基于IXP421的VoIP网关及其性能测评

引言

就voip设备来说，如果语言处理器的功能和其他应用功能由一个处理器来完成，必然能极大地简化电路，降低成本，intel的ixp421即是这些多功能处理器的其中一种，它的pcm接口使voip设备的硬件结构大大简化了，其可以通过选择不同微代码的方式实现更加灵活的网络应用。

intel提供的解决方案是通过软件dsp实现语音处理，并声明dsp模块可同时处理四路pcm窄带话音，支持多种语音编码及回波消除等功能，众所周知，单路单向pcm语音速率为64kbps，单路双向为128kbps，4路双向则为512kbps，如何保证语音处理所需要的cpu时间是个关键问题。

另外，回波消除或其他附加功能也会增加处理时间，在设计中还要考虑内存读写、任务切换、中断处理等系统因素造成的影响。

ixp421简介

ixp421是intel公司开发的采用xscale内核的ixp4xx系列处理器之一，主频为266mhz，ixp421采用多处理引擎和硬件多线程处理机制，它包括了一个处理器内核和两个并行网络处理引擎，其中xscale内核微处理器核心，它是以arm v5内核为原形，进行了dsp功能扩展，并优化了16位数据类型的累加和乘法运算，启动时首先初始化xscale核，然后网络处理引擎将从内存下载各自的微代码，以完成外围网络接口的链路层协议处理，它们的执行是完全并行于xscale内核的，通过内嵌的消息队列与xscale核同步，先进高速总线（ahb）实现网络处理引擎和xscale核之间的数据交换，其传输速率达到133.32mhz×32bit，完全能够满足高速网络的数据传输要求。

dsp软件模块

intel公司为ixp4xx系列处理器专门开发了dsp软件包，根据实现的不同功能，运行时的dsp模块可分为几个部分，包括网络端点、编码器、解码器、音频生成器、音频检测器、语音播放器、混音器和t.38。如果系统有四路电话，则每一路电话应该分配一个网络端点，一个音频生成器，一个音频检测器，网络端点代表每一路电话所需的tdm前端处理功能，用以实现tdm数据的收发、发送增益控制和回波消除，而音频生成器、音频检测器分别实现每一路电话的提示音及dtmf音频检测功能，另外，各路电话分享一个编码器和一个解码器，语音分流器负责控制网络端点和编解码器之间的数据流，语音播放器和混音器可多路共用，也可各路单独占用一个，具体个数由应用需求决定。

系统结构

整个系统由用户线接口、以太网接口、处理器和通信控制总线组成，如图1所示。

处理器即ixp421，它是设备运行的嵌入式操作系统及应用程序的载体，主要功能是：在通话过程中充当语音数字处理并分发语音包给特定的终端，在呼叫建立过程中处理网络协议；初始化并控制各部分硬件模块协同工作，提供用户管理界面，内存芯片容量为64mb，通过pc133内存总线连接ixp421的内存控制器。16mb的intel strata flash芯片通过扩展总线连接ixp421，时钟电路微处理器提供频率为33.33mhz参照时钟，处理器内核及其集成外围电路的时钟均由此分频得到，复位电路微处理器提供上电复位功能，即在系统加电并稳定后复位引脚，保持至少500ms的低电平。

用户线接口，以silicon laboratroies公司的si3210型接口芯片为核心，为用户提供模拟电话连接口功能，这些功能包括：用户线直流馈电，摘挂机状态检测，dtmf检测、振铃、回铃音及各种提示音、音频采样及d/a、a/d转换，以及pcm数据收发等。

以太网接口，采用intel的以太网接口芯片lxt972，其主要功能有：10baset/100base－tx自适应、自动网络协商、冲突检测、链路状态告警，通过mii总线接口，配合ixp421的以太网处理引擎（npe），实现链路层功能，承载tcp/ip协议及其他应用层网络协议。

串口，为用户提供基于串口的管理及调试功能。ixp421有两组串行输入、输出接口，分别为uart0和uart1，其中uart0是高速串行通信端口，支持的通信波特率最高达921.6kbps。uart1为console串行通信口，支持的波特率范围为1200bps－231kbps。

系统中较为重要的外部总线的作用如下：

1.hss（high speed serial）总线，连接处理器的wan/语音npe和用户线接口芯片（slic），有时钟、帧同步、输入、输出4条线，支持同步串行传输，可配置时钟频率范围为512khz－8.192mhz，本文应用作为pcm语音信号的传输总线，时钟为2mhz。即总共支持32个时隙，4路slic芯片各占一个时隙进行通信，ixp421的一个专用协处理器（voice npe）负责hss端口的总线数据收发。

2、mii（media independent interface）总线，连接处理器的以太网npe和以太网phy接口芯片lxt972，分为mii数据总线和mii管理信息总线，ixp421的网络处理引擎（npea）通过mii收发数据，网络处理引擎独立于主pcu内核工作，采用硬件多线程机制，使数据收发不占用主处理器时间，npea运行的微程序可提供对以太网phy设备的简单控制功能。

3、控制用户线接口芯片的串行外围接口spi（serial peripheral interface）以菊花链形式串接，有输入、输出、时钟、片选4根线、占用处理器的4个gpio引脚。以串行8位命令方式读写slic的内部寄存器，可以看作slic的控制总线。

性能测试

测试方法

两路电话同时通话。对端电话保持有说话声（本地解码器保持一定的繁忙程度），用测试机一直ping被测设备的以太网地址，并运行etherreal工具软件，抓取被测设备发送到对端的rtp包，计算出rtp包的时间间隔及抖动的统计值，同时观察通话语音质量，本设备和对端设备每隔5秒发送rtcp协议的发送者报告，分段丢包率是在发送者报告中给出的统计值。

测试说明

空闲时（未建立通话），被测设备处理器占用率为20％；

通话时打开回波消除，延迟环节设定为1ms延时；

关闭静音压缩；

对端voip设备采用独立的dsp芯片（mindspeed：m82510－14）；

网络环境为100base－tx以太网，传输延迟小于1ms。

测试结果

时间间隔、抖动及分段丢包率

分析：表1的统计数据显示，每种编码的语音包到达对端的时间，都比规定的时间要提前零点几个毫秒，这应该是本设备的dsp处理程序为对端的dsp提前预留了处理时间，产生抖动可能是受被侧设备系统任务切换时间影响。因为对端设备也在向本端发送rtp包，这就需要本设备的以太网任务、ip协议栈和dsp任务来处理，所以，语音接收和发送过程争抢cpu时间，从而造成小的抖动，而以太网交换机转发过程所造成的抖动应该可以忽略。

结论：由时间间隔和丢包率可见，被测设备没有因为忙而产生延迟或丢包现象，在测试条件下处理器能力仍有富余，抖动是在设备允许的范围内。

语音质量

分析：如表2所示，测试中g723.1编码的语音效果有些问题，即对端听本端的声音效果很好，这可能是因为intel的sp模块与mindspeed的dsp芯片的某个编解码参数不同，毕竟其他编码方式没有这一问题，所以g723.1的语音质量给了低分。

结论：除g.723.1编码语音质量不理想外，其他几种常用的编码效果良好。