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网络电话通信软件设计

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网络电话通信软件设计 (毕业设计81页、30534字+图+程序)
摘要:网络电话是以分组交换网络为传输平台,对模拟的语音信号进行抽样、量化、压缩、打包等一系列的特殊处理,使之在局域网内建立共用信道进行无误码、无延迟的语音传输与交换,较大的节省了硬件资源。本论文首先介绍了网络电话的技术背景、发展和性能指标;再详细地阐述了如何将网络技术、单片机技术和数字编码技术相结合,进行基于局域网的网络电话的设计;最后根据这些特点分别选用改进型单片机Mega16 为MCU、网络接口芯片RTL8019AS为数据收发控制核心、MC14LC5480为模拟语音编码芯片和易驱动的1602液晶显示屏设计基于局域网的网络电话,基本完成了网络电话的通信软件设计。 通信软件的设计是从各模块的性能要求出发,结合硬件参数,选用C作为程序设计语言,以最小代码量为原则,首先编写各功能模块程序,在检查无错后整合成软件主体。设计了特殊通话信令进行呼叫建立,程序编译主要用ICC进行、用proteus对软件效果进行了仿真。本设计对通话信令进行了新的尝试,并且有较大的功能扩展空间。
关键词  网络电话;通信软件;语音传输


The Design of Network Telephone Communication Software
Abstract:Network telephone is based on packet switching network. And it uses some special treatments, such as sampling, quantification, compression, packing on the simulative pronunciation signal to establish the common channel in the local area network for transmission and switch with lowly error code and the non-delay. It saves largely the hardware resources. This paper firstly introduces the technical background, development and   performance index of network telephone. Then it elaborates how to combine the network technology, SCM and digital coding to practice the network telephone design based on LAN.  Finally, the paper chooses the advanced version monolithic integrated circuit Mega16 as MCU, network interface chip RTL8019AS as the controlling core to receive and dispatch data, MC14LC5480 as simulation voice code chip , and 1602 liquid crystals display which the simulation voice code chip and is easy drive to design network telephone which based on the LAN .The design of communication software starts from the performance requirements of various modules, integrating the hardware index and using C as a programming language under the principle of minimizing amount of code. It firstly compiles the relevant subroutine and integrates it as main software after having been checked. Meanwhile, it designs the special communication code to call using ICC as program compilations and simulating with proteus. This paper has a new attempt to the signaling of the telephone conversation and has a large space to expanse.
Key words:  Network telephone,  Communication  software, Voice transmission

 

目    录
第1章  绪论 1
    1.1  概述 1
          1.1.1  设计背景 1 
          1.1.2  设计目的及意义 2
    1.2  国内外研究现状及存在问题 3
    1.3  论文的主要内容 4
    1.4  本章小结 5
第2章  系统总体设计方案 6
    2.1  VOIP网络电话的特点 6
    2.2  总体设计 6
    2.3  系统方案的选择 8
  2.3.1  模块划分 9
  2.3.2  各部分可能遇到的问题及其解决方案 11
    2.4  本章小结 14
第3章  各模块性能指标 15
    3.1  语音处理单元的性能要求与主要指标 15
    3.2  主控单元的性能要求及软件实现方案 15
    3.3  网络接口单元的特点与性能 15
          3.3.1  本设计涉及到的网络协议概述 15 
          3.3.2  网络环境条件 17 
          3.3.3  可预见的网络问题 18
    3.4  本章小结 19
第4章  基础硬件 20
    4.1  MCU 20
    4.2  语音编解码芯片 20
    4.3  网络控制(网卡)芯片 21
    4.4  相关硬件连接 21
    4.5  本章小结 22
第5章  软件设计 23
    5.1  软件设计思想 23
    5.2  摘机的实现方案 23
    5.3  USART串行通信 23
          5.3.1  PCM语音流与MCU的通信方案 25
          5.3.2  USART串口的初始化 26
          5.3.3  预计达到的误码率与数据丢失 30
    5.4  RTL8019AS网络控制(网卡)芯片的处理单元 31
          5.4.1  RTL8019AS的上电复位 32
          5.4.2  RTL8019AS的初始化 32
          5.4.3  设置/读取电话号码 34
          5.4.4  帧的传输 35
     5.5  呼叫的建立和释放 36
          5.5.1  呼叫的建立 36
          5.5.2  呼叫的释放 37
     5.6  通话过程的控制 38
     5.7  本章小结 39
第6章  仿真与分析 40
      6.1  仿真软件的简介 40
      6.2  仿真结果与问题分析 41
      6.3  本章小结 45
第7章  调试 46
      7.1  ISP下载线的制作 46
      7.2  终端测试 46
      7.3  系统调试 47
            7.3.1  调试流程 47
            7.3.2  调试方案 47
       7.4  本章小结 51
结论 52
致谢 53
参考文献 54
附录1 55
附录2 62

 
第1章  绪   论
1.1  概述
         VoIP(Voice over Internet Protocol),即俗称的互联网电话或者宽带电话,作为一种新兴的网络通讯方式,因其成本低廉、实现简便已经得到越来越多的用户认可。以太网电话机的话音传输和交换技术直接基于TCP/IP协议的底层协议,使得语音信号能够以UDP数据包的形式在网络上畅通传输;而上层应用协议则仿照传统电话机的使用模式来建立,所以以太网电话机的使用方法完全和普通电话机一样。从原理上来讲,以太网电话机类似于Peer to Peer的PC机语音技术,但以太网电话机采用了嵌入式计算机技术,全部电路(含固化软件)都可以安装在普通电话机的机壳内,成本低、性能可靠、实用性强。
1.1.1 设计背景
   (1)VoIP技术背景
        VoIP技术最初只是一种互联网上的增值应用,形式也较为简单。随着互联网的普及,其在商业运营中的应用价值被人们发现,很多新兴的电信运营商将VoIP技术引入到电信运营中,并在上个世纪的最后几年内取得了爆炸式的增长。 VoIP技术的体系结构也在不断完善。
  VoIP技术的发展有两大方向,一是遵循国际电联H.323标准,二是遵循IETF的SIP协议。国际电联的H.323基本上是一种兼顾传统呼叫流程和IP网特点发展而来的成熟的开放标准体制,代表了VoIP的大潮流。特别之处是吸取了许多电信网的组网、互联和运营经验,能够与PSTN网,以及其他数据业务和应用网互联互通。这正是自1995年以来,H.323标准在全世界广泛使用的一个重要原因。采用H.323技术体制,VoIP运营商可以基本上继承传统运营商的管理和运维模式,这对中国以及东南亚国家组建VoIP大网特别重要。在中国,运营商组建的VoIP网都是全国性大网,而且对网络的扩展性和稳定性要求极高,组网必须多层多域,覆盖城市多达400个,每月的话务量在几亿分钟以上。组建这样的大网,采用H.323技术是合适的选择。一些新技术可能在数据与语音的结合上做得比较好,但是它们对于如何组网、运营、管理却考虑得比较少。
        VoIP技术的另一个发展趋势是遵循IETF倡导的SIP协议。SIP协议在美国十分热门,近来发展很快。这是因为:①美国的互联网技术发展很快; ②SIP技术发展初期的实现条件比较简单。在美国充分开放的电信环境下,"简单"能带来巨大的创新诱惑和想像空间,并由此吸引了美国国内一批设备制造商和新兴运营商、服务商投入大量财力和精力。SIP技术基本上是基于动态Internet模式来建网的,它的网络不是一个多层次的网络,而是一个扁平的单层次网络,呼叫流程与PSTN网有所不同。例如,用户呼叫上海地区号码021,那么在以H.323标准组建的VoIP网上,它首先考虑如何将这个呼叫送到上海,然后再送达目的地。其寻址、组网方式与传统电话网极其相似。但在SIP网上则靠动态数据库的方式来寻址,甚至可以没有长途和短途之分。SIP模式的优点是与Internet紧密结合,适于开发新的、与互联网结合的语音应用;其缺点是在组网、管理、运营、计费方面的考虑还有待成熟,在与传统PSTN网的互联互通方面对一些非正常情况的处理还有待完善,在组建VoIP大网的实践方面,还有待积累经验。
   (2)选题背景
        本设计题目是网络电话系统设计的软件部分,整个系统是由小组4人设计完成。选此课题的原因在于对所涉及的相关知识比较感兴趣,同时设计内容打破了网络电话软件对PC机的依赖,采用在VoIP终端里植入嵌入式系统完成拨叫电话程序与电脑分离,使其代替PC机的端口通信,把局域网/因特网作为公共信道实现局域网内和局域网与因特网之间的通信。若植入国际数字通信信令(H.323系列协议)同时可以实现VoIP终端与PSTN之间的通信,并且还有视频的扩展可能,有很多创新点。虽然在市面上已经出现了相关产品,但由于市面价格较高,目前较难在千家万户普及,随着互联网用户的增加,可预见的市场空间相对较大,在这种背景下如果能够完成本设计,必然对以后的学习工作有很大帮助。
1.1.2  设计目的及意义
        本设计的主要目的在于设计并实现可在局域网内使用的网络电话终端,并实现两路通话。该终端类似于普通电话机,通过RJ45口接入局域网即可实现拨打与通话功能。
        中国的互联网用户在不断增加,因特网将在不远的将来深入到家庭,网络电话是利用国际互联网Internet为语音传输的媒介,从而实现语音通信的一种全新的通信技术。由于其通信费用的低廉(每分钟互联网通信费用人民币6分6厘,而普通电话的国际通信费,每分钟需十几元人民币),所以具有非常大的实际意义。另外,网络电话与传统电话具有明显区别。首先,传统电话使用公众电话网作为语音传输的媒介;而IP电话则是将语音信号在公众电话网和Internet之间进行转换,对语音信号进行压缩封装,转换成IP包,同时,IP技术允许多个用户共用同一带宽资源,改变了传统电话由单个用户独占一个信道的方式,节省了用户使用单独信道的费用。其次,由于技术和市场的推动,将语音转化成IP包的技术已变得更为实用、便宜,同时,IP电话的核心元件之一数字信号处理器的价格在下降,从而使电话费用大大降低,这一点在国际电话通信费用上尤为明显,这也是IP电话有广阔的应用前景的重要原因之一。
        此外,以后随着3G网络的覆盖和技术的推广,手机上网将不会存在带宽和流量的问题,如果开发成功,将其以嵌入式的形式植入3G手机,若手机申请包月上网,则几乎所有通话都又将以网络电话的形式资费,同时VOIP技术已经比较成熟,在美国有比较成熟的技术去完成PSTN TO PSTN的能力,但是他们的 PSTN资费已经非常便宜,所以他们也没有太大的发展。但是在中国,由于传统电话资费较高,特别是国内国际长途资费,所以如果一旦研究成功将会得到很大发展和应用。以太网接入广域网的技术十分成熟,只要再开发相应的软件,通过以太网电话机实现网间电话通信也是可能的。
1.2  国内外研究现状及存在的问题
       随着WTO五年电信政策过渡期的结束,VoIP是外商进入的优选领域,微软等跨国公司都在极力游说中国信息产业部明确VoIP管理政策;中国铁通、中国联通等国内运营商、SP及相关民营资本企业也都强烈要求在国内开放VoIP业务,中国网通、中国铁通等基础运营商也在不断地借软交换名义开展“PCtoPhone”业务。信产部面临国内外要求开放VoIP业务的压力,使得国内目前的VoIP监管政策随时可能改变。2006年国外主要运营商采取了一系列的策略推广VoIP发展,其经验和策略能给予国内电信运营商诸多启示。
        BT在BroadBandTalk品牌下丰富了VoIP产品线,推出与BTCommunicator功能相近的软终端升级产品BTBroadBand Talk softphone以及具有高质量视频通话的BT BroadBand Talk Video。Vonage用户拨打法国、爱尔兰、意大利、西班牙和英国的国际电话资费将实施无时限服务,每月资费为24.99美元和49.99美元,相对较便宜。
       全球有越来越多的企业和机构都已经开始使用VoIP技术,享受这项技术带来的好处。在全球经过近6年的发展,伴随着技术的成熟及市场的兴起,VoIP开始进入一个新的发展时期。而中国的VoIP市场正处于变革的前夕,市场井喷状况即将出现。根据iResearch资料显示,2004年中国IP-PBX的市场规模为5.9亿元,比2003年增长247%,2005年IP-PBX设备市场仍将高速增长达到20亿元。预计到2008年,中国IP-PBX的市场规模将达到96亿元。相对于IDC的调查显示的全球VoIP设备市场50%的增速成长速度,中国VOIP设备市场拥有相当可观的发展潜力。
        从国内企业级通讯市场的发展来看,10年前,由于国内的企业,特别是大中型企业数量有限,企业通讯主要是基于运营商的传统PBX方式。但随着中国经济的迅速发展,特别是在中国进入WTO之后,国内的大中型企业越来越多,通讯需求也出现了很多变化。这类企业由于业务覆盖范围广泛,在海内外或国内不同有很多分支机构,非常需要有高性能的网络通讯方案帮助他们降低成本,提高工作效率,改善管理模式,从而增强其自身的市场竞争力。
        在这样的背景下,原有的设备提供商所提供的设备和解决方案已经远远无法满足企业级市场的需要。另一方面,很多高端的国外品牌由于受到全球市场的价格策略限制,无法提供满足中国市场和企业要求的产品价格;而国内的厂商又没有高品质,性能稳定的产品。中国的企业级用户需要更加适合自身的新型通讯产品和高性价比的解决方案。
        目前中国市场上的VoIP 设备生产供应商和解决方案提供商主要分为3类:1.国外大型综合设备供应商:如Cisco、Avavy等。2.国外专业VoIP设备厂商:如苏迪斯、奥迪坚等。3.中国本土的VoIP设备厂商:随着VoIP市场的发展,近年来出现了很多中国本土的设备供应商。这类的厂商的产品价格较前两类低,但是由于技术上的局限性,产品性能普遍存在各种各样的问题,不能满足不同类型客户不断变化的使用要求和对稳定性能的追求。这就是目前中国VoIP企业级市场的最大问题:需求已经成熟,但是VoIP设备市场两极分化的状况却成为企业级市场发展的最大障碍!
1.3   论文的主要内容
         本论文是基本电话信令的实现、拨号、建立连接、来电接收、网络接口MAC帧的封装以及收发的软件设计,实现由摘机到挂机间的所有话机之间的数据收发控制,完成了电话信令,拨号信息等的传递外,主控程序设计、并把封装好的数据包按事先初始化的“电话号码”路由转发出去,与此同时还要监听网络上是否有目的地址是本机的数据包,若有也要以最小的延迟和丢包接收下来交给主控程序处理解码为模拟语音。最后用相应的仿真软件进行了仿真,分析并解决了仿真过程中出现的问题。在同组同学做好硬件后,再对硬件进行调试,并对调试过程中出现的一些问题进行分析,进而解决;最后是对这次毕业设计的一些总结。
1.4   本章小结
        本章主要从网络电话的国内外研究现状和技术背景出发,简单的介绍了这次设计的意义和目的,并总的介绍了本论文的主要内容,接下来论文将重点说明系统设计的相关参数和方案选择对比。
   
              

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