IP電話機(jī)的基本原理八百通智能來解答

一、IP電話機(jī)基本原理：

通過語音壓縮算法對語音信號進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打包，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包發(fā)送到接收地；接收端把這些語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓縮處理后恢復(fù)成原來的語音信號，從而達(dá)到由互聯(lián)網(wǎng)傳送語音的目的。

二、IP電話機(jī)工作流程：

（1） 語音的數(shù)字化

　　這是IP電話機(jī)的第一步工作，如果用戶使用的是計(jì)算機(jī)，那么數(shù)字化就在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行了；如果用戶使用的是模擬電話，那么通過接入網(wǎng)絡(luò)將語音傳到交換設(shè)備上，然后在利用PCM之類的設(shè)備來對語音進(jìn)行數(shù)字化。

　?。?） 數(shù)據(jù)壓縮

　　數(shù)據(jù)壓縮是用來排除沒用的信號，并對數(shù)字化后面的語音信號進(jìn)行壓縮（如果使用的是ISDN終端，通過ISDN作為接入，工作過程就從這一步開始）。這一步又分兩個階段：a 系統(tǒng)分析數(shù)字化后的信號，判斷信號里包含的是語音、噪音還是語音空隙，然后丟掉噪音和語音空隙信號，這要求系統(tǒng)具有判斷語音、噪音和語音空隙信號的能力， 并將噪音和語音空隙信號丟掉而將語音發(fā)送出去。b 用復(fù)雜的算法將去掉沒有信號后的語音數(shù)字信號進(jìn)行壓縮，CODEC（編解碼器）是這一過程的關(guān)鍵部件。

　?。?） 數(shù)據(jù)打包

　　信號（也可稱之為數(shù)據(jù)）被壓縮后，就需要對它進(jìn)行打包，加進(jìn)一些協(xié)議信息。在收集語音數(shù)據(jù)的處理過程中需要一些存儲時間（也稱時間延遲），因?yàn)閷⒄Z音數(shù)據(jù)發(fā)送到IP網(wǎng)絡(luò)之前必須先收到一定數(shù)量的語音數(shù)據(jù)。在對信號進(jìn)行編碼及壓縮過程中，也需要一定的時間來對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，從而也產(chǎn)生了一定的時間延遲。協(xié)議信息被加入包中是為了更好地保障完成數(shù)據(jù)的傳輸過程。例如，每個包需要包含一個目的地的地址信息，一個以防各個包不按序到達(dá)目的地而加上的包的順序號，，以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)信息。由于IP協(xié)議是為各種不同的網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)而設(shè)計(jì)的，與專用網(wǎng)相比它含有許多復(fù)雜的處理過程，它要求將一個包封裝到另外一個包中，而且數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中還要經(jīng)過再打包、重尋址和重新封裝等過程。

　?。?） 解包及解壓縮

　　當(dāng)每個包到達(dá)目的地主機(jī)（網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器或用戶計(jì)算機(jī)終端）時，要檢查該包的序號并將其放到正確的位置，然后用一個解壓縮算法來盡量恢復(fù)原始信號數(shù)據(jù)，這時通過利用時鐘同步及時延處理技術(shù)來填充由發(fā)送端處理過程中而導(dǎo)致的空缺。由于各個包在傳輸過程中經(jīng)過了不同的路由，所以它們到達(dá)目的地的順序有很大差別，因此接收端要將先達(dá)到的包放到抖動存儲器里一段時間以后等待后達(dá)到的包，等待時間的長短要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況而定。

　?。?） 語音恢復(fù)

　　目前，IP電話機(jī)主要應(yīng)用于Internet上，是Internet上的一個增值業(yè)務(wù)。由于Internet是一個開放的網(wǎng)絡(luò)，再者由于它的帶寬還不夠?qū)挘绕湓诰W(wǎng)絡(luò)惡化的情況下，在傳輸過程中很大一部分包會被丟失或被延遲傳送，這些丟棄、延遲和被破壞的包是導(dǎo)致語音質(zhì)量下降的根本原因。按Internet傳統(tǒng)糾錯機(jī)制，接收端如果收到錯誤的數(shù)據(jù)包就將其丟棄并請求重傳，因此用戶最終收到的數(shù)據(jù)跟原始發(fā)送的數(shù)據(jù)是完全一樣的。由于IP電話機(jī)業(yè)務(wù)是一種對時間敏感的業(yè)務(wù)，即實(shí)時行業(yè)務(wù)，不能使用重傳機(jī)制，需要專用的檢錯和糾錯機(jī)制來再造聲音和填補(bǔ)空隙，這就需要接收端存儲接收到的一定數(shù)量的語音數(shù)據(jù)，然后使用一種復(fù)雜的算法來"猜測"丟失包的內(nèi)容，產(chǎn)生新的語音信息，從而提高了通信的質(zhì)量。因此，接收端聽到的語音并不與發(fā)送端講的語音完全一樣，其中一部分信息是由IP電話機(jī)系統(tǒng)"再造"的 。

三、IP電話機(jī)系統(tǒng)有四個基本組件：

終端設(shè)備（Terminal）、網(wǎng)關(guān)（Gateway）、多點(diǎn)接入控制單元MCU（Multipoint Control Unit）和網(wǎng)閘（Gatekeeper）。

（1） 終端設(shè)備是一個IP電話機(jī)客戶終端，可以是軟件（如VocalTec公司的IP Phone、Microsoft公司的Netmeeting）或是硬件（如專用的Internet Phone），可以直接連接在IP網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)時的語音或多煤體通信。

　　（2） 網(wǎng)關(guān)是通過IP網(wǎng)絡(luò)提供PC-to-Phone、Phone-to-PC、Phone-to-Phone語音通信的關(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)時語音壓縮，將64kbit/s的語音信號壓縮成低碼率語音信號；

　　          c 完成尋址和呼叫控制。

　　（3） 網(wǎng)閘負(fù)責(zé)用戶注冊和管理，主要完成以下功能：

　　          a 地址映射：將電話網(wǎng)的E.165地址映射成相應(yīng)網(wǎng)關(guān)的IP地址；

　　          b 呼叫認(rèn)證和管理：對接入用戶的身份進(jìn)行認(rèn)證，訪止非法用戶的接入；

　          　c 呼叫記錄：使得運(yùn)營商有詳細(xì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收費(fèi)；

　　          d 區(qū)域管理：多個網(wǎng)關(guān)可以由一個網(wǎng)閘來進(jìn)行管理。

　?。?） 多點(diǎn)接入控制單元（MCU）的功能在于利用IP的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信，使得IP電話機(jī)能夠支持諸如網(wǎng)絡(luò)會議這樣一些多點(diǎn)應(yīng)用。 IP電話機(jī)采用網(wǎng)關(guān)技術(shù)，網(wǎng)關(guān)的一邊連接到傳統(tǒng)的電路交換網(wǎng)，如PSTN，可與外部的任意一臺電話機(jī)通信；網(wǎng)關(guān)的另一邊連接到包交換網(wǎng)，如Internet、Intranet、Extranet等。

　　在整個IP電話機(jī)系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)設(shè)立在世界上各個地區(qū)，完成當(dāng)?shù)仉娫捑W(wǎng)與Internet的接入與轉(zhuǎn)換處理等功能。網(wǎng)關(guān)接收到了標(biāo)準(zhǔn)電話信號以后，經(jīng)數(shù)字化、編碼、壓縮處理，按IP協(xié)議打包到Internet上，根據(jù)傳輸路由，通過Internet發(fā)送到對端網(wǎng)關(guān)；反之，網(wǎng)關(guān)接收到了Internet傳來的IP包，經(jīng)解壓處理后還原成模擬語音信號再轉(zhuǎn)到電話網(wǎng)系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)可同時接入和轉(zhuǎn)出電話語音信號，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

　　網(wǎng)關(guān)因其生產(chǎn)廠商不同而有所不同，但基本的組成模塊是一樣的，包括數(shù)據(jù)處理主機(jī)、語音模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)接續(xù)模塊和管理軟件模塊等。網(wǎng)關(guān)具有路由管理功能，它把各地區(qū)電話區(qū)號映射為相應(yīng)地區(qū)網(wǎng)關(guān)的IP地址，這些信息存放在一個數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)接續(xù)處理軟件將完成呼叫處理、數(shù)字語音打包、路由管理等功能。在用戶撥打長途電話時，網(wǎng)關(guān)根據(jù)電話區(qū)號數(shù)據(jù)庫資料，確定相應(yīng)網(wǎng)關(guān)的IP地址，并將此IP地址加入IP數(shù)據(jù)包中，同時選擇最佳路由，以減少傳輸時延，IP數(shù)據(jù)包經(jīng)Internet到達(dá)目的地的網(wǎng)關(guān)。在一些Internet尚未延伸到或未設(shè)立網(wǎng)關(guān)的地區(qū)，可設(shè)置路由，由距離最近的網(wǎng)關(guān)通過長途電話網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)接。

四、IP電話機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

眾所周知，IP電后時工作原理是先將語音信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼、壓縮和打包，然后通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸，到接收端則相應(yīng)進(jìn)行拆包、解壓、譯碼和數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而恢復(fù)出語音信號。與IP電話機(jī)通話質(zhì)量有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)可以歸納為以下7個方面。

　　 （1）語音壓縮技術(shù)。IP電話機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)是語音壓縮技術(shù)。在語音壓縮的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，1972年制定了64 kbit／s PCM（脈沖編碼調(diào)制）方式；1986年制定了32 kbit／s ADPCM（自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制）方式；1991年制定了16 kbit／s LD-CELP（低延時碼激勵線性預(yù)測）方式； 1995年11月，經(jīng)過較長時間的研究，ITU（國際電聯(lián)）批準(zhǔn)了語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)G.729，采用8 kbit／s CS-ACELP（對稱結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵線性預(yù)測）方式。目前用于IP電話機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)是G.723．1，速率為5．3／6．3kbit／s。

另外，4.8 kbit／s、2.4 kbit／s和1 kbit／s的語音壓縮技術(shù)雖有報道，但尚無國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　 （2）靜噪抑制技術(shù)。又稱語音激活技術(shù)，是指檢測到通話過程中的安靜時段即停止發(fā)送語音包的技術(shù)。大量研究表明，在一路全雙工電話交談中，只有36％～40％的信號是活動的或有效的。當(dāng)一方在講話時，另一方在聽，而且講話過程中有大量顯著的停頓。通過靜噪抑制技術(shù)，可以大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。

　　 （3）回聲抵消技術(shù)，在PBX或局用交換機(jī)側(cè)，有少量電能未被充分轉(zhuǎn)換而沿原路返回，形成回聲。如果打電話者離PBX或局用交換機(jī)不遠(yuǎn)，回聲返回很快，人耳聽不出來，但當(dāng)回聲返回時間超過10 ms時，人耳就可以聽到明顯的回聲了。為了防止回聲，一般采用回聲抵消技術(shù)。因?yàn)橐话鉏P網(wǎng)絡(luò)的延時很容易達(dá)到40～50 ms，所以回聲抵消技術(shù)對IP電話機(jī)系統(tǒng)十分重要。

　　 （4）語音抖動處理技術(shù)。IP網(wǎng)絡(luò)的一個特征就是網(wǎng)絡(luò)延時與網(wǎng)絡(luò)抖動，它們可以導(dǎo)致IP通話質(zhì)量明顯下降。網(wǎng)絡(luò)延時是指IP包在網(wǎng)絡(luò)上平均的傳輸時間，網(wǎng)絡(luò)抖動是指IP包傳輸時間的長短變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的語音延時超過200 ms時，通話雙方更傾向于采用半雙工通信。另一方面，如果網(wǎng)絡(luò)抖動較嚴(yán)重，那么有的話音包因遲到而被丟棄，會產(chǎn)生話音的斷續(xù)及部分失真，嚴(yán)重影響語音質(zhì)量。為了防止這種抖動，人們采用抖動緩沖技術(shù)，即在接收端設(shè)置一個緩沖池，語音包到達(dá)時首先進(jìn)行緩存，然后系統(tǒng)以穩(wěn)定平滑的速率將語音包從緩沖池中取出并處理，再播放給受話者。

　　 （5）語音優(yōu)先技術(shù)。語音通信對實(shí)時性要求較高，在帶寬不足的IP網(wǎng)絡(luò)中，一般需要語音優(yōu)先技術(shù)，即在IP網(wǎng)絡(luò)路由器中必須設(shè)置語音包的優(yōu)先級最高。這樣，網(wǎng)絡(luò)延時和網(wǎng)絡(luò)抖動對語音的影響均將得到明顯改善。

（6）IP包分割技術(shù)。有時網(wǎng)絡(luò)上有長數(shù)據(jù)包，一個包上千字節(jié)，這樣的長包如不加以限制，在某些情況下也會影響語音質(zhì)量。為了保證IP電話機(jī)的通話質(zhì)量，應(yīng)將IP包的大小限制為不超過2556字節(jié)。

　　 （7）前向糾錯技術(shù)。為了保證語音質(zhì)量，有些先進(jìn)的網(wǎng)關(guān)采用信道編碼以及交織等技術(shù)。IP包在傳送過程中有可能損壞或被丟失，采用前向糾錯技術(shù)可以減少傳輸過程中的錯碼積累。當(dāng)然，對丟、錯包率均較低的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，可以不必采用該技術(shù)。

五、 IP電話機(jī)的通話方式

通常，將IP電話機(jī)通話方式分為：PC到PC、PC到PHONE和PHONE到PHONE。

　　 以太網(wǎng)（Ethernet）電話是一種基于H.323協(xié)議格式的終端，它占用一個獨(dú)立的IP地址，能直接接入網(wǎng)絡(luò)。它是一種IP專用電話機(jī)，可以直接連在Internet上而完全代替PC進(jìn)行通話。由于以太網(wǎng)電話機(jī)的出現(xiàn)，IP電話機(jī)將得到更廣泛的應(yīng)用，所以，下面敘述的IP電話機(jī)的終端不再指PC，而僅指以太網(wǎng)電話機(jī)和普通電話機(jī)。

　　 利用PSTN和Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)語音通信可以有多種組合方式。①是純PSTN網(wǎng)中的話音業(yè)務(wù)，與IP電話機(jī)元關(guān)；②是純IP網(wǎng)中的話音業(yè)務(wù)，類似前述的“PC到PC”，但雙方終端均為以太網(wǎng)電話機(jī)且直接連接在Internet上；③是以太網(wǎng)電話機(jī)與普通電話機(jī)之間的通話，類似前述的“PC到PHONE”，但雙方均可以是主叫方；④是普通電話之間利用Internet傳輸進(jìn)行的通話，即前述的“PHONE到PHONE”，也是中國電信。聯(lián)通、吉通和網(wǎng)通等正式運(yùn)營的IP電話機(jī)的模式；⑤是指以太網(wǎng)電話機(jī)之間借助PSTN傳輸進(jìn)行通話，可能應(yīng)用于有PSTN連接而尚無Internet連接的兩地以太網(wǎng)電話機(jī)之間的通話，也可以是通話建鏈時先通過PSTN得到被叫方的IP地址再通過Interet進(jìn)行通話的建鏈過程。由此可見，③④⑤是混合式的IP電話機(jī)業(yè)務(wù)，通過互連功能（IWF）提供信令適配、媒介控制和媒介適配，可以保證IP和PSTN的互連互通。

必須說明的是，在Internet上的連接均是以IP地址為基礎(chǔ)的，例如上面的“方式②”，其實(shí)質(zhì)是以太網(wǎng)電話機(jī)以IP地址為電話號碼通過Internet建立起的通信。但是，人們不太習(xí)慣IP地址為電話號碼而更習(xí)慣于傳統(tǒng)的電話號碼，這是必須解決的另一問題。

　　 3 基于IP技術(shù)的PBX系統(tǒng)

　　 目前，前述的7個關(guān)鍵問題有的已經(jīng)被解決，有的正在被解決或不久的將來一定能夠被解決，使得IP電話機(jī)及基于IP技術(shù)的各種系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。東南大學(xué)移動通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從1999年開始與香港通訊科技中心合作，在香港特區(qū)政府“創(chuàng)新與科技基金”（ITF，Innovation and Technology Fund）的資助下，共同設(shè)計(jì)和研制了一種基于IP技術(shù)的新一代分布式PBX系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效解決語音與數(shù)據(jù)相互融合的需求，可以利用Internet獨(dú)立組網(wǎng)進(jìn)行語音通信和數(shù)據(jù)通信，通過系統(tǒng)管理將IP地址映射成系統(tǒng)中的電話號碼，也可以通過網(wǎng)關(guān)與PSTN網(wǎng)互連互通。該系統(tǒng)具有良好的開放性和可擴(kuò)充性，能夠滿足更廣泛的需求。

　　 我們研制的基于IP技術(shù)的PBX系統(tǒng)的框圖，主要由4部分組成：呼叫管理（CallManager）、PBX Hub、PBX網(wǎng)關(guān)（Gateway）、以太網(wǎng)（Ethernet）電話。

　　 以太網(wǎng)（Ethernet）電話占用一個獨(dú)立的IP地址，能直接接入網(wǎng)絡(luò)。它主要完成以下功能：實(shí)現(xiàn)語音信號的A／D和D／A轉(zhuǎn)換。完成對數(shù)據(jù)信號的壓縮與解縮、按照H.323協(xié)議完成對數(shù)據(jù)的打包和拆包處理以及處理相應(yīng)的控制和呼叫信令。

　　 PBX HUB實(shí)際上是一個H.323終端，占用一個IP地址。考慮到IP地址資源有限，以及兼容現(xiàn)有模擬電話，PBX HUB提供了8個模擬電話的端口分配各自獨(dú)立的ID。它比以太網(wǎng)電話多了一個與模擬電話的接口模塊，其它處理都是相同的。

　　 PBX網(wǎng)關(guān)主要完成IP網(wǎng)與PSTN網(wǎng)之間信令和協(xié)議的轉(zhuǎn)換。一個網(wǎng)關(guān)提供8個連向中心局的線路接口。其結(jié)構(gòu)除了增加向中心局的硬件接口，在軟件上還必須支持各種電話信令標(biāo)準(zhǔn)。

　　 呼叫管理器（Call Manager）類似于H.323網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)閘，實(shí)際上是一個控制中心。它除了完成網(wǎng)閘的基本功能外，還有傳統(tǒng)PBX的功能以及更多的增值功能。它是運(yùn)行在NT服務(wù)器上的一個軟件，管理著整個系統(tǒng)的資源，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、呼叫處理、用戶管理、數(shù)據(jù)庫管理、計(jì)費(fèi)管理、系統(tǒng)維護(hù)等功能，也正是通過它才能實(shí)現(xiàn)前面提到各種IP電話機(jī)通話方式。同時，它還提供了一個強(qiáng)大的語音信箱功能，以提高服務(wù)質(zhì)量，以及協(xié)調(diào)用戶操作過程。