專(zhuān)用集成電路和現場(chǎng)可編程陣列在VoP網(wǎng)關(guān)中的應用

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　一．概述
　　　　　　二．十年來(lái)通信技術(shù)的變化
　　　　　　三．VoP網(wǎng)關(guān)的實(shí)現情況
　　　　　　　 　1．傳統DSP和RISC處理器的實(shí)現
　　　　　　　　 2．語(yǔ)音處理器（VP）的實(shí)現
　　　　　　　　 3．ASIC/FPGA的實(shí)現
　　　　　　　　 4．補充技術(shù)
　　　　　　四．基于A(yíng)SIC/FPGA的方案的好處
　　　　　　　　1．增加密度和擴大容量
　　　　　　　　2．提高性能
　　　　　　　　3．成本比較
　　　　　　五. 下一代的解決方案
　　　　　　<<VoP技術(shù)>>
　　　　　　<<為什么ASIC/FPGA會(huì )具有高性能和低成本>>

一．概述　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　正在形成的下一代網(wǎng)絡(luò )(NGN)體系結構將我們帶到了集合多媒體業(yè)務(wù)的新世界。到那時(shí)，網(wǎng)絡(luò )設備供應商會(huì )致力于開(kāi)發(fā)下一代（NGN）VoP網(wǎng)關(guān)和綜合業(yè)務(wù)中心局（CO）交換機。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )供應商正急于尋找方法改善客戶(hù)關(guān)系和增加能帶來(lái)收益的業(yè)務(wù)，并降低成本。用來(lái)建立下一代網(wǎng)關(guān)和交換機的下層硅半導體技術(shù)決定了這些系統成本、容量、可升級能力和總體性能。本文討論了硅半導體技術(shù)的發(fā)展，以及利用專(zhuān)用集成電路（ASIC）和現場(chǎng)可編程陣列（FPGA）降低成本、優(yōu)化系統性能的問(wèn)題。
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二．十年來(lái)通信技術(shù)的變化

　　在過(guò)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(huì )快步向前發(fā)展。直到二十世紀九十年代，話(huà)音通信仍然占網(wǎng)絡(luò )通信量的大部分。PSTN主要以網(wǎng)絡(luò )接入交換機為基礎，出于當時(shí)的需要，這些交換機只支持話(huà)音業(yè)務(wù)和以語(yǔ)音為中心的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化業(yè)務(wù)。

圖1 VoP市場(chǎng)預測

　　隨著(zhù)因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的普及，與傳統電信業(yè)務(wù)供應商形成競爭、替代局面的新業(yè)務(wù)供應商看到了重大的機會(huì )：利用通過(guò)包網(wǎng)絡(luò )傳送話(huà)音(VoP)業(yè)務(wù)取代分離的話(huà)音/數據網(wǎng)業(yè)務(wù)。VoP技術(shù)最初主要用于長(cháng)途旁路。在過(guò)去的兩年里，VoP網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展勢頭明顯加快，通過(guò)寬帶網(wǎng)傳送話(huà)音的接入網(wǎng)關(guān)正在推廣，利用VoP本地網(wǎng)關(guān)代替傳統中心局交換機的機會(huì )也已出現。圖1用圖例說(shuō)明了VoP在交換機替換、長(cháng)途旁路和接入網(wǎng)關(guān)方面市場(chǎng)的分塊大小以及對末來(lái)的預測。

　　雖然對大型VoP網(wǎng)關(guān)和交換設備的需求在持續增長(cháng)，但是網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商仍要面對通信發(fā)展史上最大的經(jīng)濟挑戰。這就驅使系統構筑師、設計師和工程師尋找方法來(lái)提高系統性能和可升級能力，同時(shí)降低成本。今天，硅半導體技術(shù)的進(jìn)步大大提高了集成度，為VoP網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā)商帶來(lái)了新的機會(huì )。

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三．VoP網(wǎng)關(guān)的實(shí)現情況

　1．傳統DSP和RISC處理器的實(shí)現

　　二十世紀九十年代中期，系統開(kāi)發(fā)商利用當時(shí)的半導體技術(shù)開(kāi)發(fā)出第一代VoP 網(wǎng)關(guān)，當時(shí)可用的半導體技術(shù)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(jiǎn)指令集）處理器。在當時(shí)，DSP有多家大供應商，它在實(shí)現VoP網(wǎng)關(guān)中完成兩個(gè)主要功能：回聲抑制和語(yǔ)音壓縮。

　　回聲抑制和語(yǔ)音壓縮的處理需要進(jìn)行大量的精確的信號變換，這對定點(diǎn)DSP 最合適不過(guò)了。由于這些早期網(wǎng)關(guān)的容量非常小，DSP能輕松處理這些工作量，并能滿(mǎn)足工業(yè)標準發(fā)展所提出的VoP新業(yè)務(wù)的要求。

　　圖2畫(huà)出了第一代VoP網(wǎng)關(guān)典型的基于處理器的實(shí)現框圖，圖中利用通用DSP"場(chǎng)"來(lái)實(shí)現所有具體的DSP功能，利用通用RISC處理器來(lái)打包、匯聚和分發(fā)/路由尋找。（請參看補充材料＜VoP技術(shù)＞一文）。

圖2 第一代VoP網(wǎng)關(guān)的內部結構

　　隨著(zhù)VoP網(wǎng)關(guān)規模的擴大和產(chǎn)量的增加，系統供應商利用更多的DSP來(lái)增大VoP網(wǎng)關(guān)容量，導致了VoP網(wǎng)關(guān)容量的持續擴大，同時(shí)也引發(fā)了更高密度的DSP 技術(shù)的開(kāi)發(fā)。其間，由于推出了復雜的壓縮算法，也由于網(wǎng)絡(luò )復雜性的加大而導致數據延時(shí)加大，最終要求回聲抑制來(lái)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(lái)越艱難，并常常成為了系統發(fā)展的瓶頸。
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　2．語(yǔ)音處理器（VP）的實(shí)現

　　到二十世紀九十年代末，因特網(wǎng)的數據流量很快就趕上了語(yǔ)音的數據流量，并很快就超出了它。這標志著(zhù)將來(lái)的網(wǎng)絡(luò )會(huì )是一個(gè)共同的、唯一的、普遍存在的，同時(shí)支持語(yǔ)音和數據通信的網(wǎng)絡(luò )。

　　受到成指數級增長(cháng)市場(chǎng)的誘惑，很多公司看到機會(huì )怱忙起動(dòng)，希望生產(chǎn)出新的半導體元件來(lái)戰勝語(yǔ)音打包、壓縮和回聲抑制方面的挑戰，以降低VoP方案的成本。這種半導體元件專(zhuān)門(mén)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(yǔ)音處理器(VP)，它不是技術(shù)創(chuàng )新成果，而只是傳統DSP核心和通用RISC處理器在一個(gè)或兩個(gè)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(wù)，而RISC處理器完成VoP的匯聚和打包處理。

　　圖3是一個(gè)VP核心處理技術(shù)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。

圖3 用VP實(shí)現的VoP網(wǎng)關(guān)的內部結構

　　生產(chǎn)VP的集成技術(shù)使得設備供應商能生產(chǎn)比用第一代技術(shù)更高密度的VoP網(wǎng)關(guān)，此外，用這種新的半導體元件比用傳統的DSP和RISC實(shí)現VoP網(wǎng)關(guān)具有更低的成本。

　　然而，VP也有一些嚴重的不足，第一個(gè)缺點(diǎn)是沒(méi)有全面考慮大型VoP網(wǎng)關(guān)的擴容升級能力。VP只能為小型網(wǎng)關(guān)提供固定的高容量(最多達幾百個(gè)端口)，若要實(shí)現處理數千個(gè)端口的網(wǎng)關(guān)，必須用專(zhuān)用線(xiàn)路連接多個(gè)VP來(lái)組成。

　　另外，由于VP元件的生產(chǎn)不能使用最新的芯片制造技術(shù)，VP降低成本的優(yōu)勢并沒(méi)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(huà)）都在使用DSP和RISC處理器，它們的市場(chǎng)容量很大，這使得制造商有條件采用最新的半導體技術(shù)來(lái)生產(chǎn)這些芯片，以降低成本和增加利潤，制造商通過(guò)采用這樣的先進(jìn)制造技術(shù)，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(gè)重要不足是：VP技術(shù)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(lái)基于DSP的系統不兼容。當VP用戶(hù)使用VP去開(kāi)發(fā)新的功能時(shí)，他們又不能在原先基于DSP并已經(jīng)過(guò)驗證的代碼上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，而是必須在VP供應商的全新平臺里進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)。由于這種種原因，許多設備供應商對在系統中應用VP持謹慎或保守反對的態(tài)度。
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　3．ASIC/FPGA的實(shí)現

　　VoP技術(shù)，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(wǎng)關(guān)也不再只是用于長(cháng)途旁路的小設備，而已經(jīng)成為下一代通信網(wǎng)基礎設施的一部分，這些大型網(wǎng)關(guān)對底層技術(shù)提出了新的要求，在這些網(wǎng)關(guān)中，對語(yǔ)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(huì )非常龐大，用原來(lái)的DSP技術(shù)難以處理。

　　為了克服這些困難，新的NGN網(wǎng)關(guān)設計時(shí)使用了專(zhuān)用集成電路（ASIC）和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）。ASIC和FPGA在大容量高密度的應用中已經(jīng)被證明是可以降低成本和提高性能的技術(shù)。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A(yíng)TM信元處理方面，ASIC也是一個(gè)很好的選擇。3G無(wú)線(xiàn)的語(yǔ)音編碼器也將會(huì )采用基于A(yíng)SIC的協(xié)處理器引擎，這使得NGN網(wǎng)關(guān)只需要很少量的基于DSP 的語(yǔ)音處理。
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　4．補充技術(shù)

　　由于A(yíng)SIC/FPGA技術(shù)是一種定制設計技術(shù)，不會(huì )輕易更改，主要是因為從設計到投放市場(chǎng)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(huì )頻繁更改的功能。在VoP網(wǎng)關(guān)中使用ASIC的目的是實(shí)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(chǎn)生的混合技術(shù)在應用于高密度、大容量系統時(shí)，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(shù)沿用了DSP/RISC技術(shù)，所以能滿(mǎn)足靈活多樣的功能要求，這是使用VP聯(lián)合處理器所不能得到的。這種技術(shù)還支持專(zhuān)用的和有特色的開(kāi)發(fā)商自定義功能，并允許新功能的快速添加。

　　圖5畫(huà)出了這種技術(shù)實(shí)現的VoP系統框圖。圖中專(zhuān)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(kāi)發(fā)商自定義功能。

圖5 用ASIC／FPGA實(shí)現的VoP網(wǎng)關(guān)的內部結構

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