專用集成電路和現(xiàn)場可編程陣列在VoP網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用
一．概述
正在形成的下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)體系結(jié)構(gòu)將我們帶到了集合多媒體業(yè)務(wù)的新世界。到那時，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商會致力于開發(fā)下一代（NGN）VoP網(wǎng)關(guān)和綜合業(yè)務(wù)中心局（CO）交換機(jī)。同時，網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商正急于尋找方法改善客戶關(guān)系和增加能帶來收益的業(yè)務(wù)，并降低成本。用來建立下一代網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)的下層硅半導(dǎo)體技術(shù)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(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，以及利用專用集成電路（ASIC）和現(xiàn)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(shù)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(jì)九十年代，話音通信仍然占網(wǎng)絡(luò)通信量的大部分。PSTN主要以網(wǎng)絡(luò)接入交換機(jī)為基礎(chǔ)，出于當(dāng)時的需要，這些交換機(jī)只支持話音業(yè)務(wù)和以語音為中心的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化業(yè)務(wù)。
隨著因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的普及，與傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)供應(yīng)商形成競爭、替代局面的新業(yè)務(wù)供應(yīng)商看到了重大的機(jī)會：利用通過包網(wǎng)絡(luò)傳送話音(VoP)業(yè)務(wù)取代分離的話音/數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)。VoP技術(shù)最初主要用于長途旁路。在過去的兩年里，VoP網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展勢頭明顯加快，通過寬帶網(wǎng)傳送話音的接入網(wǎng)關(guān)正在推廣，利用VoP本地網(wǎng)關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)中心局交換機(jī)的機(jī)會也已出現(xiàn)。圖1用圖例說明了VoP在交換機(jī)替換、長途旁路和接入網(wǎng)關(guān)方面市場的分塊大小以及對末來的預(yù)測。
雖然對大型VoP網(wǎng)關(guān)和交換設(shè)備的需求在持續(xù)增長，但是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商仍要面對通信發(fā)展史上最大的經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。這就驅(qū)使系統(tǒng)構(gòu)筑師、設(shè)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(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步大大提高了集成度，為VoP網(wǎng)關(guān)開發(fā)商帶來了新的機(jī)會。
三．VoP網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)情況
1．傳統(tǒng)DSP和RISC處理器的實(shí)現(xiàn)
二十世紀(jì)九十年代中期，系統(tǒng)開發(fā)商利用當(dāng)時的半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)出第一代VoP 網(wǎng)關(guān)，當(dāng)時可用的半導(dǎo)體技術(shù)主要是數(shù)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(dāng)時，DSP有多家大供應(yīng)商，它在實(shí)現(xiàn)VoP網(wǎng)關(guān)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(jìn)行大量的精確的信號變換，這對定點(diǎn)DSP 最合適不過了。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，并能滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展所提出的VoP新業(yè)務(wù)的要求。
圖2畫出了第一代VoP網(wǎng)關(guān)典型的基于處理器的實(shí)現(xiàn)框圖，圖中利用通用DSP"場"來實(shí)現(xiàn)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(bǔ)充材料＜VoP技術(shù)＞一文）。
圖2 第一代VoP網(wǎng)關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
隨著VoP網(wǎng)關(guān)規(guī)模的擴(kuò)大和產(chǎn)量的增加，系統(tǒng)供應(yīng)商利用更多的DSP來增大VoP網(wǎng)關(guān)容量，導(dǎo)致了VoP網(wǎng)關(guān)容量的持續(xù)擴(kuò)大，同時也引發(fā)了更高密度的DSP
技術(shù)的開發(fā)。其間，由于推出了復(fù)雜的壓縮算法，也由于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的加大而導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)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。
到二十世紀(jì)九十年代末，因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量很快就趕上了語音的數(shù)據(jù)流量，并很快就超出了它。這標(biāo)志著將來的網(wǎng)絡(luò)會是一個共同的、唯一的、普遍存在的，同時支持語音和數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)。
受到成指數(shù)級增長市場的誘惑，很多公司看到機(jī)會怱忙起動，希望生產(chǎn)出新的半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體元件被叫作語音處理器(VP)，它不是技術(shù)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(wù)，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(shù)的內(nèi)部框圖。雖然VP在結(jié)構(gòu)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(xiàn)的VoP網(wǎng)關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
生產(chǎn)VP的集成技術(shù)使得設(shè)備供應(yīng)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(dǎo)體元件比用傳統(tǒng)的DSP和RISC實(shí)現(xiàn)VoP網(wǎng)關(guān)具有更低的成本。
然而，VP也有一些嚴(yán)重的不足，第一個缺點(diǎn)是沒有全面考慮大型VoP網(wǎng)關(guān)的擴(kuò)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(dá)幾百個端口)，若要實(shí)現(xiàn)處理數(shù)千個端口的網(wǎng)關(guān)，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(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(yīng)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(dǎo)體技術(shù)來生產(chǎn)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(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卻又和原來基于DSP的系統(tǒng)不兼容。當(dāng)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(jīng)過驗(yàn)證的代碼上進(jìn)行開發(fā)，而是必須在VP供應(yīng)商的全新平臺里進(jìn)行重新開發(fā)。由于這種種原因，許多設(shè)備供應(yīng)商對在系統(tǒng)中應(yīng)用VP持謹(jǐn)慎或保守反對的態(tài)度。
VoP技術(shù)，包括VoIP和VoATM，現(xiàn)在已為大眾所接受，并已有了明確的標(biāo)準(zhǔn)所支持。VoP網(wǎng)關(guān)也不再只是用于長途旁路的小設(shè)備，而已經(jīng)成為下一代通信網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)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(shù)難以處理。
為了克服這些困難，新的NGN網(wǎng)關(guān)設(shè)計時使用了專用集成電路（ASIC）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。ASIC和FPGA在大容量高密度的應(yīng)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(yīng)用于許多通信設(shè)備之中，象路由器、交換機(jī)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(wǎng)關(guān)只需要很少量的基于DSP
的語音處理。
由于ASIC/FPGA技術(shù)是一種定制設(shè)計技術(shù)，不會輕易更改，主要是因?yàn)閺脑O(shè)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(fù)使用不會頻繁更改的功能。在VoP網(wǎng)關(guān)中使用ASIC的目的是實(shí)現(xiàn)打包、回聲抑制和壓縮功能，減輕DSP/RISC的負(fù)荷，而不是替換它們。
這樣產(chǎn)生的混合技術(shù)在應(yīng)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(shù)沿用了DSP/RISC技術(shù)，所以能滿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(shù)實(shí)現(xiàn)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。
圖5 用ASIC／FPGA實(shí)現(xiàn)的VoP網(wǎng)關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)