專用集成電路和現場可編程陣列在VoP網關中的應用
一．概述
正在形成的下一代網絡(NGN)體系結構將我們帶到了集合多媒體業(yè)務的新世界。到那時，網絡設備供應商會致力于開發(fā)下一代（NGN）VoP網關和綜合業(yè)務中心局（CO）交換機。同時，網絡供應商正急于尋找方法改善客戶關系和增加能帶來收益的業(yè)務，并降低成本。用來建立下一代網關和交換機的下層硅半導體技術決定了這些系統(tǒng)成本、容量、可升級能力和總體性能。本文討論了硅半導體技術的發(fā)展，以及利用專用集成電路（ASIC）和現場可編程陣列（FPGA）降低成本、優(yōu)化系統(tǒng)性能的問題。
二．十年來通信技術的變化
在過去的十年中，通信工業(yè)發(fā)生了令人矚目的變化，并且仍然會快步向前發(fā)展。直到二十世紀九十年代，話音通信仍然占網絡通信量的大部分。PSTN主要以網絡接入交換機為基礎，出于當時的需要，這些交換機只支持話音業(yè)務和以語音為中心的網絡優(yōu)化業(yè)務。
隨著因特網業(yè)務的普及，與傳統(tǒng)電信業(yè)務供應商形成競爭、替代局面的新業(yè)務供應商看到了重大的機會：利用通過包網絡傳送話音(VoP)業(yè)務取代分離的話音/數據網業(yè)務。VoP技術最初主要用于長途旁路。在過去的兩年里，VoP網絡的發(fā)展勢頭明顯加快，通過寬帶網傳送話音的接入網關正在推廣，利用VoP本地網關代替?zhèn)鹘y(tǒng)中心局交換機的機會也已出現。圖1用圖例說明了VoP在交換機替換、長途旁路和接入網關方面市場的分塊大小以及對末來的預測。
雖然對大型VoP網關和交換設備的需求在持續(xù)增長，但是網絡運營商仍要面對通信發(fā)展史上最大的經濟挑戰(zhàn)。這就驅使系統(tǒng)構筑師、設計師和工程師尋找方法來提高系統(tǒng)性能和可升級能力，同時降低成本。今天，硅半導體技術的進步大大提高了集成度，為VoP網關開發(fā)商帶來了新的機會。
三．VoP網關的實現情況
1．傳統(tǒng)DSP和RISC處理器的實現
二十世紀九十年代中期，系統(tǒng)開發(fā)商利用當時的半導體技術開發(fā)出第一代VoP 網關，當時可用的半導體技術主要是數字信號處理器(DSP)和通用微處理器，通用微處理器主要是RISC（reduced
instruction set computing 精簡指令集）處理器。在當時，DSP有多家大供應商，它在實現VoP網關中完成兩個主要功能：回聲抑制和語音壓縮。
回聲抑制和語音壓縮的處理需要進行大量的精確的信號變換，這對定點DSP 最合適不過了。由于這些早期網關的容量非常小，DSP能輕松處理這些工作量，并能滿足工業(yè)標準發(fā)展所提出的VoP新業(yè)務的要求。
圖2畫出了第一代VoP網關典型的基于處理器的實現框圖，圖中利用通用DSP"場"來實現所有具體的DSP功能，利用通用RISC處理器來打包、匯聚和分發(fā)/路由尋找。（請參看補充材料＜VoP技術＞一文）。
隨著VoP網關規(guī)模的擴大和產量的增加，系統(tǒng)供應商利用更多的DSP來增大VoP網關容量，導致了VoP網關容量的持續(xù)擴大，同時也引發(fā)了更高密度的DSP
技術的開發(fā)。其間，由于推出了復雜的壓縮算法，也由于網絡復雜性的加大而導致數據延時加大，最終要求回聲抑制來支持不斷加大的延遲，這一切都加重了DSP的工作量。另外，使用標準的現有處理器去作匯聚處理也明顯是越來越艱難，并常常成為了系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。
2．語音處理器（VP）的實現
到二十世紀九十年代末，因特網的數據流量很快就趕上了語音的數據流量，并很快就超出了它。這標志著將來的網絡會是一個共同的、唯一的、普遍存在的，同時支持語音和數據通信的網絡。
受到成指數級增長市場的誘惑，很多公司看到機會怱忙起動，希望生產出新的半導體元件來戰(zhàn)勝語音打包、壓縮和回聲抑制方面的挑戰(zhàn)，以降低VoP方案的成本。這種半導體元件專門針對VoP的要求，并且主要是要代替VoP原先使用的DSP和通用RISC微處理器。
這種新型半導體元件被叫作語音處理器(VP)，它不是技術創(chuàng)新成果，而只是傳統(tǒng)DSP核心和通用RISC處理器在一個或兩個硅片上的重新包裝和集成。DSP核心完成VoP的壓縮、回聲抑制和各種信號處理任務，而RISC處理器完成VoP的匯聚和打包處理。
圖3是一個VP核心處理技術的內部框圖。雖然VP在結構上和第一代VoP相似，但VP是集成在單一的芯片或芯片組上的。
生產VP的集成技術使得設備供應商能生產比用第一代技術更高密度的VoP網關，此外，用這種新的半導體元件比用傳統(tǒng)的DSP和RISC實現VoP網關具有更低的成本。
然而，VP也有一些嚴重的不足，第一個缺點是沒有全面考慮大型VoP網關的擴容升級能力。VP只能為小型網關提供固定的高容量(最多達幾百個端口)，若要實現處理數千個端口的網關，必須用專用線路連接多個VP來組成。
另外，由于VP元件的生產不能使用最新的芯片制造技術，VP降低成本的優(yōu)勢并沒有理想中那么大。而DSP和RISC處理器的情況完全不同，由于很多應用（如蜂窩電話）都在使用DSP和RISC處理器，它們的市場容量很大，這使得制造商有條件采用最新的半導體技術來生產這些芯片，以降低成本和增加利潤，制造商通過采用這樣的先進制造技術，抵消了一部分VP的綜合優(yōu)勢。這些新的處理芯片的另一個重要不足是：VP技術還非常年幼，可用的軟件受到很多功能性限制。要把VP和DSP混合使用，或用VP取代DSP，VP卻又和原來基于DSP的系統(tǒng)不兼容。當VP用戶使用VP去開發(fā)新的功能時，他們又不能在原先基于DSP并已經過驗證的代碼上進行開發(fā)，而是必須在VP供應商的全新平臺里進行重新開發(fā)。由于這種種原因，許多設備供應商對在系統(tǒng)中應用VP持謹慎或保守反對的態(tài)度。
3．ASIC/FPGA的實現
VoP技術，包括VoIP和VoATM，現在已為大眾所接受，并已有了明確的標準所支持。VoP網關也不再只是用于長途旁路的小設備，而已經成為下一代通信網基礎設施的一部分，這些大型網關對底層技術提出了新的要求，在這些網關中，對語音流的打包、匯聚、分發(fā)、路由尋找和控制所附加的處理量會非常龐大，用原來的DSP技術難以處理。
為了克服這些困難，新的NGN網關設計時使用了專用集成電路（ASIC）和現場可編程門陣列（FPGA）。ASIC和FPGA在大容量高密度的應用中已經被證明是可以降低成本和提高性能的技術。ASIC目前應用于許多通信設備之中，象路由器、交換機都用到了ASIC。在ATM信元處理方面，ASIC也是一個很好的選擇。3G無線的語音編碼器也將會采用基于ASIC的協(xié)處理器引擎，這使得NGN網關只需要很少量的基于DSP
的語音處理。
4．補充技術
由于ASIC/FPGA技術是一種定制設計技術，不會輕易更改，主要是因為從設計到投放市場需要不短的周期。這使得最適合用ASIC定做的是成熟的、充分定義的、反復使用不會頻繁更改的功能。在VoP網關中使用ASIC的目的是實現打包、回聲抑制和壓縮功能，減輕DSP/RISC的負荷，而不是替換它們。
這樣產生的混合技術在應用于高密度、大容量系統(tǒng)時，在降低成本、增加密度和減少功耗方面獲得最好的綜合性能。由于這種技術沿用了DSP/RISC技術，所以能滿足靈活多樣的功能要求，這是使用VP聯合處理器所不能得到的。這種技術還支持專用的和有特色的開發(fā)商自定義功能，并允許新功能的快速添加。
圖5畫出了這種技術實現的VoP系統(tǒng)框圖。圖中專用ASIC/FPGA引擎提供打包、匯聚、壓縮和回聲抑制功能。而DSP則用于信令功能，如音頻信號的接收和生成，DSP還用于開發(fā)商自定義功能。
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