VoIP培训教材

封面VoIP培训资料概述一、什么是VoIP？VoIP即VoiceOverIP,而FoIP即FaxOverIP。这里所述的VoIP技术包括在IP网上进行语音通信和传真。广义的VoIP技术，也包括V2oIP等，可在IP网上进行多媒体通信(音频、视频、数据)。二、VoIP的发展VoIP技术是电信业务和技术发展的产物电话业务为主导－－数据业务为主导：在电话业务为主导的时代，数据业务随着话音业务走，比如大家熟悉的Modem拨号上网，ISDN等等；而在数据业务为主导的时代，话音业务仍是基本业务，这个时候是话音业务随数据业务走，在此背景下，各国大力投资扩建IP网络，增加网络带宽，随着网络建设的大力发展，各种业务，比如VoIP就发展起来了。概述20世纪90年代后期，随着IP技术的迅速发展，人们开始研究IP在通信领域的作用，提出以IP作为未来通信网统一传送平台的设想。标志性应用就是IP电话，即VoIP。国际上研究IP多媒体网络技术的有两大体系：ITU-T和IETF。此外还有RFC论坛也发展了许多IP通信的协议。ITU-T推出的H323V2标准成为了IP电话的重要标准，推动了IP实时通信的进展。H323标准中，所有的互通功能都由网关来实现，而且随着应用的扩展，网关的功能要求越来越高，这样会使网关变得越来越复杂，成本也越来越高，而其电信级可靠性也得不到保证。为了使IP电话能在公众网上运行，人们提出了分离网关的概念。这就是我们所说的MGCP协议。后来ITU-T和IETF合作研究，推出了H248协议，制定了统一的控制协议标准。概述IETF利用已经有的IP网络协议，也提出了在IP网络上实现多媒体业务的解决方案，即SIP协议。与H323相比，两者都各有所长。两个协议体系中使用的媒体流传输协议及媒体处理是一致的。本文所讲述的VoIP技术，主要是指媒体处理方面，主要涉及语音和传真两方面。其他诸如H323、SIP、MGCP、H248的知识将请相关专家给我们培训。概述三、VoIP技术的应用VoIP技术广泛应用于软交换，小交换机，接入网关，中继网关，IP电话，视频会议等中。以我公司的SoftUP为例，VoIP的应用情况为：TCG的情况：PCM交换E1PPC860PPVM语音处理与包处理模块VoIP处理模块控制管理模块转发模块二层转发LSWIP数据流PCM数据流E1E1接口概述AG的应用情况：PCM交换语音处理模块VoIP处理模块转发模块LSWIP数据流PCM数据流模拟接口PPC860SLICCodecSLICCodecSLICCodec......以上为VoIP技术的两种典型的应用，VoIP处理模块主要完成语音和传真数据在分组交换和电路交换之间的转换。下面将分VoIP和FoIP两部分来详细的描述一下VoIP技术。VoIP技术一、VoIP综述二、VoIP的关键技术VoIP技术——VoIP综述VoIP的典型应用在于IP侧和PSTN侧之间的媒体网关中，下图为VoIP的典型层次图：TDM接口G.168G.7xxT.30V.27,V.29,V.17，V21RTP/T38/UDPIP接口在CPU或FPGA中实现在DSP中实现VoIP技术——VoIP综述VoIP的关键部件是DSP，以下为一款典型的DSP的功能模块：VoIP技术——VoIP的关键技术一、语音压缩编码技术二、静音压缩技术三、话音丢包补偿技术四、回声抵消技术五、话音实时传输控制VoIP技术——VoIP的关键技术一、语音压缩编解码技术语音编码算法要考虑的三个问题：编码比特率、话音质量和算法复杂度。常用的算法为：G711A/U律，属于波形编码，比特律为64Kbit/s，一般来说这类编码最低比特率为32Kbit/s，采用差分编码可达16Kbit/s，如G726。此类算法还包括G722等。G723.1(5.3kbit/s或6.3kbit/s)、G728(16Kbit/s)、G729A(8Kbit/s),属于参数编码，采用声码器技术(VoCoder),通过模拟人的发生器官，提取模型参数来降低话音信息编码率。语音压缩编码的最新发展是变速率(VBR)话音编码技术,目前主要应用在于无线领域中.目前两种方式:信源控制多模变速率编码和分层编码.VoIP技术——VoIP的关键技术二、静音压缩技术即VAD/CNG技术，在电话通讯中，每一方说话的时间和听对方说话的时间大体上各占一半，即使说话也有停顿间隙，这样话音活动度大约只有40％。在电路交换中，就要固定占用64Kbit/s的带宽，而分组交换在不说话时不发包，就可以节省了大量的网络带宽，这就体现了分组交换的优势。实现静音压缩，有两个关键技术，就是VAD和CNG。VAD为静音检测，即判断话音信号能量，当低于一定门限时就认为时静默状态。实现VAD有两个技术难点：1、如何在噪音大的环境下检测静音。2、剪音问题，从静默到说话之间，需要一段时间和门限来判断，此时开始说话的微弱话音就会被丢弃，这个时候静默和话音突发之间需要一个平滑过渡。VoIP技术——VoIP的关键技术通话中听者会因为听不到对方任何动静而感到不舒服，甚至认为对方已经挂机。CNG，就是在对方不说话的时候，给听者采用某种方式重构舒适的背景音。VAD如果检测到话音，则以正常的编码发送出去；如果检测到静音，则通过SID(静音指示)通知对方，或者干脆不发包。CNG根据SID来重构舒适的背景音的时候，必须保持解码器和编码器之间的同步，有音段和无音段的平滑过渡。目前VoIP产品中，实现静音压缩存在一些难度，原因是在各种编码类型，不同的打包时长中，分组数据中SID和语音包的打包形式没有统一，各个芯片厂家的组合和内容都不一样。三、话音丢包补偿技术VoIP是在IP网络上使用UDP进行语音数据的传输，IP网络上不可避免的会出现丢包。在G711等采样编码中，打包时长为20ms，这时候如果网络状况不是很差，不出现大量连续丢包的情况，对话音质量的影响不是很大。对于参数编码，由于都是采用线性预测的编码方式，可以通过内差的方法得到丢包分组的近似估计值。但是连续丢包两个以上的话，将比较难恢复。IP网络模型的研究表明，如果连续丢包超过2个的话，此时网络连接状态很差，将有一大堆分组丢失，此时话音丢包补偿也就无能为力了。VoIP技术——VoIP的关键技术目前，我们公司应用的网络环境大多数情况下是比较好的，出现大量的丢包现象，问题往往发生在我们设备自身问题上，目前正在集中人力解决。VoIP技术——VoIP的关键技术四、回声抵消技术(EC)回声有两种：声学回声和线路回声，这里主要讨论线路回声。线路回声是由于二/四线转化时混合线圈的不匹配引起的。由于混合线圈的不平衡造成电流泄漏，一部分能量被反射回信号源，形成了回身。回声与通信双方的时延和线圈的衰减有关。通常假设线圈的衰减大于或等于6db。线路回声消除主要是基于预测滤波器来实现的，该滤波器能根据参考信号，预测出接收信号的回声，并将回声从信号中扣除，从而获得“干净”的信号。下面将简单的描述一下回声消除的原理：VoIP技术——VoIP的关键技术VoIP技术——VoIP的关键技术电话A电话B混合线圈混合线圈LECy(n)e(n)r_est(n)s(n)=r(n)+x(n)LEC：回声抵消器，是一个典型的横向滤波器y(n)：远端语音，滤波器的参考输入s(n)：近端语音，滤波器的输入信号r(n)：参考信号的回波x(n)：来自电话B的近端语音信号r_est(n)：滤波器输出的估计的回声e(n)：误差信号，在x(n)=0的时候，e(n)=s(n)-r_est(n),e(n)再反馈回LEC并且自适应校正横向滤波器的抽头系数，使得实际回声和估计回声之间的误差最小。VoIP技术——VoIP的关键技术下面为回声消除的一些公式推导：(0)已经证明，如果LEC的系数a(k)按照公式(1)自适应变化的话，其均方差最小。ak(i+1)=ak(i)+2ß[e(i)y(i-k)](1)实际应用中，式(1)采用M个抽样的短时平均代替，即：(2)M=1,就是式(1)，即最小的均方LMS算法；M1,即块更新算法，如公式(3):)()(10)(_kiyiNkkaiechoestimated10)()(/2)()1(MmkkkmiymieMiaia10)()(/2)()1(MmkkkmMiymMieMiaMiaVoIP技术——VoIP的关键技术在以上的推导中，B决定了自适应滤波器的收敛性能，B越大，收敛加快，但过大会发散。B越小，收敛误差越小。另一个影响收敛的因素是输入信号的能量，对于低能量信号而言，算法收敛速度将变缓。因此，可以将步长B自适应变化，使其能够反映输入信号的变化，如以上的推导都是没有近端语音输入的情况，当产生近端的语音是，以上自适应算法将失去作用。所以，必须引入近端语音检测，一旦检测到输入信号存在近端语音，马上冻结抽头系数的更新。常用的算法是Geigel算法，如满足以下公式，则认为检测到进端语音：)(/)(2iPiy|))(||,...,)1(||,)(max(||)(|NiyiyiyisVoIP技术——VoIP的关键技术为了保证LEC在无远端话音时稳定工作，不至于因为得不到足够大的远端话音激励而迅速发散，也需要对远端的话音进行检测，当远端信号小于截止门限时，冻结LEC滤波器抽头系数的更新。当回声路径较短，时延较小时，通话人很难区分存在话音中的回声，这个时候回声的影响不大；当回声路径变长，时延较大时，回声的干搅就很明显。在不同的应用场合，对回声抵消的要求不一样：接入网关需要EC能消除的延时16ms－32ms就够了，而中继网关往往需要EC能消除的延时大于64ms，甚至128ms。EC消除的EC时延越大，算法复杂度就越高，需要的内存也越大。VoIP技术——VoIP的关键技术五、话音实时传输控制RTP/RTCP,实时传输/控制协议，在VoIP中是语音实时传输的协议。为了保证实时性，RTP分组是通过UDP进行传输的。由于分组交换电路的特性，语音分组在IP网络上传输的时候，在不同的网络状况下，存在延时、抖动、乱序、丢包如果不进行相应的处理，将会严重的影响话音质量。RTP的在VoIP中的作用为：1、消除抖动，由于网络的阻塞，引起转发数据的突发性，导致每个分组到达目的地的时间不相同，这就是我们所说的抖动，我们需要使用一个缓冲区来保证分组能均匀的送给解码器进行解码，就是我们通常所说的JITTERBUFFER。Jitterbuffer越大，能消除的抖动就越大，但带来的时延也越大。VoIP技术——VoIP的关键技术2、排序，由于分组可能经过不同的路由到达目的地，这就可能存在乱序的情况，先发出来的分组可能后到。我们就必须利用RTP头的序号来对RTP分组进行排序，以便解码器对语音分组进行正确的解码。3、丢包，这是一种比较严重的情况，有的人利用RTP包冗余来防止丢包，但是本人认为这不是一个好办法，因为这将占用很大的带宽，而且随着冗余包数的增加，将会占用更大的带宽。本来发生丢包的情况，网络状况就差，此时又采用这么大的带宽，势必会更差。目前，RTP采取的方式为通过丢包指示(BFI)告诉解码器，解码器利用内差的方法来产生近似的数据来消除丢包影响。4、在一定场合下可以传输的DTMF信号，信号音和信令，具体办法详见RFC2833文档。VoIP技术——VoIP的关键技术RTP包头内容如下图：VoIP技术——VoIP的关键技术包头各项内容为：1、V：协议版本号，目前为22、P：填充指示位，加密时候要求数据块大小固定3、X：扩展位4、CSRCCOUNT：CSRC数目，只用于混合器5、M：话音突发标志，M=1表明静默后的第一个语音帧6、payloadtype:载荷类型，G711A－8，G711u－0，G729－187、SequenceNumber：RTP序号8、TimeStamp：RTP时戳9、SSRC：源端标志符VoIP技术——VoIP的关键技术RTCP协议，实时传输控制协议，由SR，RR，SDES，BYE等类型的