè)包沒(méi)有 播放完成 后面的包不應(yīng)再播放 依賴性 Winmm lib 主要代碼中的方法 如線程創(chuàng)建 4 4 1 2 1 2 數(shù)據(jù)的壓縮與排序數(shù)據(jù)的壓縮與排序 依據(jù)流程圖我們可知 在數(shù)據(jù)壓縮之后會(huì)有發(fā)送 經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)化后另一 方接收 最后是排序 這里我把壓縮和排序放在一起 14 音頻壓縮 部分代碼 排序數(shù)據(jù) 部分代碼 15 4 1 34 1 3 傳送和接收傳送和接收 1 音頻的傳送 在壓縮之后進(jìn)入發(fā)送接收 發(fā)送的客服端 部分代碼 16 17 4 24 2 用戶界面設(shè)計(jì)用戶界面設(shè)計(jì) 用戶界面第一行為對(duì)方 IP 地址 發(fā)送按鈕 第二行連接按鈕 斷開(kāi)按鈕 接收按鈕 第三行為信息提示 如圖所示 18 第五章第五章測(cè)試及實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析測(cè)試及實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析 采用二種測(cè)試工具對(duì) G 729 A 編解碼器的處理延遲作了測(cè)試 第一種測(cè)試 工具是 C6X Simulator TMS320C6201 的仿真軟件 測(cè)試條件是假設(shè)所有代碼裝 在 TMS320C6201 片同的程序存儲(chǔ)器中 因此 稱之為 Non cache 測(cè)試模式 另 外一種測(cè)試方式是采用 TI 公司的 C6X 的 EVM 卡 評(píng)估卡 測(cè)試條件是將 TMS320C6201 片內(nèi) 64KB RAM 作為 Cache 使用 因此稱之為 cache 模式 二種測(cè) 試模式的測(cè)試結(jié)果如下所示 測(cè)試項(xiàng)目 C6 仿真器 非緩沖模式 C6 評(píng)估板 非緩沖模式 編碼 每幀 86720 cycles91650 cycles 解碼 每幀 34120 cycles37310 cycles 從表可以看出 如果 TMS320C6201 工作在頻率為 200MHz 即每 Cycles 的 周期為 0 5 毫秒 可以算出 G 729 A 編碼一幀 30 毫秒 的延遲時(shí)間是 0 43 0 46 毫秒 因此說(shuō) 單片 TMS320C6201 可以同時(shí)處理大約 20 路 G 729 A 編碼 當(dāng)前國(guó)際最高水平是 22 路 而且 編解碼的結(jié)果都嚴(yán)格地通過(guò)了 G 729 A 提供的測(cè)試矢量的測(cè)試 實(shí)際播放音質(zhì)也很好 ITU T G 729 A 語(yǔ)音信號(hào)壓縮編解碼技術(shù)集成了眾多低速率語(yǔ)音編解碼的 優(yōu)點(diǎn) 大大提高了低速率編解碼的語(yǔ)音質(zhì)量 但算法較復(fù)雜 而 TMS320C6201 DSP 是目前最快的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器 如果在編寫(xiě)程序時(shí) 能充分利用上述 關(guān)鍵技術(shù) 就可以充分發(fā)揮 TMS320C6201 的功能 大大減少 G 729 A 編解碼的 處理延遲 并能保持良好的語(yǔ)音品質(zhì) 將該編解碼應(yīng)用在該 IP 電話網(wǎng)關(guān)中 在 很大程度上提高了 IP 電話網(wǎng)關(guān)處理密度 改善了 IP 電話網(wǎng)關(guān)的性能