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1、天津大学硕士学位论文基于以太网的电话通信系统姓名：厉彦峰申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：沈保锁20080101摘要目前，我国大多数企业采用了独立运行的计算机网络、电话通信网、视频监控网等多种网络并存的组网方式。这种组网方式需要大量的设备费、线路费、维护和维修费，并且由于布线多给维修带来极大不便，对环境也带来影响。针对这种组网方式的缺点，本课题利用以太网高带宽的特点，制作完成了基于以太网的电话通信系统。本文首先阐述了T C P I P 协议的原理和A D P C M 编解码原理，重点分析了本课题中所涉及到的A R P 协议、I P 协议、I C M P 协议、U D P 协议和T
2、 C P 协议。然后根据设计要求提出了系统硬件设计方案，确定了以F P G A 为核心，包含电话机接口电路和以太网接口电路的系统硬件电路原理图，并对各硬件模块进行了详细分析。同时还对P F G A 内部的逻辑编程进行了详细描述。最后本文介绍了系统软件，并对涉及到的以太网协议进行了详细分析。本文所描述的系统将企业内部的电话通信网融入到局域计算机网络中，实现了二网合一。实验证明，该系统能够在局域网内完成常规电话系统的所有功能，并且有较好的语音通话质量，具有较高的实用价值和社会经济效益。关键词：T c P I P；F P G A；电话通信系统；以太网；网络电话A B S T R A C TP r e
3、 s e l 址1 vc o I n p u t e rn e t w o r k 觚dt e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 锄dv i d e om o 血o rn e t w o r kw a su s e da sn e t w o r ks 叫ei nm a n ye n t e r p r i s eo fo u rc o u m 嘎w K c hi si I l d 印e n d e n c ei I ln l n l l j m g T h i sn 或w o r ks t y l en e e d sn
4、m c ho fe q u i p m e n tc h a r g e s，l i I l e sc h a r g e s，p r o t e c t i o na n dc l l a r g e sa n dp r o j c c tc h a r g e s，a n de f I e c t se I l V i I-o n I n e m T l l i sp 印e ru s e st h e1 1 i 曲b a n d w i d t hc h a r a c t 砸s t i co ft h eE t h e n l e tt oa c c o m p l i s ht h e
5、t e l e p h o n ec o n 埘u n i c a l i o ns v s t e mb a S e do nE t h e m e t n 圮t h e o r yo ft h eT C P I P 锄dA D P C Mw 嬲f i r s te x p o u l l d e di I lt 1 1 i sp a p e r，a n d灿冲p r o t o c 0 1a n dI Pp r o t o C o la n dI C M Pp r o t o c o la n dU D Pp r o t o c 0 1w a sa m l y Z e da l s o T
6、 h eS y s t e mh a r d w a r ec i r c u i tt h e o r ys c h e m ei si n t r o i I u c e da c c o r d i I l gt od e s i g nr c 目u i r e m e n t T h et e l 蛐a lh a r d w a r ec i r c u i ti I l c l u d i I l gt e l 印h o n ei n t e f f a c ec i r c u i ta n dn e t w o I ki 1 1 t e r f a c ec i r c u i
7、ti sd e s i g 删w l l i c hc o r ei sF P G A，a l l de a c hl l a r d w a I em o d u l ei sa n a l v z e di nd e t a i l M e m l w l l i l e 8 0 51 I Pc o r ew l l i c hi se 瑚b e d d e di nF P G Aa n do t h e rl o g i cd e s i g ni sd e s c r i b e di nd e t a i l A tl a s t，t h eS y s t e mt e 彻i n a
8、 lC 0 m m u l l i c a t i o ns o R w a r ei si n t r o d u c e di nt h i sp 印e r，a l l dt h en e 俩o r kp r o t o c o li sa n a l y z e di I ld e t a i l T e l e p h o n ec o n m l u l l j b a t i o nn e t w o t ki nt h eC o 邛o r a t i o n si si m p o r t e dt ot l l eL A Nb yt m ss y s t e m s y n c
9、 r e t i s mo ft e l 印h o n en e 似o r k 锄dL 触呵a r ea c h i e V e d B yt h ee x p e r i n l e n t s，a no ft h e 缸n c t i o n sO fn o n m lt e l e p h o n es y s t e mc a nb ea c c o 皿I p l i s h e di l lL A N，锄da l s ol l a V i I l gg o o dq u a h t yo fV()i c e，b e t t e rp r a C t i c a b i l i t y
10、a n de c o n o 如L y K e yw o r d s：T C P I P；F P G A；t e l 印h o n ec o 舢 I l u I l i c a t i o ns y s t e I I l；E t h e m e t；V o I P独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘茔或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。一繇历舛一期：孑年工脚日学
11、位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解丕盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)一虢蔬舛签字日期：2 口口9 年2 月2 牙R导师签名：剜争铍签字同期：锣口睁v 月谚R第一章绪论第一章绪论1 1 选题背景目前我国大多数企业由于生产、安全、资源共享等多方面的需要，在企业内部采用了独立运行的计算机网络、电话通信网、程控调度系统、计算机监控系统、视频监控系统和安全报警系统等多种网络或系
12、统并存的组网形式，这种组网形式不但需要投入大量的设备费、线路费以及维护、维修费，而且大量的布线给维修带来了不便，对周围的环境也带来了一定的影响。那么有没有一种成本低、效率高、便于控制和维护的新的组网形式呢?答案是肯定的，那就是将多种网络合而为一。当前，随着计算机的普及，以太网已经得到普遍应用，已成为许多行业必不可少的办公工具。尤其是企业内部的局域计算机网络，传输速率可达1 0 0 0 M b i t s，但是，其丰富的带宽资源没有得到充分利用，造成了资源的浪费。与此同时，随着数字信号处理技术的发展，各种高效率、高性能的视频及音频压缩编解码的出现，使得语音和视频信号在以太网中的实时传输成为可能。
13、在这种形式下，本课题针对企业内部的电话通信网和局域以太网展开研究，将电话通信网融入到局域以太网中，使二网合一，以降低建设成本和运营成本，便于管理和维护。目前，国内外也出现了许多将电话通信与以太网结合的技术和设备，其中I P 电话(V o i c e0 v e rI P，简写V O I P)就是其中之一。V O I P 主要是指在I P 网络中实时传送语音的技术。近年来，随着V O I P 技术的不断成熟，使在I P 网络上以共享网络带宽的方式提供语音业务成为可能。但V O I P 主要是针对I n t e r n e t，因此其硬件结构和软件协议比较复杂，成本较高。而本课题所研制的系统不同于V
14、 O I P，它仅针对于局域网(工业以太网)，设备成本以及复杂程度都较V O I P 低，更适用于企业内部通信，具有一定的理论意义和应用价值，能够带来很高的社会效益和经济效益。1 2 总体方案设计及可行性分析1 2 1 总体方案设计为了节约成本，本系统采用传统的模拟电话机，根据设计要求终端硬件主要分为电话机接口电路、控制电路和以太网接口电路。电话接口电路包含了用户电路、铃流电路、m 8 8 7 0 收号电路、A D P C M 编译码电路等，主要用于实现终端对模拟电话机的控制以及语音信号的们和D A 转换。考虑到A D P C M 编解码第一章绪论器需要许多时钟信号，而且还需要为编解码器提供数
15、据的串并和并串变换，为减少P C B 板的体积，控制电路以F P G A 为主芯片，并在F P G A 中嵌入了5 1 I P 核，作为整个系统的控制核心。控制电路还包括存储器电路、J r I A G 接口电路、R S 2 3 2串行接口、单片机复位电路、指示灯及键盘电路等。以太网接口电路包括以太网接口芯片R 1 L 8 0 1 9、网络指示灯、网络变压器和R J 4 5 接口等，用于实现终端与局域网之间的数据交换。系统原理框图如图1 1 所示图1 1 系统原理框图因为对电话机的控制以及对语音信号的编解码基本上是由硬件实现的(包括F P G A 内部的逻辑设计)，所以本终端的软件设计主要是实现
16、各终端之间的通信，因此本文在第五章的终端通信软件设计中，主要针对涉及到的各种T C P I P 协议进行了详细叙述。1 2 2 可行性分析1 速率分析电话的语音信号经过A D P C M 编码后输出的速率为3 2 K b“s，而系统所使用的以太网芯片R T L 8 0 1 9 的传输速率能达到1 0 M b“s，所以该语音信号完全能通过以太网进行传输。同时，F P G A 内部嵌入的5 1 I P 核，其工作频率能达到1 5 0 M H z左右，但由于受到外部扩展的存储器的限制，本系统中5 1 I P 核的时钟频率设定在4 4 1 1 0 7 6 9 z，即使这样也足以满足系统对工作时钟的要求
17、。2 电路可行性分析由于普通电话机的控制电路(包括收号、铃流控制等)和8 0 1 9 以太网接口电路已经非常成熟，同时基于F P G A 的数字逻辑电路的设计也得到了广泛的应用，在F P G A 中嵌入5 l I P 核的技术也日趋成熟，因此总体方案设计中的硬件电路是可第一章绪论实现的。基于以上两点可知，本文所提出的设计方案符合设计要求，方案可行。1 3 本文的主要内容及创新点本论文是在天津市信息化办资助项目“企业信息化网络建设方案和传输平台的研究”课题的资助下完成的。本文主要以电话通信网与局域以太网的融合为研究对象，对T C P I P 协议进行了分析，并设计了终端的硬件和软件。全文共分为五
18、章，主要包含了以下四方面的内容：t 一、深入研究和分析了T C P I P 协议；二、设计了终端的硬件电路，并对各模块电路进行了详细分析；三、使用 D L 语言设计了F P G A 的内部逻辑，并在F P G A 中嵌入了一个5 1 I P 核，作为整个系统的控制中心；四、设计了终端通信软件，对T C P I P 协议的移植进行了详细分析。本文的创新点在于将企业内部的电话通信网融入到局域计算机网络中，实现了二网合一，具有一定的实用价值和社会经济效益。第二章T C P 佃协议分析及A D P C M 编码原理第二章T C P lP 协议分析及A D P C M 编码原理2 1T C P IP 协
19、议的历史及发展过程T C P 协议最早由斯坦福大学的两名研究人员于1 9 7 3 年提出。1 9 8 3 年，T C P I P被U 1 1 i x4 2 B S D 系统采用。随着U n i x 的成功，T C P I P 逐步成为U n 投机器的标准网络协议。I n t e m e t 的前身触冲A N E T 最初使用N C P 洲e t w o r kC o m r o lP r o t o c o D协议，由于T C P I P 协议具有跨平台特性，m 心6 州E T 的实验人员在经过对T C P I P的改进以后，规定连入舢冲A N E T 的计算机都必须采用T C P I P 协
20、议。随着灿冲A N E T 逐渐发展成为I n t e m e t，T C P I P 协议就成为I n t e n l e t 的标准连接协议。2 2T C P I P 各层介绍及功能T C P I P 协议(T r a l l s f e rC o m r o I l l P r o t o c o l I m e n l e tP r o t o c o D 叫做传输控制网际协议，又叫网络通讯协议。以它为基础组建的I n t 锄e t 是目前国际上规模最大的计算机网络，正因为I m e n l e t 的广泛使用，使得T C P I P 成了网络体系的标准。它包括：T C P 传输控制协
21、议，I P 互联网协议，I J l)P 用户数据报协议，I C M P 互联网控制信息协议，S M r P 简单邮件传输协议，S N M P 简单网络管理协议，F T P 文件传输协议，I o 地址解析协议等许多协议【l】：T C P I P 通常被认为是一个四层协议系统，从上到下依次为应用层，传输层，网络层和网络接口层。T C P I P 分层模型及各层的功能：第一层：网络接口层这是T C P I P 协议软件的最底层，它负责接收I P 数据报并把数据报通过选定的网络发送出去。它使用自己的数据链路协议，传送的是特定网络的帧。第二层：网络层该层用来处理机器之间的通信问题。它传送的I P 数据报
22、。它接收运输层请求，传输某个具有目的地址信息的分组，该层把分组封装到I P 数据报中，填入数据报的首部(报头)，使用选路算法来确定是直接交付数据报，还是把它传递给路由器，然后把数据报交给适当的网络接口进行传输。该层还要处理传入的数据报，检验其有效性，使用选路算法来决定应该对数据报进行本地处理还是应该转发。如果数据报的目的处于本机所在的网络，该层软件就会除去数据报的首部，再选择适当的运输层协议来处理这个分组。最后，网络层还要根据需要发出和接收I C M P 差错和控制报文。第三层：运输层运输层的基本任务是提供应用程序之间的通信服务。传送的是运输协议分组。这种通信又叫端到端通信。运输层要系统地管理
23、信息的流动，还要提供可靠的传输服务，以确保数据到达无差错、无乱序。为了达到这个目的，运输层协议第二章T C P I P 协议分析及A D P C M 编码原理软件要进行协商，让接收方回送确认信息以及让发送方重发丢失的分组。运输层协议软件把要传输的数据流划分为小块(分组)，把每个分组连同目的地址交给下一层去发送。运输层要从若干程序那里接收数据并把它们送给下一分层。为此，运输层还要对每一个分组附加信息，包括一些代码，标识该分组是由哪个应用程序发送的、要送给哪个应用程序等，还包括一个校验和。接收到分组的机器使用校验和来检验数据是否出错，并通过目的代码确定将分组发给哪个对应的应用程序。第四层：应用层在
24、这个最高层中，用户调用应用程序通过T C P I P 互连网来访问可用的服务。与各个运输层协议交互的应用程序负责接受和发送数据。每个应用程序选择适当的传输服务类型。应用程序把数据按照运输层的格式要求组织好之后向下层传输。以上层次结构如图2 1 所示。应用层传输层网络层网络接口层图2 1T C P 佃协议结构图2 3T C P IP 的作用国际互联网(h t e m e t)是建在把全世界的计算机网络连接起来的基础之上的。这些计算机网络中可能存在许多不同类型的计算机，因此，必须有个共同的规则把所有这一切连接在一起，这个规则就是T C P I P。它是一个计算机通信的规范。在国际互联网(I m e
25、 n l e t)内部，从主机传送到主机的数据，不是所有数据一起传送，而是把数据分解成小包(称为：数据包)进行传送。例如：传送一个很长的电子邮件，T C P 就会把这个电子邮件分成很多个数据包(每一个数据包用一序号和一接收地址来标明)，再加入一些纠错信息后，分别进行传送。数据包第二章T C P I P 协议分析及A D P C M 编码原理在网络上传输，这是I P 的工作，它负责把数据包传输到数据包上规定的主机。在接收端主机上的T C P 接收这些数据包、核查错误并把数据包拼接起来。如果有错误发生，T C P 可以要求重发这个特定的数据包。只要所有的数据包都被正确地接收到，T C P 将用序号
26、来重构原始数据信息。换句话说，I P 的工作是把原始数据(数据包)从一地传送到另一地；T C P 的工作是管理这种流动并确保其数据是正确的。把数据分解成数据包有很多的好处。首先，因为这些数据包不必一起输送，所以允许网络上很多不同的用户可以在同一时间用同一通讯线路。当数据包传输时，它们沿规定的路线(即路由)从一台主机到另一台主机，一直到达它们到达最终目的地的主机。这就意味着I n t e m 反很具灵活性。即使一个特定的路由中断了，控制数据包流动的计算机可以找到另一条路由，继续传输。而实际上，在单一数据传输中，各个数据包完全可能沿不同的路由传输。这也意味着，网络可获得当时最好的连接。例如，当网络
27、的某一特定部分过载，数据包可以改变路线去走那些比较空闲的线路。其次，当某个数据包出错时，只须重新传送单个数据包，而不要整个信息。所以这种灵活性带来了很高的可靠性。不管怎样，T C P I P 都保证数据到达目的地。虽然所有数据包都必须通过很多计算机，但它可用几秒钟就把一个文件从一主机传输到另一主机，哪怕它们相距上千公里。所以T C P I P协议是把计算机和通讯设备组织成网络通信规则的集合。2 4T C P lP 协议分析2 4 1A R P(地址解析协议)要在网络上通信，发送方必须要知道接收方的物理地址，地址解析就是将主机I P 地址映射为物理地址的过程。触心用于获得在同一物理网络中的主机的
28、物理地址。在解析本地I P 地址时，发送方先在啪缓存中查找接收方的物理地址，如果找不到映射的话，就建立一个请求，将自己的I P 地址和物理地址包含在请求中，再将请求广播出去，让所有本地主机均能接收并处理。当某台主机断定请求中的I P 地址与自己的相同时，直接发送一个触冲答复，将自己的物理地址传给发送方。当灿冲报文从一台机器传输到另一台时，必须放入物理帧中。为了识别砧强报文的帧，发送方给帧首部的类型字段分配了一个特殊值，并把懈报文放在该帧的数据字段中。当每一帧到达计算机时，网络软件通过帧类型确定其内容。在以太网中，携带脚心报文的帧类型字段是0 x 0 8 0 6。旧数据报格式如表2 1所示。第二
29、章T C P 口协议分析及A D P C M 编码原理表2 一lA R P 数据报格式硬件类型协议类型硬件长度协议长度操作发送者硬件地址发送者硬件地址发送者I P 地址发送者I P 地址目的硬件地址目的硬件地址目的I P 地址硬件类型：占1 6 比特，指定该请求用来获得回应的硬件接口。协议类型：占1 6 比特，指定网络层协议类型。硬件长度和协议长度：各占8 比特，分别指定硬件地址和协议地址的长度。并以字节为单位。操作：占1 6 比特，用于指定是触心请求或响应还是R A R P 请求或响应。发送者硬件I P 地址：标识发送方的硬件地址和逻辑地址。目的硬件I P 地址：标识目的端的硬件地址和逻辑地
30、址。2 4 2IP(互联网协议)I P(互联网协议)完成了T C P I P 协议栈中的大部分工作。T C P I P 协议中所有协议和应用都运行于I P 之上，并且将它用于网络层的寻址和主机间数据报的传送。I C M P(互联网控制报文协议)是I P 的一个主要部分并且采用I P 传输数据报。I P 提供了一种不可靠的、无连接的数据报传输服务，因此，I P 并不能保证一个I P 报文可以成功地到达目的的主机。然而它提供了尽力传送，即它将数据报发送出去并且希望它能到达目的主机。I P 只是将逻辑的网络层源和目的地址加入并且传送该报文，而依靠其他层保证报文到达的主机。如果发生传输问题，当I P
31、遇到一个错误时，就依赖于I C M P 发送消息。I P 遇到传输错误时，它只是丢弃该数据报，产生一个l C 报文并发送到发送主机已告知传输错误的详细信息。互联网协议的主要功能是主机的逻辑层的编址和以数据报的形式在主机间传输信息。I P 也具有诸如分段和重组等其他重要功能，当数据报太大而不能被源主机发送且要把它分成较小的数据报这是非常必要的。因为I P 是无连接的，因此它并不要求主机之间的连接。它不需要给数据报编号、确认和控制主机间的数据流。I P 把每一个数据报都视为分离的实体；它只是给数据报编址并且发送第二章T C M P 协议分析及A D P C M 编码原理出去，希望能到达目的主机。I
32、 P 从U D P 或T C P 中接受数据流，并且将这些信息分成“块，为每块数据编址，并打包成I P 数据报，然后通过网络将数据报发送给目的主机，由路由器和路由选择协议决定源和目的之间的路由选择。I P 数据报格式如表2 2 所示，各种数据格式都以3 2 b i t 为单位来描述。表2 2 口数据报完整格式表版本首部长度服务类型总长度标识标志片偏移生存时间协议首部检验和源地址目的地址可选自段(长度可变)填充数据部分2 4 3IC M P(因特网控制报文协议)为了提高I P 数据报交付成功的机会，在网际层使用了因特网控制报文协议I C 御。I C 允许主机或路由器报告差错情况和提供相关异常情况
33、的报告。I C 是因特网的标准协议。但不是高层协议，而是I P 层的协议。I C 脚报文作为I P层数据报数据，加上数据报首部，组成数据报发送出去。表1 3 为I C 御报文格式。表2 3I C M P 报文格式类型J+代码l检验和(此4 个字节取决于I C m 报文的类型)I C M P 数据部分(长度取决于类型)口数据报-第二章T C P 口协议分析及A D P C M 编码原理2 4 4U D P(用户数据报协议)U D P 是I P 项层的两个主要的传输层协议之一，它是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。由于它是无连接协议，所以只是发送数据而不检查接收方主机是
34、否真正收到该数据。U D P 依赖于其它协议来保证发送的数据到达接收方及恢复丢失的数据。它没有面向连接的协议所具有的可靠性，但是U D P 以其快速和开销小的优势为应用程序之间的通信提供简单的事物服务，它适用于自身可提供错误检测和故障恢复系统或不需要这些服务的协议。包括网络文件系统(N F S)、简单网络管理协议(S N M P)、域名系统(D N S)以及简单文件传输系统(T F r P)。表2 4 为U D P 数据报格式。U D P 使用端口与上层的应用进程进行通信。应用层的各种进程是通过相应的端口与运输实体进行交互。因此在运输协议数据单元的首部中都要写入源端口号和目的端口号。运输层收到
35、I P 层交上来的数据后，要根据其目的端口号决定应当通过哪一个端口上交给目的应用进程。总之端口作用就是让应用层的各种应用进程都能将其数据通过端口向下交付给运输层，以及让运输层知道应当将其报文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程。在通过网络传送数据时，一条完整的用户数据报协议消息被封装在一个I P数据报中，如图2 2 所示。图2 2I J l)P 封装第二章T C P 口协议分析及A D P C M 编码原理2 4 5T C P(传输控制协议)T C P 协议与U D P 协议同属于运输层，是一种面向连接的传输层协议。它通过序列号确认以及包重发机制，提供可靠的数据流发送和到应用程序的虚拟
36、连接服务。T C P 协议给远程主机间通信的进程和应用提供端到端的可靠服务，它采用了许多机制来保证传输可靠性。它己变成为主机间提供有保证数据传输的网络协议。T C P 数据报格式如表2 5 所示。表2 5T C P 数据报格式源端口目的端口序号确认号数据U APRSF偏移保留RCSSYI窗口G K HTN N检验和紧急指针选项填充不oT C P 消息在通过网络传送数据时，被封装在一条疋数据报中，如图2 3 所图2 3T C P 封装图2 5A D P C M 编码原理自适应差分脉码调制(A D P C M)是继D P C M 之后充分利用了线性预测的高效编码方式，它是自适应量化与自适应的智能化
37、技术【2 1。用于语音编码时，在无明显质量降级前提下，可将6 4 K b i t s 标准P C M 压缩到3 2 K b i t s 甚至可以低至第二章T C P 口协议分析及A D P C M 编码原理1 6 K b“s。A D P C M 充分利用了话音波形的统计特性和人耳听觉的特性，其设计思路为：(1)可能在话音信号中消除冗余。(2)对消除冗余后的信号，已明显而且离散的方式，从自适应角度进行最佳编码。图2 4 为A D P C M 编码器的简化原理框图，它由P C M 码线性码变换器、自适应量化器、自适应逆量化器、自适应预测器及量化适配器组成。首先将输入的8 位非线性P C M 码变为
38、1 2 位线性码，线性P C M 信号与预测信号相减获得预测误差信号，自适应量化器将差值信号进行量化并编成4 位A D P C M 码。图2-4A D P C M 编码器简化框图A D P C M 码流通过自适应逆量化器产生量化差值信号。量化差值信号与信号预测值相加形成再建信号。自适应量化器对再建信号及量化差值信号进行运算，形成对输入P C M 信号的预测信号估值。量化尺度适配器为定标因子速度控制自适应电路，编码器中的量化器和逆量化器的自适应均受量化适配器的控制。为了适应话音、数据和信令等不同信号的统计特性，一般定标器采用快速(话音)和慢速(数据)两种自适应模式。字适应的数度受快速和慢速标度因
39、子的组合控制，此控制由量化尺度适配器的自适应控制完成。控制参数通过对输出A D P C M 码的适当滤波获得。A D P C M 译码器原理框图如图2 5 所示。它由自适应逆量化器、自适应预测器、线性码P C M 码变换器、量化尺度适配器及同步编码调整器组成。第二章T C P P 协议分析及A D P C M 编码原理图2 5A D P C M 解码器简化框图译码器的译码过程与编码器的部分电路相同，只是多了一个同步编码调整电路：其作用是使级联工作时不产生误差累计。第三章硬件设计第三章硬件设计弟二早俄1，十阪丌3 1 硬件总体设计根据设计要求，并综合考虑设计成本、设计的复杂度和设计的灵活性，最终
40、选用F P G A 作为终端的核心器件。本设计将F P G A 中植入的5 1 I P 核作为终端的控制核心，同时通过F P G A 完成终端大部分的逻辑电路设计，以便减少外围芯片的数量，节约P C B 板的面积，降低系统成本和功耗，提高系统的可靠性。本系统的硬件原理框图如图3 1 所示。图3 1 系统硬件原理框图其中电话接口模块包含了用户电路、铃流电路、m 8 8 7 0 收号电路、A D P C M编译码电路等。F P G A 核心模块包含了F P G A 最小系统、兀A G 接口、程序存储器、数据存储器、R S 2 3 2 串行接口、单片机复位电路、指示灯及键盘电路、拨码开关电路、L C
41、 D 接口电路和2 4 C 5 1 2 接口电路等。以太网接口模块包含了以太网接口芯片I 玎L 8 0 1 9、网络指示灯、网络变压器和R J 4 5 接口等。3 2 电话接口模块3 2 1 用户电路、铃流电路及M T 8 8 7 0 收号电路考虑到终端直接与电话机连接，因此必须具备对电话机的摘挂机检测、2 4线转换等功能。为了减少整个系统的体积，提供可靠性，本系统采用了M I T E L第三章硬件设计公司生产的模拟用户线接口电路瑚8 8 6 1 2。该模块具备了向用户话机馈电，振铃，环路状态与拨号脉冲检测及2 4 线变换等基本的模拟接口功能。该模块的基本特征为：(1)能够向用户线提供恒流馈电
42、，电流约为2 6 I I A。具有向用户馈送铃流(4 8、，+9 0、，n 璐)的能力。(2)能够检测用户线状态(摘，挂机)和拨号脉冲信号，并输出相应的电平信息。(3)提供指示用户环路长度(电阻)的模拟信号输出。具有用户线短路过流保护能力。(4)含有无变压器的2 4 线变换电路。(5)含有继电器驱动器。用户电路的具体电路图如图3 2 所示。图3 2 用户电路原理图铃流电路的作用是用来给被叫用户振铃，该电路有两种实现方法：一种是采用分立元件设计一个铃流源电路，电路原理图如图3 3 所示；另一种是采用专用的铃流源模块，如图3 4 所示。第三章硬件设计图3 3由分立元件设计的铃流源电路原理图哪4 吖
43、一l 熏lV o 冒聋T l 蛳T 硒2I一中V 缸V m 吐J l l l A-4 S Vl 厂 _ J D Q i 亨V H S皿B 一【3l 珊1，l6 一R N om q _ 6n C1，171 R VQ-6图3 4 采用铃流源模块的电路原理图由上述两个电路原理图可以看出，采用铃流源模块不但节省元器件，减少了P C B 板的面积和终端的体积，降低了设计成本，还有利于提高系统的稳定性。振铃电路的工作过程如下：当用户为被叫时，控制单元通8 8 6 1 2 上的l 配引脚置高，从而控制继电器l 吸合，使得铃流源模块输出的信号经8 8 6 1 2 进入电话机产生振铃。D T M F 信号接收器
44、是主要用于程控交换机键控电话系统、无线通讯网系统和遥控等领域的集成电路。M i t e l 公司生产的M r 8 8 7 0 芯片是D T M F 信号接收处理专用集成器，体积小，性能稳定，抗干扰性强，且无需调试，因此，本设计采用该芯片作为双音多频号码接收系统的核心，具体电路图如图2 5 所示。f W 图3 5M T 8 8 7 0 收号电路原理图M r 8 8 7 0 是双列直插式D T M F 信号接收处理专用集成电路，主要用于程控交第三章硬件设计换机，键控电话系统，无线通信及通播系统，遥控等领域。电路的基本特征为：(1)提供D T m 信号分离滤波和译码功能，输出相应1 6 种D T 频
45、率组合的4 位并行二进码；(2)可外接3 5 7 9 5 M H Z 晶体，与内含振荡器产生基准频率信号；(3)具有抑制拨号音和模拟信号输入增益可调的能力；(4)二进码为三态输出；(5)提供基准电压(V D D 2)输出。3 2 2A D P C M 编译码电路因为本系统通过以太网进行语音的传输，所以要将模拟的语音信号转换成数字信号，为了降低数字语音的数码率，本系统采用芯片M C l 4 5 5 5 7 和M C l 4 5 5 3 2来实现语音信号的A D P C M 编译码。M C l 4 5 5 5 7 是P C M 编译码的专用大规模集成电路，它采用A 律压扩编译码方式，含发送带宽和接
46、收低通开关电容滤波器，内部提供基准电压源，采用C M o S工艺。M C l 4 5 5 3 2 是自适应差分脉冲编码调制(A D P C M)编译码转换器，该芯片成本低，支持全双工，是一种单通道编译码转换器，可完成一个6 4 k b s 的P C M信道到1 6 k b s，2 4 k b s，3 2 k b s，或者6 4 k b p s 通道的转换。A D P C M 编译码电路的原理图如图2 6 所示。图3 6A D P(、M 编译码电路原理图3 3 以太网接口模块根据设计要求和设计成本的综合考虑，本设计采用1 0 M 以太网控制芯片鼬r L 8 0 1 9 完成终端与局域以太网之间的
47、数据交换。1 6第三章硬件设计I 汀L 8 0 1 9 A S 是8 1 6 位I S A 总线的网卡芯片，使用它可以方便的设计基于I S A总线的通信系统。R T L 8 0 1 9 A s 实现了以太网媒介访问层(M A c)和物理层(P H Y)的功能，包括M A C 数据帧的组装拆分与收发、地址识别、C l 配编码校验等。主处理器的任务就是在R 1 r L 8 0 1 9 A S 的外部总线上读写M A C 帧。1 R T L 8 0 1 9 的内部结构R T L 8 0 19 A S 分为远程D M A 接口、本地D M A 接口、M A C 逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。远程D
48、 M A 就是指主处理器对R T L 8 0 1 9 A S 内部的洲进行读写的总线。单片机收发数据只需对远程D M 出挂行操作。本地D M A 接口是指R T L 8 0 1 9 A S 与网线的连接通道，完成控制器有网线的数据交换。M A C 逻辑完成以下功能：当单片机向P C 机发送数据时，先将一帧数据通过远程D M 心恿道送到I 汀L 8 0 1 9 A S 中的发送缓冲区，然后发出传送命令；当R T L 8 0 1 9 A S 完成了上一帧的发送后，再开始此帧的发送。R T L 8 0 1 9 A S 接收到的数据通过M A C 比较、c R c 校验后，由F I F O 存到接收缓
49、冲区；收满一帧后，以置位中断寄存器标志的方式通知主处理器。F I F o 逻辑对收发数据作1 6 字节的缓冲，以减少对本地D M A 请求的频率。2 I 盯L 8 0 1 9 的内部R A M 地址空间分配R T L 8 0 1 9 A s 内部有两块凡M 区。一块1 6 K 字节，地址为0 x 4 0 0 0 O x 7 f j 睡一块3 2 字节，地址为O x o 0 0 0 O x 0 0 1 f oR A M 按页存储，每2 5 6 字节为一页。一般将R A M 的前1 2 页(即O x 4 0 0 0 O“b 存储区作为发送缓冲区；后5 2 页(即0 X 4 c 0 0 0 x 7
50、f 1 回存储区作为接收缓冲区。第0 页叫P r o m 页，只有3 2 字节，地址为O x o o o O O X 0 0 1 f，用于存储以太网物理地址。要接收和发送数据包就必须通过D M A 读写砌儿8 0 1 9 A S 内部的1 6 I R A M。它实际上是双端口的洲，是指有两套总线连接到该R A M，一套总线用于R T L 8 0 1 9 A S 读或写该R A M，即本地D M A：另一套总线是主处理器读或写该R A M，即远程D M A。3 R T L 8 0 l9 的I O 地址分配R T L 8 0 1 9 A S 具有3 2 位输入输出地址，地址偏移量为0 0 H 1