Gateway trong công nghệ voip
- 73 trang
- file: .doc
đang tải dữ liệu....
Tài liệu bị giới hạn, để xem hết nội dung vui lòng tải về máy tính.
Tải xuống - 73 trangNội dung text: Gateway trong công nghệ voip
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ.................................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU...........................................................................................iv
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...............................................................................................v
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................viii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VOIP...........................................................................1
1.1. Giới thiệu..................................................................................................................1
1.2. Các mô hình truyền thoại qua mạng IP....................................................................2
1.2.1. Phone to phone.................................................................................................2
1.2.2. PC to phone......................................................................................................3
1.2.3. PC to PC...........................................................................................................3
1.3. Kỹ thuật nén và mã hóa trong VoIP.........................................................................4
1.3.1.Giới thiệu chung.................................................................................................4
1.4. Đặc điểm của điện thoại VoIP................................................................................14
1.5. Các dịch vụ của VoIP.............................................................................................16
1.5.1. Dịch vụ thoại qua Internet...............................................................................16
1.5.2. Thoại thông minh.............................................................................................17
1.5.3. Dịch vụ tính cước cho bị gọi...........................................................................17
1.5.4. Dịch vụ Callback Web.....................................................................................17
1.5.5. Dịch vụ fax qua IP...........................................................................................17
1.5.6. Dịch vụ Call center..........................................................................................18
1.6. Ưu nhược điểm của VoIP so với PSTN.................................................................18
CHƯƠNG II: CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU SỬ DỤNG TRONG VOIP.................20
2.1. Giới thiệu giao thức H.323.....................................................................................20
2.1.1. Sự phát triển của H.323...................................................................................20
2.1.2. Sơ đồ kết nối sử dụng chuẩn H.323.................................................................21
2.1.3. Bộ giao thức H.323..........................................................................................22
2.1.4. Các thiết bị trong hệ thống H323.....................................................................24
2.2. Giao thức khởi tạo phiên SIP.................................................................................29
2.2.1. Giới thiệu.........................................................................................................29
2.2.2. Cấu trúc của SIP..............................................................................................30
2.2.3. Tổng quan về hoạt động của SIP.....................................................................32
2.2.4. Các bản tin SIP................................................................................................33
2.2.5.Hoạt động chính của SIP..................................................................................39
2.2.6. Liên mạng giữa SIP và SS7.............................................................................40
2.2.7 Mô hình liên mạng giữa SIP và H.323.............................................................45
2.3. Kết luận chương II..................................................................................................46
CHƯƠNG III: THIẾT BỊ GATEWAY.........................................................................48
3.1. Tổng quan về Gateway...........................................................................................48
3.1.1.Một số hãng sản xuất VoIP Gateway trên thế giới...........................................48
3.2. Các kiểu thiết bị gateway.......................................................................................50
3.2.1. Gateway xây dựng trên PC Server và card âm thanh......................................50
3.2.2. Gateway xây dựng trên PC Server sử dụng card xử lý tín hiệu số..................51
3.2.3. Gateway gắn với một phần tử của mạng nội bộ..............................................51
3.2.4. Gateway độc lập cho mạng điện thoại Internet...............................................51
3.3. Vị trí của VoIP Gateway trong cấu hình mạng......................................................51
3.3.1. Trong mạng công ty.........................................................................................52
3.3.2. Trong PSTN.....................................................................................................52
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD i
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
3.3.3. Trong NGN......................................................................................................53
3.4. Cấu trúc phần cứng và phần mềm..........................................................................54
3.4.1. Cấu trúc phần cứng..........................................................................................54
3.4.2. Cấu trúc phần mềm..........................................................................................58
3.5. Kết luận chương III................................................................................................63
KẾT LUẬN...................................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................65
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD ii
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Kết nối từ máy điện thoại đến máy điện thoại................................................2
Hình 1-2: Kết nối từ máy tính đến máy điện thoại..........................................................3
Hình 1-3: Kết nối từ máy tính tới máy tính.....................................................................3
Hình 1-4: Mô tả quá trình truyền tiếng nói từ phía gửi tới phía nhận............................5
Hình 1-5: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tổng hợp CELP........................................6
Hình 1-6: a) bộ nén LD – CELP. b) bộ giải nén LD-CELP............................................8
Hình 1-7: Sơ đồ bộ nén CS – ACELP...........................................................................10
Hình 1-8: Sơ đồ nguyên lý bộ giải nén CS – ACELP...................................................11
Hình 2-1: Các phần tử kết nối mạng H323...................................................................21
Hình 2-2: Mô hình giao thức H.323 tương quan với mô hình OSI...............................22
Hình 2-3: Các chức năng giao thức của hệ thống VoIP cho Audio..............................23
Hình 2-4: Cấu trúc H.323..............................................................................................25
Hình 2-5: Mỗi Gatekeeper quản lý một vùng H.323.....................................................26
Hình 2-6: Gatekeeper thông tin với các thành phần trong mạng..................................27
Hình 2-7: Mô hình giao thức của MCU........................................................................27
Hình 2-8: Các giai đoạn chính của H.323.....................................................................28
Hình 2-9: a- Proxy Server. b- Redirect Server.............................................................31
Hình 2-10: Hoạt động của Proxy server........................................................................39
Hình 2-11: Hoạt động của Redirect server....................................................................40
Hình 2-12: Thiết lập cuộc gọi cơ bản giữa SIP và PSTN.............................................42
Hình 2-13: Cuộc gọi không thành công........................................................................42
Hình 2-14: Định hướng cuộc gọi...................................................................................44
Hình 2-15: Kết thúc cuộc gọi........................................................................................45
Hình 2-16: Kết hợp SIP và H.323 sử dụng TDM..........................................................45
Hình 2-17: Kết hợp SIP và H.323 sử dụng Proxy đa giao thức....................................46
Hình 2-18: Kết hợp SIP và H.323 không dùng kết nối.................................................46
Hình 3-1: Vị trí VoIP Gateway trong mạng công ty.........................................................
Hình 3-2: Vị trí VoIP gateway trong mạng công cộng.....................................................
Hình 3-3: Vị trí của Media Gateway trong mạng NGN....................................................
Hình 3-4: Cấu trúc thiết kế phần cứng thiết bị cổng thoại dung lượng lớn.......................
Hình 3-5: Cấu trúc phần mềm thiết bị cổng thoại dung lượng lớn...................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD iii
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
Bảng 1-1: Sự phân bố bit của các tham số của thuật toánCS-ACELP tốc độ 8 kbit/s
(khung 10 ms)..................................................................................................................9
Bảng 1-2 : Các tham số của bộ nén và bộ giải nén CS – ACELP.................................12
Bảng 2-1: Tiêu đề SIP...................................................................................................35
Bảng 2-2: Giải thích một số tiêu đề chính của SIP.......................................................35
Bảng 2-3: Các đáp ứng của SIP.....................................................................................39
Bảng 3-1: Một số sản phẩm của Cisco..............................................................................
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ACELP Algebraic Code-Exited Linear Dự đoán tuyến tính kích thích
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD iv
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
Prediction theo mã
ADPCM Adaptive Differential Pulse Điều chế xung mã vi sai thích
Code Modulation nghi.
ADSL Asynmetric Digital Suscriber Đường dây thuê bao số không đối
Line xứng.
ANSI American National Standards Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ.
Institute
B-ISDN Broadband ISDN ISDN băng rộng.
BRQ Bandwith ReQuest Yêu cầu băng tần.
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập theo mã.
CELP Code Excided Linear Prediction Mã hoá dự đoán tuyến tính.
DCME Digital Circuit Multiplication Thiết bị ghép kênh số.
Equipment
ECAN Echo Canceller Bộ triệt tiếng vọng
EFR Enhanced Full Rate Codec Bộ mã hoá tốc độ tiên tiến
EL Echo Loss Suy hao tiếng vọng
ERL Echo Return Loss Tổn hao tiếng vọng tại bộ hybrid
ETSI European Telecommunications Tổ chức tiêu chuẩn viễn thông
Standards Institute Châu Âu.
ETSI European Telecomunication Viện tiêu chuẩn viễn thông châu
Standards Institute Âu.
FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file.
GCF Gatekeeper ConFirm Xác nhận gatekeeper.
GK GateKeeper Gatekeeper.
GQoS Guaranteed Quality of Service Bảo đảm chất lượng dịch vụ.
GRJ Gatekeeper ReJect Từ chối gatekeeper.
GRQ Gatekeeper ReQuest Yêu cầu gatekeeper.
IP Internet Protocol Giao thức Internet.
ITU International Tổ chức viễn thông quốc tế.
Telecommunication Union
ITU-T ITU Telecommunication Ngành chuẩn hoá viễn thông
Standardization Sector thuộc tổ chức viễn thông quốc tế.
ISDN Intergrated Service Digital Mạng số đa dịch vụ.
Network
ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet.
LAN Local Area Network Mạng cục bộ.
LD-CELP Low Delay Code-Excited Dự đoán tuyến tính theo mã có trễ
Linear Prediction thấp.
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD v
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
LR Loudness Rating Tổn thất cường độ âm lượng.
LSTR Listenner’s Sidetone Rating Tham số suy hao cường độ nhiễu
phòng qua đường sidetone.
Lu, Ll Electrical Loss (upper), (lower) Suy hao tiếng vọng (đường phía
trên), (phía dưới).
Mbps Megabit per second Mêga bít trên 1 giây.
MC Multipoint Controller Bộ điều khiển đa điểm.
MCU Multipoint Control Unit Khối điều khiển đa điểm.
MP Multipoint Processor Bộ xử lý đa điểm.
MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức.
MTU Maximum Transfer Unit Kích thước tối đa của một đơn vị
truyền tải.
PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã.
PLC Packet Loss Concealment Giải thuật khắc phục tổn hao gói.
PSTN Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch
Network công cộng.
qdu Quantization distortion unit Đơn vị nhiễu lượng tử
qduu, qdul qdu upper, qdu lower qdu cho đường truyền và đường
thu.
RAS Register Admission Status Kênh đăng ký, đăng nhập, trạng
thái
RLR Receive Loudness Rating Tổn hao cường độ âm lượng giữa
miệng người nói và một giao diện
trong mạng.
RTCP Real Time Control Protocol Giao thức điều khiển thời gian
thực.
RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực
SCN Switched Curcuit Network Mạng chuyển kênh.
SGCP Simple Gateway Control Giao thức điều khiển gateway.
Protocol
SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi đầu phiên.
SPT Saigon PostTel Công ty Saigon Posttel.
SS7 Signalling System No.7 Hệ thống báo hiệu số 7.
Tr Round Trip Delay Trễ vòng (trong mạch vòng 4
dây).
Tl lower Mean One-way Delay Trễ một chiều trung bình đường
phía dưới (đường về phía A).
Tu upper Mean One-way Delay Trễ một chiều trung bình đường
phía trên (đường về phía B).
Tul upper=lower Trễ trung bình khi cho cả đường
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD vi
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
phía trên và phía dưới.
TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải
TIA Telecommunication Industry Tổ chức công nghiệp viễn thông
Association
VNPT Viet Nam Post and Telecom Tổng công ty Bưu Chính Viễn
Thông Việt Nam.
VoIP Voice over Internet Protocol Thoại truyền qua giao thức
Internet.
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay ngành công nghiệp viễn thông đã đạt được những thành tựu lớn. Sự
phát triển của kỹ thuật số, kỹ thuật phần cứng và công nghệ tin học đã đem lại cho
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD vii
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
người sử dụng nhiều dịch vụ mới đa dạng và phong phú. Nhiều nghiên cứu về công
nghệ IP (Internet Protocol) đã được tiến hành trong những năm vừa qua. Việc triển
khai các dịch vụ mang tính công nghệ mới này trên mạng viễn thông đang từng bước
được thực hiện. Một trong các dịch vụ này là điện thoại được truyền qua giao thức
Internet được gọi là VoIP (Voice over Internet Protocol) đang được triển khai và đưa
vào sử dụng.
Tính hấp dẫn của việc khai thác dịch vụ VoIP so với điện thoại truyền thống
không chỉ ở việc tiết kiệm chi phí mà còn ở các khả năng mở rộng các dịch vụ mới của
nó. VoIP cho phép kết hợp một cách chặt chẽ giữa mạng thoại và các mạng số liệu
(LAN, Internet). Trên cùng một đôi dây kết hợp với máy vi tính người dùng có thể vừa
truy nhập vào Internet, đồng thời vẫn thực hiện và nhận các cuộc gọi điện thoại, fax...
Với xu hướng phát triển của loại hình dịch vụ VoIP em đã chọn đề tài “Cổng
Gateway trong công nghệ VoIP” làm đề tài tốt nghiệp của mình. Mục đích của đồ án là
tìm hiểu chi tiết về quá trình thiết lập và giải phóng một cuộc gọi VoIP sử dụng các
giao thức phổ biến là SIP và H.323, kiến trúc phần cứng và phần mềm thiết bị
Gateway.
Nội dung chi tiết bao gồm:
Chương I: Tổng quan về dịch vụ VoIP: Đề cập đến các ưu điểm của VoIP so với điện
thoại chuyển mạch kênh truyền thống và các dịch vụ chính do VoIP cung cấp.
Chương II: Các giao thức trong VoIP: Tìm hiểu về hai giao thức báo hiệu VoIP cơ
bản là SIP và H.323.
Chương III: Kiến trúc thiết bị Gateway: Tìm hiểu chức năng hoạt động của thiết bị
Gateway.
Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy giáo, cô giáo trong khoa
viễn thông và đặc biệt là cô giáo, Ths.Nguyễn Thanh Trà đã tận tình hướng dẫn em
hoàn thành đồ án này. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã quan
tâm và giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng 02 năm 2010
Sinh viên: Hoàng Ngọc Chiến
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD viii
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VOIP
1.1. Giới thiệu
Có thể nói phát minh quan trọng nhất trong thế kỷ 19 của loài người là phát
minh ra chiếc điện thoại của Alexander Graham Bell. Từ đó đến nay điện thoại trở
thành một vật dụng không thể thiếu đối với thế giới. Lợi ích mà điện thoại mang lại cho
con người là không thể phủ nhận. Tuy nhiên chi phí cho dịch vụ điện thoại không phải
là rẻ khi so sánh với các chi phí sinh hoạt thông thường trong gia đình và chi phí kinh
doanh. Cước phí cho cuộc gọi nội hạt đã cao nhưng cho cuộc gọi đường dài còn cao
hơn và đặc biệt là cuộc gọi quốc tế. Đối với các cơ quan doanh nghiệp thường xuyên
phải thực hiện các cuộc gọi đi quốc tế thì đây quả thực là một vấn đề lớn.
Công nghệ VoIP ra đời đã giải quyết vấn đề trên. Do đặc điểm về mặt công nghệ
mà chi phí giá thành của cuộc gọi VoIP rẻ hơn rất nhiều so với giá thành của điện thoại
chuyển mạch kênh truyền thống. Thay vì sử dụng một kênh logic cố định để truyền các
tín hiệu thoại, thì công nghệ VoIP đóng gói các tín hiệu thoại và gửi chúng qua mạng
nền IP như mạng Internet. Kết quả là chi phí tài nguyên cho cuộc gọi được tiết kiệm
đáng kể. Do các tín hiệu thoại được truyền đi dưới dạng gói mà cuộc gọi chia sẻ tài
nguyên với tất cả các cuộc gọi khác. Mạng có thể tận dụng các khoảng thời gian thuê
bao ngừng nói để chèn các gói tin dữ liệu khác vào kênh truyền (như các gói tin của
cuộc gọi khác hay các gói tin dữ liệu). Như vậy chi phí giá thành tài nguyên cho mạng
cho một cuộc gọi sẽ giảm đi và người dùng phải trả ít tiền hơn. Cũng do sử dụng mạng
gói nên các dịch vụ đưa ra cũng phong phú hơn.
Mặc dù chất lượng chưa được tốt nhưng chi phí thấp so với điện thông thường
đã trở thành yếu tố cạnh tranh và giúp nó tồn tại. Bắt đầu phát triển lớn mạnh và kéo
theo việc ra đời của các tổ chức chuẩn hoá liên quan như ITU có các chuẩn sau
H.250.0, H.245, H.225 (Q.931): cho quản lý; H.261, H.263 cho mã hoá video; các
chuẩn G cho xử lý thoại…Có rất nhiều chuẩn nhưng đang có xu hướng hội tụ thành hai
chuẩn H.323 của ITU và SIP của IETF.
Voice over IP: được hiểu là công nghệ truyền thoại qua môi trường IP. Vì đặc
điểm của mạng gói là tận dụng tối đa việc sử dụng băng thông mà ít quan tâm tới thời
gian trễ lan truyền và xử lý trên mạng, trong khi tín hiệu thoại lại là một dạng thời gian
thực, cho nên người ta đã bổ sung vào mạng các phần tử mới và thiết kế các giao thức
phù hợp để có thể đảm bảo chất lượng dịch vụ cho người dùng. Nó không chỉ truyền
thoại mà còn truyền cho các dịnh vụ khác như truyền hình và dữ liệu. Sự xuất hiện
VoIP ở Việt Nam đã cung cấp cho xã hội một dịch vụ điện thoại đường dài có cước phí
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 1
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
thấp hơn nhiều so với dịch vụ điện thoại đường dài truyền thống với chất lượng mà
người sử dụng có thể chấp nhận được.
1.2. Các mô hình truyền thoại qua mạng IP.
Truyền thông thoại qua môi trường Internet chứ không qua môi trường PSTN
như thông thường đã được Vocaltec hiện thực hoá lần đầu tiên vào tháng 2 năm 1995
khi Vocaltec đưa ra phần mềm điện thoại internet. Phần mềm này được thiết kế cho nền
máy tính cá nhân PC 486/33 MHz (hoặc cao hơn) có trang bị card âm thanh, loa, micro
thoại và modem, phần mềm thực hiện nén tín hiệu thoại và chuyển đổi thành các gói tin
IP để truyền dẫn qua môi trường Internet.
Các cuộc gọi thông qua mạng PSTN nội hạt đến Gateway Server gần nhất, tại
đó, tín hiệu thoại được số hoá (nếu chưa số hoá), nén vào các gói tin IP và chuyển lên
Internet để truyền tải đến Gateway ở phía đầu cuối thu. Với việc hỗ trợ cho cả các cuộc
thoại PC-to-telephone, telephone-to-PC và telephone-to-telephone, điện thoại Internet
đã chiếm được vai trò quan trọng trong hướng phát triển tiến tới tích hợp các mạng
thoại và mạng dữ liệu. Như vậy, về nguyên tắc các dịch vụ thoại qua giao thức IP bao
gồm một số loại sau đây:
Máy điện thoại tới máy điện thoại (Phone to Phone).
Máy tính tới máy điện thoại (PC to Phone).
Máy tính tới máy tính (PC to PC).
1.2.1. Phone to phone.
Trong loại hình dịch vụ này, bên chủ gọi và bên bị gọi đều sử dụng điện thoại
Hình 1-1: Kết nối từ máy điện thoại đến máy điện thoại.
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 2
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
thông thường. Gateway ở mỗi phía làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu thoại PCM 64 Kbps
thành các gói tin IP và ngược lại. Các gói tin này được gửi từ bên nói tới bên nghe trong
một mạng gói hoạt động dựa trên giao thức IP
1.2.2. PC to phone.
Trong loại hình dịch vụ này, người gọi sử dụng một máy tính đa phương tiện
để thực hiện một cuộc gọi tới một thuê bao cố định PSTN hoặc thuê bao di động thông
thường. Tín hiệu thoại từ phía người gọi thông qua máy tính được đóng gói vào các gói
tin IP truyền qua mạng IP tới Gateway. Tại đó, các gói tin IP được chuyển đổi thành tín
hiệu 64 Kbps thông thường và chuyển tới tổng đài nội hạt của thuê bao bị gọi. Sau đó,
chuyển tới máy điện thoại của thuê bao bị gọi.
H.323 Terminal Mạng IP
Gateway PSTN
Gatekeeper
Telephone
Telephone
Hình 1-2: Kết nối từ máy tính đến máy điện thoại.
1.2.3. PC to PC.
Trong loại hình dịch vụ này, hai PC có thể được kết nối trực tiếp với nhau trong
H.323 Terminal
H.323 Terminal
Mạng IP Mạng IP
Gateway Gateway
ISDN/
Gatekeeper PSTN Gatekeeper
Hình 1-3: Kết nối từ máy tính tới máy tính.
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 3
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
cùng một mạng IP hay giữa các mạng IP với nhau thông qua một mạng trung gian khác
(như ISDN/PSTN). Trong các kết nối này, các PC đóng vai trò như các đầu cuối VoIP.
Nó là một máy tính đa phương tiện gồm sound card, loa, micro...và có phần mềm phục
vụ dịch vụ thoại Internet. Tín hiệu thoại từ phía người gọi thông thường qua máy tính
đa phương tiện được đóng vào các gói IP và truyền qua mạng. Hai đầu cuối có thể ở
trong cùng một mạng IP hoặc thuộc các mạng IP khác nhau. Trong trường hợp thứ hai,
các mạng IP có thể được kết nối với nhau qua một mạng trung gian. Mạng này có thể là
ISDN, PSTN hay Internet.
1.3. Kỹ thuật nén và mã hóa trong VoIP.
1.3.1.Giới thiệu chung.
Tiếng nói muốn truyền từ phía phát sang phía nhận cần phải chuyển đổi thành
dạng số một các có hiệu quả và sau đó có thể giải điều chế để có thể tái tạo lại tiếng nói
gần giống như tiếng nói gốc. Chất lượng tiếng nói trong VoIP bị ảnh hưởng rất lớn bởi
chúng. Tiêu chuẩn đánh giá thuật toán điều chế tiếng nói. Để đánh giá một bộ Code hay
Decode, người ta dựa vào những tiêu chuẩn sau:
+ Chất lượng: Chất lượng điều chế phải đảm bảo vì chất lượng tồi sẽ làm cho
tiếng nói thu được bị méo đi, làm giảm chất lượng chung của hệ thống.
+ Tốc độ điều chế: Điều chế và giải điều chế là một công đọan trong toàn bộ
cuộc thoại. Trễ trong mỗi công đoạn đều cộng thêm vào trễ toàn thể. Tốc độ điều chế và
giải điều chế càng cao càng tốt vì nó giúp giảm trễ chung của cuộc truyền, đảm bảo
yêu cầu về tính thời gian thực .
+ Tỉ lệ nén: Qua bộ Code, người ta mong muốn dữ liệu được nén càng nhiều
càng tốt, nghĩa là cần ít bit để biểu diễn cho một lượng tiếng nói, với mục đích làm cho
dòng tiếng nói chiếm ít dải thông của kênh truyền. Tỉ lệ nén cao sẽ tiết kiệm được
đường truyền.
+ Độ phức tạp thuật toán: Thuật toán Code càng phức tạp thì càng đòi hỏi nhiều
tài nguyên như CPU, bộ nhớ. Code quá phức tạp sẽ gây khó khăn nhiều hơn
- Lý thuyết điều chế tiếng nói
Tín hiệu tiếng nói bản thân nó là dạng tương tự, để truyền đi hoặc đưa qua các
khối xử lý, chúng ta phải số hóa nó để chuyển nó sang dạng số. Hai bước để biến một
tín hiệu tiếng nói tương tự thành số, đó là rời rạc hóa về thời gian ( lấy mẫu) và lượng
tử hóa về biên độ ( lượng tử hóa).
Trong quá trình số hóa, sóng âm tương tự sẽ được lấy mẫu tại một tốc độ cố định.
Lượng tử hóa xảy ra ở mỗi mẫu (Sample) khi biên độ của tín hiệu tại thời điểm đó được
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 4
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
đo đạc và đậi diện bằng những giá trị lượng tử gần nó nhất. Đầu ra của quá trình trên
được gọi là âm thanh dạng số.
Sender
Output
Codec Packetization
Queuing
Network
Uplink Backbon Downlink
Tranmission Tranmission Tranmission
Receiver
Input Jiter
Codec
Queuing Buffer
Hình 1-4: Mô tả quá trình truyền tiếng nói từ phía gửi tới phía nhận.
+ Lấy mẫu: Việc lấy mẫu tín hiệu tương tự tuân theo định luật lấy mẫu:
Fs >= 2 Fmax, trong đó Fs là tần số lấy mẫu và Fmax là tần số cực đại của tín hiệu. Đối
với tiếng nói, dải tần số quan trọng nằm trong khoảng từ 40 Hz đến 3400 Hz, vì thế ta
có thể lấy mẫu với Fs = 8kHz. Trước khi lấy mẫu trực tiếp tín hiệu tương tự, người ta
cho nó đi qua một bộ lọc thông thấp với tần số cắt là Fc, bộ lọc này có tác dụng loại bỏ
đi các thành phần tần số cao hơn tần số cắt. Điều này không làm ảnh hưởng nhiều đến
chất lượng tiếng nói vì phần lớn năng lượng tiếng nói tập chung ở miền tần số thấp. Sở
dĩ phải cho qua bộ lọc thông thấp như vậy vì nhờ đó sẽ tránh được hiện tượng trùm phổ
khi ta lấy mẫu với Fs >= 2Fc. Giá trị mẫu lúc này là giá trị tức thời tại lúc lấy mẫu.
+ Lượng tử hóa: Sau khi rời rạc hóa về mặt biên đọ và tín hiệu tương tự, chúng
ta thu được các giá trị biên độ tức thời của tín hiệu. Lượng tử hóa được hiểu là cách
biểu diễn một mẫu tín hiệu bằng giá trị N bit. Ta tìm cách rời rạc hóa miền giá trị của
nó bằng cách dùng N bit nhị phân biểu diễn các giá trị gần đúng của biên độ. Với N bit
của mã nhị phân ta có 2 mũ N giá trị khác nhau. Các giá trị tức thì của biên độ sẽ được
làm tròn tới giá trị gần nhất trong miền 2 mũ N giá trị rời rạc. Sai số của miền làm tròn
được gọi là sai số lượng tử.
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 5
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
1.3.2. Kỹ thuật nén trong VoIP.
a. Nguyên lý chung của bộ nén CELP.
Tín hiệu kích thích là một mục từ của một bảng mã rất lớn được phân bố một
cách ngẫu nhiên. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tổng hợp CELP được đưa ra trong
hình 1.5.
- Tại phía phát :Các tham số của bộ lọc tổng hợp cùng tăng ích và độ trễ của các
bảng mã (bao gồm bảng mã thích ứng và bảng mã ngẫu nhiên )được truyền đi .
- Tại phía thu :cũng sử dụng những bảng thích ứng và ngẫu nhiên như thế để xác
định tín hiệu kích thích tại lối vào bộ lọc tổng hợp LPC để tạo tiếng nói tổng hợp.
Bảng mã thích ứng
Khuyếch đại
U(n) Bộ lọc tổng S*(n) Tiếng nói tổng hợp
hợp
Trễ khung
con
Khuyếch đại
Bảng mã ngẫu nhiên
Hình 1-5: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tổng hợp CELP.
Bảng mã kích thích gồm L từ mã (là các véc tơ ngẫu nhiên ) có độ dài N mẫu
(thông thường L=1024,N=40 mẫu ứng với một khung kích thích 5ms) .Bằng cách tìm
kiếm triệt để toàn bộ bảng mã ngẫu nhiên người ta sẽ chọn được tín hiệu kích thích của
một khung tiếng nói dài N mẫu.Bộ lọc tổng hợp đã tính trọng số được cho bởi :
Độ phức tạp của bộ mã hoá này tăng khi tốc độ bit giảm.Thí dụ CELP có thể cho
tiếng nói tốc độ thấp tới 4.8 kbps với trả giá rất cao về đòi hỏi tính toán do : tín hiệu
kích thích tối ưu được tìm kiếm thông qua bảng mã rất lớn (kích thước bảng mã thường
gồm khoảng 1024 mục từ ) .
Đối với bảng mã có 1024 từ mã và một khung kích thước 40 mẫu thì cần thực
hiện khoảng 40.000 phép nhân để soát bảng mã .
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 6
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
Có thể nhận xét rằng : nhược điểm của phương pháp CELP là : có một thủ tục đòi hỏi
tính toán rất lớn rất khó có thể thực hiện trong thời gian thực .Vậy có một phương pháp
đơn giản hoá thủ tục soát bảng mã sao cho không ảnh hưởng tới chất lượng tiếng
nói .Đó là phương pháp sử dụng các bảng mã đại số ACELP (Algebraic CELP) trong
đó các bảng mã được tạo ra nhờ các mã sửa lỗi nhị phân đặc biệt và để nâng cao hiệu
quả rà soát bảng mã, người ta sử dụng các bảng mã đại số có cấu liên kết CS-ACELP
(Conjugate-Structure ACELP) .Khuyến nghị ITU G.729 đưa ra nguyên lý của bộ mã
hoá tiếng nói sử dụng phương pháp CS-ACELP mã hoá tiếng nói tốc độ thấp 8kbps.
b. Phương pháp nén LD-CELP -G728.
Nén tiếng nói kiểu LD-CELP (Low Delay CELP) ở tốc độ 16Kbps. Nguyên lý
của bộ mã này kế thừa CELP với kiểu tìm kiếm phân tích bằng tổng hợp. Ngoài ra nó
sử dụng kiểu thích nghi backward đối với hai khối dự đoán âm sắc và độ khuyếch đại
để đạt tới chế thuật toán là 0,625 ms. Chỉ có phần index của codebook được truyền đi
hay vì truyền tất cả các tham số đặc trưng của CELP. Các hệ số dự đoán được cập nhập
thông qua phân tích LPC các mẫu tiếng nói được lượng tử hoátrước đó. Độ khuyếch đại
được cập nhật bằng cách sử dụngc ác thông tin nhúng trong các kích thích được lượng
tử hóa trước đó. Kích thước khối của vector kích thích và khối thích nghi độ khuyếch
đậi chỉ là 5 mẫu. Bộ lọc trọng số thụ cảm được cập nhạt bằng cách phân tich LPC của
tiếng nói không được tử hóa .
Bộ nén LD-CELP: Sau khi chuyển đổi tín hiệu từ dạng luật u hay luật A sang
dạng PCM đều, tín hiệu đầu vào được phân chia thành từng khối, mỗi khối gồm 5 mẫu
tín hiệu kế tiếp nhau. Với mỗi một khối vào được coi như một vector gồm 5 thành phần
và bộ mã hóa sẽ tiến hành tìm kiếm ở trong codebook xem codevector nào gần với
vector vào nhất trong số 1024 codevector ( được lưu trữ trong codebook) thông
qua bộ lọc tổng hợp và đơn vị cân đối đọ khuyếch đại. Codevector được chọn dựa vào
tiêu chuẩn cực tiểu hóa bình phương sai số giữa vector vào và codevector. Sau đó10 bit
index của codevector đó sẽ được truyền sang bộ giải mã. Đồng thời codevector đã chọn
đó được đưa qua bộ lọc tổng hợp và đơn vị cân đối đọ khuyếch đai để thiết lập khả
năng nhớ chính xác của bộ lọc để dùng cho việc mã
vector vào tiếp theo. Các hệ số của bộ lọc tổng hợp và độ khuyếch đại được cập nhật
đều đặn dựa vào phương pháp thích nghi backward
Dựa trên cơ sở các tín hiệu vừa được lượng tử hóa và kích thích được cân đối độ
khuyếch đại. Bộ giải nén LD-CELP: Việc giải điều chế cũng được tiến hành theo đơn vị
từng khối một. Dựa vào 10 bit index nhận được từ bên phát, bộ giải điều chế thực hiện
việc tìm kiếm trong bảng để trích ra codevector tương ứng từ codebook.
Codevector này sau đó được cho qua đơn vị cân đối đọ khuyếch đại và bộ lọc tổng hợp
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 7
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
để tạo ra vector tín hiệu. Các hệ số của bộ lọc tổng hợp và độ khuyếch đại cũng được
cập nhật theo cách thức giống như là của bộ điều chế. Vector tín hiệu sau đó được đưa
qua bộ lọc sau(Postfilter) để nâng cao chất lượng tín hiệu. Các hệ số của bộ lọc
postfilter được cập nhật đều đặn dựa trên những thông tin có sẵn ở bộ giải điều chế. 5
mẫu tín hiệu của vector tín hiệu sau đó được chuyển thành 5 mẫu tín hiệu ra ở dạng luật
hay luật A.
64 kbit/s
A-low or m-law
Convert to
PCM output Vector
uniform
buffer
PCM
VQ
Excitation Perceptual index
Synthesis Min 16 kbit/s
VQ Gain Weighing
filter MSE output
codebook Filter
Backware Backware
Gain predictor
adptation adptation
a)
64 kbit/s
VQ A-low or m-law
Excitation PCM output
index Synthesis Convert
VQ Gain Postfilter
filter to PCM
16 kbit/s codebook
output
Backware Backware
Gain predictor
adptation adptation
b)
Hình 1-6 a) bộ nén LD – CELP. b) bộ giải nén LD-CELP
c. Nguyên lý kỹ thuật nén CS-ACELP .
Bộ nén CS-ACELP thực hiện trên các khung tiếng nói chu kỳ 10 ms tương
đương với 80 mẫu tại tốc độ lâý mẫu 8000 mẫu /s.Cứ mỗi một khung 10 ms ,tín hiệu
tiếng nó lại được phân tích để trích lấy các tham số của bộ mã CELP (đó là :các hệ số
của bộ lọc dự báo thích ứng ,chỉ số các bảng mã cố định và bảng mã thích ứng cùng với
tăng ích của bảng mã ). Các tham số này sẽ được mã hoá và truyền đi.Sự phân bố bit
của các tham số mã hoá được trình bày ở bảng 1-1 dưới đây:
Tại phía thu: sử dụng các tham số này để khôi phục các tham số tín hiệu kích thích và
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 8
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
các tham số của bộ lọc tổng hợp .Tín hiệu tiếng nói sẽ được khôi phục bằng cách lọc
các tham số tín hiệu
Số bit trong Tổng số bít
Số bit trong
Tham số Từ mã khung con trong 1
khung con 1
2 khung
Các cặp vạch phổ L0,L1,L2,L3 18
Độ trễ mã thích ứng P1,P2 8 5 13
Độ chẵn lẻ trễ trước P0 1 1
Chỉ số mã cố định C1,C2 13 13 26
Dấu mã cố định S1,S2 4 4 8
Các bộ khuyếch đại
GA1,GA2 3 3 6
mã(Bước 1)
Các bộ khuyếch đại
GB1,GB2 4 4 8
mã(Bước 2)
Tổng cộng: 80
Bảng 1-1: Sự phân bố bit của các tham số của thuật toánCS-ACELP tốc độ 8
kbit/s (khung 10 ms)
Bộ lọc tổng hợp ngắn hạn dựa trên cơ sở bộ lọc dự báo tuyến tính LP bậc 10. Bộ
lọc tổng hợp dài hạn ,hay bộ lọc tổng hợp độ cao dung cho việc làm tròn mã thích ứng.
Sau khi khôi phục ,nhờ bộ lọc sau tiếng nói sẽ làm tăng độ trung thực. Sơ đồ khối bộ
kích thích này thông qua bộ lọc tổng hợp ngắn hạn. nén CS-ACELP được mô tả
Tín hiệu đầu vào đưa qua bộ tiền xử lý ,bộ này có hai chức năng :lọc thông cao
và tính toán tín hiệu.Tín hiệu đầu ra bộ tiền xử lý là tín hiệu đầu vào của các khối tổng
hợp tiếp sau.Sự tổng hợp dự báo tuyến tính (LP)được thực hiện một lần trong một
khung 10ms để tính các hệ số của bộ lọc dự báo tuyến tính (LP).Các hệ số này được
biến đổi thành các cặp vạch phổ (LSP) và được lượng tử bằng phương pháp lượng tử
hoá véc tơ dự báo hai bước (VQ) 8 bit.
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 9
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
Khối tiền
xử lý
Khối tổng hợp LP
lượng tử hoá và
nội suy
Bảng mã
LPC info
cố định
Bộ lọc
GC tổng hợp
Bảng mã
thích ứng
Gp
Bộ lọc tổng LPC info
hợp độ cao
Độ cảm
nhận
Tìm bảng mã
cố định
Sự lượng tử
hóa độ Sự lượng tử
khuyếch đại hóa độ
khuyếch đại
LPC info
Hình 1-7: Sơ đồ bộ nén CS – ACELP
Tín hiệu kích thích được lựa chọn bằng cách cực tiểu hoá sai số ,có tính đến
trọng số thụ cảm ,giữa tiếng nói gốc và tiếng nói tổng hợp.Các tham số kích thích
(gồm :bảng mã cố định và bảng mã thích ứng)được xác dịnh qua từng khung con
5ms(tương đương 40mẫu).Các hệ số của bộ lọc LP đã được lượng tử và chưa được
lượng tử được sử dụng cho phân khung thứ 2 ,còn tại phân khung thứ nhất các hệ số
của bộ lọc LP đã được nội suy sẽ được sử dụng (trong cả hai trường hợp đã lượng tử và
chưa lượng tử).Độ trễ bước mạch vòng hở sẽ được tính toán một lần trong một khung
10ms dựa trên độ lớn tín hiệu thoại .Sau đó các phép tính này sẽ lặp lại trong từng phân
khung tiếp theo.Tín hiệu ban đầu x(n) được tính bằng các lọc độ dư LP thông qua bộ
lọc tổng hợp W(z)/A(z).Trạng thái ban đầu của bộ lọc này Là Tín hiệu lỗi giữa tín hiêu
dư LP và tín hiệu kích thích .Sự phân tích bước của mạch vòng đóng sẽ thực hiện sau
đó (để tìm độ trễ mã thích ứng và độ khuếch đại )dùng tín hiệu ban đầu x(n) và đặc
tuyến xung h(n) ,bằng cách làm tròn giá trị độ trễ bước của mạch vòng hở.Độ trễ bước
được mã hoá bằng mã 8 bit trong phân khung thứ nhất ,độ vi sai của độ trễ được mã hoá
bằng mã 5 bit trong phân khung thứ 2 .Tín hiệu x'(n) là tín hiệu của 2 tín hiệu :tín hiệu
ban đầu x(n) và tín hiệu mã thích ứng -là tín hiệu mã cố định.Tín hiệu này được dùng
trong việc tìm tín hiệu kích thích tối ưu .Giá trị kích thích mã cố định được mã hoá
bằng mã đại số 17 bit(trong đó :chỉ số bảng mã cố định được mã hoá bằng từ mã
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 10
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
C1,C2-13 bit. Dấu bảng mã cố định được mã hoá bằng từ mã S1,S2-3bit).Các bộ
khuếch đại bảng mã cố định và bảng mã thích ứng được lượng tử hoá bằng véc tơ 7
bit(Trong đó:ở bước 1 được mã hoá bằng từ mã GA1,GA2 -3 bit ;ở bước 2 được mã
hoá bằng từ mã GB1,GB2-4 bit ).tại đây sự dự đoán trung bình động MA cho bộ
khuếch đại mã cố định .Cuối cùng ,dựa vào các bộ nhớ lọc sẽ xác định được tín hiệu
kích thích.
d. Nguyên lý bộ giải nén CS-ACELP.
Đầu tiên ,các chỉ số của các tham số được trích ra từ buồng bit thu.Các chỉ số
này sẽ được giải mã để thu lại các tham số của bộ mã hoá trong 1 khung tiếng nói 10
ms .Các tham số đó là :các hệ số LSP ,2 phần độ trễ bước(độ trễ bước và độ vi sai của
độ trễ bước) 2 vec tơ bảng mã cố định
(chỉ số mã cố định và chỉ số bảng mã cố định ),và 2 tập hợp độ khuếch đại bảng mã cố
định và bảng mã thích ứng .
Các hệ số LSP được nội suy và được chuyển đổi thành các hệ số bộ lọc LP cho mỗi
phân khung.Sau đó ,cứ mỗi phân khung thực hiện các bước tiếp theo: Giá trị kích thích
được khôi phục là tổng của véc tơ bảng mã cố định và bảng mã thích ứng nhân với các
giá trị khuếch đại tương ứng của chúng.
Tiếng nói được khôi phục bằng cách lọc giá trị kích thích này thông qua bộ lọc tổng
hợp LP Tín hiệu tiếng nói khôi phục đưa qua bước xử lý trạm ,bao gồm bộ lọc thích
ứng dựa trên cơ sở các bộ lọc tổng hợp ngắn hạn và dài hạn ,sau đó qua bộ lọc thông
Bảng mã
cố định
Bộ lọc Bộ xử lý
GC ngắn hạn trạm
Bảng mã
thích ứng
Gp
Hình 1-8: Sơ đồ nguyên lý bộ giải nén CS - ACELP
cao và bộ nâng tín hiệu.
Ký hiệu Mô tả Các bít
L0 Các chỉ số dự báo MA chuyển mạch của bộ lượng tử LPS 1
L1 Vec tơ bước đầu tiên của bộ lượng tử LPS 7
L2 Vec tơ thấp bước thứ hai của bộ lượng tử LPS 5
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 11
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
L3 Vec tơ cao bước thứ hai của bộ lượng tử LPS 5
P1 Độ trễ lên giọng của khung con thứ nhất 8
P0 Bit chẵn lẻ dành cho độ trễ lên giọng 1
S1 Dấu của các xung bảng mã cố định của khung con thứ nhất 4
C1 Bảng mã cố định của khung con thứ nhất 13
GA1 Khuyếch đại bảng mã (bước1) của khung con thứ nhất 3
GB1 Khuyếch đại bảng mã (bước2) của khung con thứ nhất 3
P2 Độ trễ lên giọng của khung con thứ hai 5
S2 Dẫu của các xung bảng mã cố định của khung con thứ hai 4
C2 Bảng mã cố định khung con thứ hai 13
GA2 Khuyếch đại bảng mã (bước1) của khung con thứ hai 3
GB2 Khuyếch đại bảng mã (bước2) của khung con thứ hai 4
Bảng 1-2 : Các tham số của bộ nén và bộ giải nén CS – ACELP.
e. Kỹ thuật nén MP-MLQ&ACELP G723.1.
Khuyến nghị G 723.1 đưa ra một bọ mã hóa tiêu chuẩn dùng để nén tín hiệu
tiếng nói hoặc các tín hiệu audio khác của các dịch vụ đa phương tiện tại tốc độ rất
thấp, giống với phần tiêu chuẩn của họ H323. Về tốc độ bit: Bộ mã hóa này có 2 tốc đọ
bit 5,3 kbps và 6.3 kbps. Bộ mã hóa có tốc đọ bit cao hơn sẽ có chất lượng cao hơn. Bộ
mã hóa có tốc độ bit thấp hơn đem lại chất lượng tốt và cộng thêm tính ninh hoạt, cung
cấp cho các nhà thiết kế hệ thống. Bộ mã hóa và giải mã bắt buộc phải có cả hai tốc đọ
bit này. Chúng có thể chuyển mạch được giữa hai tốc độ bit tại bất kỳ đường biên giới
nào đó của khung. Khi tín hiệu là phi thoại thì có thể lựa chọn một tốc độ bit biến thiên
về truyền không liên tục và điều khiển những khoảng trống. Tín hiệu đầu vào có thể của
bộ mã hóa này tối ưu hóa tín hiệu tiếng nói với chất lượng cao tai các tốc độ bit đã nói ở
trên với một độ hạn chế về độ phức tạp. Bộ mã hóa này dùng để mã hóa tiếng nói và
các tín hiệu audio khác với các khung dùng kỹ thuật mã hóa phân tích bằng tổng hợp dự
báo tuyến tính. Tín hiệu kích thích đối với bộ mã hóa tốc độ bit cao hơn là lượng tử hóa
đúng cực đại đa xung ( MP-MLQ) và đối với bộ mã hóa có tốc độ bit thấp hơn, là dự
đoán tuyến tính kích thích mã đại số (ACELP). Kích thích khung là 30ms, cộng thêm
7,5 ms look-ahead, tạo ra trễ sử lý thuật toán tổng cộng làd 37,5 ms. Toàn bộ trễ thêm
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 12
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ.................................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU...........................................................................................iv
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...............................................................................................v
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................viii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VOIP...........................................................................1
1.1. Giới thiệu..................................................................................................................1
1.2. Các mô hình truyền thoại qua mạng IP....................................................................2
1.2.1. Phone to phone.................................................................................................2
1.2.2. PC to phone......................................................................................................3
1.2.3. PC to PC...........................................................................................................3
1.3. Kỹ thuật nén và mã hóa trong VoIP.........................................................................4
1.3.1.Giới thiệu chung.................................................................................................4
1.4. Đặc điểm của điện thoại VoIP................................................................................14
1.5. Các dịch vụ của VoIP.............................................................................................16
1.5.1. Dịch vụ thoại qua Internet...............................................................................16
1.5.2. Thoại thông minh.............................................................................................17
1.5.3. Dịch vụ tính cước cho bị gọi...........................................................................17
1.5.4. Dịch vụ Callback Web.....................................................................................17
1.5.5. Dịch vụ fax qua IP...........................................................................................17
1.5.6. Dịch vụ Call center..........................................................................................18
1.6. Ưu nhược điểm của VoIP so với PSTN.................................................................18
CHƯƠNG II: CÁC GIAO THỨC BÁO HIỆU SỬ DỤNG TRONG VOIP.................20
2.1. Giới thiệu giao thức H.323.....................................................................................20
2.1.1. Sự phát triển của H.323...................................................................................20
2.1.2. Sơ đồ kết nối sử dụng chuẩn H.323.................................................................21
2.1.3. Bộ giao thức H.323..........................................................................................22
2.1.4. Các thiết bị trong hệ thống H323.....................................................................24
2.2. Giao thức khởi tạo phiên SIP.................................................................................29
2.2.1. Giới thiệu.........................................................................................................29
2.2.2. Cấu trúc của SIP..............................................................................................30
2.2.3. Tổng quan về hoạt động của SIP.....................................................................32
2.2.4. Các bản tin SIP................................................................................................33
2.2.5.Hoạt động chính của SIP..................................................................................39
2.2.6. Liên mạng giữa SIP và SS7.............................................................................40
2.2.7 Mô hình liên mạng giữa SIP và H.323.............................................................45
2.3. Kết luận chương II..................................................................................................46
CHƯƠNG III: THIẾT BỊ GATEWAY.........................................................................48
3.1. Tổng quan về Gateway...........................................................................................48
3.1.1.Một số hãng sản xuất VoIP Gateway trên thế giới...........................................48
3.2. Các kiểu thiết bị gateway.......................................................................................50
3.2.1. Gateway xây dựng trên PC Server và card âm thanh......................................50
3.2.2. Gateway xây dựng trên PC Server sử dụng card xử lý tín hiệu số..................51
3.2.3. Gateway gắn với một phần tử của mạng nội bộ..............................................51
3.2.4. Gateway độc lập cho mạng điện thoại Internet...............................................51
3.3. Vị trí của VoIP Gateway trong cấu hình mạng......................................................51
3.3.1. Trong mạng công ty.........................................................................................52
3.3.2. Trong PSTN.....................................................................................................52
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD i
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
3.3.3. Trong NGN......................................................................................................53
3.4. Cấu trúc phần cứng và phần mềm..........................................................................54
3.4.1. Cấu trúc phần cứng..........................................................................................54
3.4.2. Cấu trúc phần mềm..........................................................................................58
3.5. Kết luận chương III................................................................................................63
KẾT LUẬN...................................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................65
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD ii
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Kết nối từ máy điện thoại đến máy điện thoại................................................2
Hình 1-2: Kết nối từ máy tính đến máy điện thoại..........................................................3
Hình 1-3: Kết nối từ máy tính tới máy tính.....................................................................3
Hình 1-4: Mô tả quá trình truyền tiếng nói từ phía gửi tới phía nhận............................5
Hình 1-5: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tổng hợp CELP........................................6
Hình 1-6: a) bộ nén LD – CELP. b) bộ giải nén LD-CELP............................................8
Hình 1-7: Sơ đồ bộ nén CS – ACELP...........................................................................10
Hình 1-8: Sơ đồ nguyên lý bộ giải nén CS – ACELP...................................................11
Hình 2-1: Các phần tử kết nối mạng H323...................................................................21
Hình 2-2: Mô hình giao thức H.323 tương quan với mô hình OSI...............................22
Hình 2-3: Các chức năng giao thức của hệ thống VoIP cho Audio..............................23
Hình 2-4: Cấu trúc H.323..............................................................................................25
Hình 2-5: Mỗi Gatekeeper quản lý một vùng H.323.....................................................26
Hình 2-6: Gatekeeper thông tin với các thành phần trong mạng..................................27
Hình 2-7: Mô hình giao thức của MCU........................................................................27
Hình 2-8: Các giai đoạn chính của H.323.....................................................................28
Hình 2-9: a- Proxy Server. b- Redirect Server.............................................................31
Hình 2-10: Hoạt động của Proxy server........................................................................39
Hình 2-11: Hoạt động của Redirect server....................................................................40
Hình 2-12: Thiết lập cuộc gọi cơ bản giữa SIP và PSTN.............................................42
Hình 2-13: Cuộc gọi không thành công........................................................................42
Hình 2-14: Định hướng cuộc gọi...................................................................................44
Hình 2-15: Kết thúc cuộc gọi........................................................................................45
Hình 2-16: Kết hợp SIP và H.323 sử dụng TDM..........................................................45
Hình 2-17: Kết hợp SIP và H.323 sử dụng Proxy đa giao thức....................................46
Hình 2-18: Kết hợp SIP và H.323 không dùng kết nối.................................................46
Hình 3-1: Vị trí VoIP Gateway trong mạng công ty.........................................................
Hình 3-2: Vị trí VoIP gateway trong mạng công cộng.....................................................
Hình 3-3: Vị trí của Media Gateway trong mạng NGN....................................................
Hình 3-4: Cấu trúc thiết kế phần cứng thiết bị cổng thoại dung lượng lớn.......................
Hình 3-5: Cấu trúc phần mềm thiết bị cổng thoại dung lượng lớn...................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD iii
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
Bảng 1-1: Sự phân bố bit của các tham số của thuật toánCS-ACELP tốc độ 8 kbit/s
(khung 10 ms)..................................................................................................................9
Bảng 1-2 : Các tham số của bộ nén và bộ giải nén CS – ACELP.................................12
Bảng 2-1: Tiêu đề SIP...................................................................................................35
Bảng 2-2: Giải thích một số tiêu đề chính của SIP.......................................................35
Bảng 2-3: Các đáp ứng của SIP.....................................................................................39
Bảng 3-1: Một số sản phẩm của Cisco..............................................................................
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ACELP Algebraic Code-Exited Linear Dự đoán tuyến tính kích thích
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD iv
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
Prediction theo mã
ADPCM Adaptive Differential Pulse Điều chế xung mã vi sai thích
Code Modulation nghi.
ADSL Asynmetric Digital Suscriber Đường dây thuê bao số không đối
Line xứng.
ANSI American National Standards Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ.
Institute
B-ISDN Broadband ISDN ISDN băng rộng.
BRQ Bandwith ReQuest Yêu cầu băng tần.
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập theo mã.
CELP Code Excided Linear Prediction Mã hoá dự đoán tuyến tính.
DCME Digital Circuit Multiplication Thiết bị ghép kênh số.
Equipment
ECAN Echo Canceller Bộ triệt tiếng vọng
EFR Enhanced Full Rate Codec Bộ mã hoá tốc độ tiên tiến
EL Echo Loss Suy hao tiếng vọng
ERL Echo Return Loss Tổn hao tiếng vọng tại bộ hybrid
ETSI European Telecommunications Tổ chức tiêu chuẩn viễn thông
Standards Institute Châu Âu.
ETSI European Telecomunication Viện tiêu chuẩn viễn thông châu
Standards Institute Âu.
FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file.
GCF Gatekeeper ConFirm Xác nhận gatekeeper.
GK GateKeeper Gatekeeper.
GQoS Guaranteed Quality of Service Bảo đảm chất lượng dịch vụ.
GRJ Gatekeeper ReJect Từ chối gatekeeper.
GRQ Gatekeeper ReQuest Yêu cầu gatekeeper.
IP Internet Protocol Giao thức Internet.
ITU International Tổ chức viễn thông quốc tế.
Telecommunication Union
ITU-T ITU Telecommunication Ngành chuẩn hoá viễn thông
Standardization Sector thuộc tổ chức viễn thông quốc tế.
ISDN Intergrated Service Digital Mạng số đa dịch vụ.
Network
ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet.
LAN Local Area Network Mạng cục bộ.
LD-CELP Low Delay Code-Excited Dự đoán tuyến tính theo mã có trễ
Linear Prediction thấp.
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD v
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
LR Loudness Rating Tổn thất cường độ âm lượng.
LSTR Listenner’s Sidetone Rating Tham số suy hao cường độ nhiễu
phòng qua đường sidetone.
Lu, Ll Electrical Loss (upper), (lower) Suy hao tiếng vọng (đường phía
trên), (phía dưới).
Mbps Megabit per second Mêga bít trên 1 giây.
MC Multipoint Controller Bộ điều khiển đa điểm.
MCU Multipoint Control Unit Khối điều khiển đa điểm.
MP Multipoint Processor Bộ xử lý đa điểm.
MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức.
MTU Maximum Transfer Unit Kích thước tối đa của một đơn vị
truyền tải.
PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã.
PLC Packet Loss Concealment Giải thuật khắc phục tổn hao gói.
PSTN Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch
Network công cộng.
qdu Quantization distortion unit Đơn vị nhiễu lượng tử
qduu, qdul qdu upper, qdu lower qdu cho đường truyền và đường
thu.
RAS Register Admission Status Kênh đăng ký, đăng nhập, trạng
thái
RLR Receive Loudness Rating Tổn hao cường độ âm lượng giữa
miệng người nói và một giao diện
trong mạng.
RTCP Real Time Control Protocol Giao thức điều khiển thời gian
thực.
RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực
SCN Switched Curcuit Network Mạng chuyển kênh.
SGCP Simple Gateway Control Giao thức điều khiển gateway.
Protocol
SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi đầu phiên.
SPT Saigon PostTel Công ty Saigon Posttel.
SS7 Signalling System No.7 Hệ thống báo hiệu số 7.
Tr Round Trip Delay Trễ vòng (trong mạch vòng 4
dây).
Tl lower Mean One-way Delay Trễ một chiều trung bình đường
phía dưới (đường về phía A).
Tu upper Mean One-way Delay Trễ một chiều trung bình đường
phía trên (đường về phía B).
Tul upper=lower Trễ trung bình khi cho cả đường
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD vi
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
phía trên và phía dưới.
TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải
TIA Telecommunication Industry Tổ chức công nghiệp viễn thông
Association
VNPT Viet Nam Post and Telecom Tổng công ty Bưu Chính Viễn
Thông Việt Nam.
VoIP Voice over Internet Protocol Thoại truyền qua giao thức
Internet.
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay ngành công nghiệp viễn thông đã đạt được những thành tựu lớn. Sự
phát triển của kỹ thuật số, kỹ thuật phần cứng và công nghệ tin học đã đem lại cho
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD vii
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
người sử dụng nhiều dịch vụ mới đa dạng và phong phú. Nhiều nghiên cứu về công
nghệ IP (Internet Protocol) đã được tiến hành trong những năm vừa qua. Việc triển
khai các dịch vụ mang tính công nghệ mới này trên mạng viễn thông đang từng bước
được thực hiện. Một trong các dịch vụ này là điện thoại được truyền qua giao thức
Internet được gọi là VoIP (Voice over Internet Protocol) đang được triển khai và đưa
vào sử dụng.
Tính hấp dẫn của việc khai thác dịch vụ VoIP so với điện thoại truyền thống
không chỉ ở việc tiết kiệm chi phí mà còn ở các khả năng mở rộng các dịch vụ mới của
nó. VoIP cho phép kết hợp một cách chặt chẽ giữa mạng thoại và các mạng số liệu
(LAN, Internet). Trên cùng một đôi dây kết hợp với máy vi tính người dùng có thể vừa
truy nhập vào Internet, đồng thời vẫn thực hiện và nhận các cuộc gọi điện thoại, fax...
Với xu hướng phát triển của loại hình dịch vụ VoIP em đã chọn đề tài “Cổng
Gateway trong công nghệ VoIP” làm đề tài tốt nghiệp của mình. Mục đích của đồ án là
tìm hiểu chi tiết về quá trình thiết lập và giải phóng một cuộc gọi VoIP sử dụng các
giao thức phổ biến là SIP và H.323, kiến trúc phần cứng và phần mềm thiết bị
Gateway.
Nội dung chi tiết bao gồm:
Chương I: Tổng quan về dịch vụ VoIP: Đề cập đến các ưu điểm của VoIP so với điện
thoại chuyển mạch kênh truyền thống và các dịch vụ chính do VoIP cung cấp.
Chương II: Các giao thức trong VoIP: Tìm hiểu về hai giao thức báo hiệu VoIP cơ
bản là SIP và H.323.
Chương III: Kiến trúc thiết bị Gateway: Tìm hiểu chức năng hoạt động của thiết bị
Gateway.
Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy giáo, cô giáo trong khoa
viễn thông và đặc biệt là cô giáo, Ths.Nguyễn Thanh Trà đã tận tình hướng dẫn em
hoàn thành đồ án này. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã quan
tâm và giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng 02 năm 2010
Sinh viên: Hoàng Ngọc Chiến
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD viii
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VOIP
1.1. Giới thiệu
Có thể nói phát minh quan trọng nhất trong thế kỷ 19 của loài người là phát
minh ra chiếc điện thoại của Alexander Graham Bell. Từ đó đến nay điện thoại trở
thành một vật dụng không thể thiếu đối với thế giới. Lợi ích mà điện thoại mang lại cho
con người là không thể phủ nhận. Tuy nhiên chi phí cho dịch vụ điện thoại không phải
là rẻ khi so sánh với các chi phí sinh hoạt thông thường trong gia đình và chi phí kinh
doanh. Cước phí cho cuộc gọi nội hạt đã cao nhưng cho cuộc gọi đường dài còn cao
hơn và đặc biệt là cuộc gọi quốc tế. Đối với các cơ quan doanh nghiệp thường xuyên
phải thực hiện các cuộc gọi đi quốc tế thì đây quả thực là một vấn đề lớn.
Công nghệ VoIP ra đời đã giải quyết vấn đề trên. Do đặc điểm về mặt công nghệ
mà chi phí giá thành của cuộc gọi VoIP rẻ hơn rất nhiều so với giá thành của điện thoại
chuyển mạch kênh truyền thống. Thay vì sử dụng một kênh logic cố định để truyền các
tín hiệu thoại, thì công nghệ VoIP đóng gói các tín hiệu thoại và gửi chúng qua mạng
nền IP như mạng Internet. Kết quả là chi phí tài nguyên cho cuộc gọi được tiết kiệm
đáng kể. Do các tín hiệu thoại được truyền đi dưới dạng gói mà cuộc gọi chia sẻ tài
nguyên với tất cả các cuộc gọi khác. Mạng có thể tận dụng các khoảng thời gian thuê
bao ngừng nói để chèn các gói tin dữ liệu khác vào kênh truyền (như các gói tin của
cuộc gọi khác hay các gói tin dữ liệu). Như vậy chi phí giá thành tài nguyên cho mạng
cho một cuộc gọi sẽ giảm đi và người dùng phải trả ít tiền hơn. Cũng do sử dụng mạng
gói nên các dịch vụ đưa ra cũng phong phú hơn.
Mặc dù chất lượng chưa được tốt nhưng chi phí thấp so với điện thông thường
đã trở thành yếu tố cạnh tranh và giúp nó tồn tại. Bắt đầu phát triển lớn mạnh và kéo
theo việc ra đời của các tổ chức chuẩn hoá liên quan như ITU có các chuẩn sau
H.250.0, H.245, H.225 (Q.931): cho quản lý; H.261, H.263 cho mã hoá video; các
chuẩn G cho xử lý thoại…Có rất nhiều chuẩn nhưng đang có xu hướng hội tụ thành hai
chuẩn H.323 của ITU và SIP của IETF.
Voice over IP: được hiểu là công nghệ truyền thoại qua môi trường IP. Vì đặc
điểm của mạng gói là tận dụng tối đa việc sử dụng băng thông mà ít quan tâm tới thời
gian trễ lan truyền và xử lý trên mạng, trong khi tín hiệu thoại lại là một dạng thời gian
thực, cho nên người ta đã bổ sung vào mạng các phần tử mới và thiết kế các giao thức
phù hợp để có thể đảm bảo chất lượng dịch vụ cho người dùng. Nó không chỉ truyền
thoại mà còn truyền cho các dịnh vụ khác như truyền hình và dữ liệu. Sự xuất hiện
VoIP ở Việt Nam đã cung cấp cho xã hội một dịch vụ điện thoại đường dài có cước phí
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 1
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
thấp hơn nhiều so với dịch vụ điện thoại đường dài truyền thống với chất lượng mà
người sử dụng có thể chấp nhận được.
1.2. Các mô hình truyền thoại qua mạng IP.
Truyền thông thoại qua môi trường Internet chứ không qua môi trường PSTN
như thông thường đã được Vocaltec hiện thực hoá lần đầu tiên vào tháng 2 năm 1995
khi Vocaltec đưa ra phần mềm điện thoại internet. Phần mềm này được thiết kế cho nền
máy tính cá nhân PC 486/33 MHz (hoặc cao hơn) có trang bị card âm thanh, loa, micro
thoại và modem, phần mềm thực hiện nén tín hiệu thoại và chuyển đổi thành các gói tin
IP để truyền dẫn qua môi trường Internet.
Các cuộc gọi thông qua mạng PSTN nội hạt đến Gateway Server gần nhất, tại
đó, tín hiệu thoại được số hoá (nếu chưa số hoá), nén vào các gói tin IP và chuyển lên
Internet để truyền tải đến Gateway ở phía đầu cuối thu. Với việc hỗ trợ cho cả các cuộc
thoại PC-to-telephone, telephone-to-PC và telephone-to-telephone, điện thoại Internet
đã chiếm được vai trò quan trọng trong hướng phát triển tiến tới tích hợp các mạng
thoại và mạng dữ liệu. Như vậy, về nguyên tắc các dịch vụ thoại qua giao thức IP bao
gồm một số loại sau đây:
Máy điện thoại tới máy điện thoại (Phone to Phone).
Máy tính tới máy điện thoại (PC to Phone).
Máy tính tới máy tính (PC to PC).
1.2.1. Phone to phone.
Trong loại hình dịch vụ này, bên chủ gọi và bên bị gọi đều sử dụng điện thoại
Hình 1-1: Kết nối từ máy điện thoại đến máy điện thoại.
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 2
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
thông thường. Gateway ở mỗi phía làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu thoại PCM 64 Kbps
thành các gói tin IP và ngược lại. Các gói tin này được gửi từ bên nói tới bên nghe trong
một mạng gói hoạt động dựa trên giao thức IP
1.2.2. PC to phone.
Trong loại hình dịch vụ này, người gọi sử dụng một máy tính đa phương tiện
để thực hiện một cuộc gọi tới một thuê bao cố định PSTN hoặc thuê bao di động thông
thường. Tín hiệu thoại từ phía người gọi thông qua máy tính được đóng gói vào các gói
tin IP truyền qua mạng IP tới Gateway. Tại đó, các gói tin IP được chuyển đổi thành tín
hiệu 64 Kbps thông thường và chuyển tới tổng đài nội hạt của thuê bao bị gọi. Sau đó,
chuyển tới máy điện thoại của thuê bao bị gọi.
H.323 Terminal Mạng IP
Gateway PSTN
Gatekeeper
Telephone
Telephone
Hình 1-2: Kết nối từ máy tính đến máy điện thoại.
1.2.3. PC to PC.
Trong loại hình dịch vụ này, hai PC có thể được kết nối trực tiếp với nhau trong
H.323 Terminal
H.323 Terminal
Mạng IP Mạng IP
Gateway Gateway
ISDN/
Gatekeeper PSTN Gatekeeper
Hình 1-3: Kết nối từ máy tính tới máy tính.
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 3
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
cùng một mạng IP hay giữa các mạng IP với nhau thông qua một mạng trung gian khác
(như ISDN/PSTN). Trong các kết nối này, các PC đóng vai trò như các đầu cuối VoIP.
Nó là một máy tính đa phương tiện gồm sound card, loa, micro...và có phần mềm phục
vụ dịch vụ thoại Internet. Tín hiệu thoại từ phía người gọi thông thường qua máy tính
đa phương tiện được đóng vào các gói IP và truyền qua mạng. Hai đầu cuối có thể ở
trong cùng một mạng IP hoặc thuộc các mạng IP khác nhau. Trong trường hợp thứ hai,
các mạng IP có thể được kết nối với nhau qua một mạng trung gian. Mạng này có thể là
ISDN, PSTN hay Internet.
1.3. Kỹ thuật nén và mã hóa trong VoIP.
1.3.1.Giới thiệu chung.
Tiếng nói muốn truyền từ phía phát sang phía nhận cần phải chuyển đổi thành
dạng số một các có hiệu quả và sau đó có thể giải điều chế để có thể tái tạo lại tiếng nói
gần giống như tiếng nói gốc. Chất lượng tiếng nói trong VoIP bị ảnh hưởng rất lớn bởi
chúng. Tiêu chuẩn đánh giá thuật toán điều chế tiếng nói. Để đánh giá một bộ Code hay
Decode, người ta dựa vào những tiêu chuẩn sau:
+ Chất lượng: Chất lượng điều chế phải đảm bảo vì chất lượng tồi sẽ làm cho
tiếng nói thu được bị méo đi, làm giảm chất lượng chung của hệ thống.
+ Tốc độ điều chế: Điều chế và giải điều chế là một công đọan trong toàn bộ
cuộc thoại. Trễ trong mỗi công đoạn đều cộng thêm vào trễ toàn thể. Tốc độ điều chế và
giải điều chế càng cao càng tốt vì nó giúp giảm trễ chung của cuộc truyền, đảm bảo
yêu cầu về tính thời gian thực .
+ Tỉ lệ nén: Qua bộ Code, người ta mong muốn dữ liệu được nén càng nhiều
càng tốt, nghĩa là cần ít bit để biểu diễn cho một lượng tiếng nói, với mục đích làm cho
dòng tiếng nói chiếm ít dải thông của kênh truyền. Tỉ lệ nén cao sẽ tiết kiệm được
đường truyền.
+ Độ phức tạp thuật toán: Thuật toán Code càng phức tạp thì càng đòi hỏi nhiều
tài nguyên như CPU, bộ nhớ. Code quá phức tạp sẽ gây khó khăn nhiều hơn
- Lý thuyết điều chế tiếng nói
Tín hiệu tiếng nói bản thân nó là dạng tương tự, để truyền đi hoặc đưa qua các
khối xử lý, chúng ta phải số hóa nó để chuyển nó sang dạng số. Hai bước để biến một
tín hiệu tiếng nói tương tự thành số, đó là rời rạc hóa về thời gian ( lấy mẫu) và lượng
tử hóa về biên độ ( lượng tử hóa).
Trong quá trình số hóa, sóng âm tương tự sẽ được lấy mẫu tại một tốc độ cố định.
Lượng tử hóa xảy ra ở mỗi mẫu (Sample) khi biên độ của tín hiệu tại thời điểm đó được
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 4
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
đo đạc và đậi diện bằng những giá trị lượng tử gần nó nhất. Đầu ra của quá trình trên
được gọi là âm thanh dạng số.
Sender
Output
Codec Packetization
Queuing
Network
Uplink Backbon Downlink
Tranmission Tranmission Tranmission
Receiver
Input Jiter
Codec
Queuing Buffer
Hình 1-4: Mô tả quá trình truyền tiếng nói từ phía gửi tới phía nhận.
+ Lấy mẫu: Việc lấy mẫu tín hiệu tương tự tuân theo định luật lấy mẫu:
Fs >= 2 Fmax, trong đó Fs là tần số lấy mẫu và Fmax là tần số cực đại của tín hiệu. Đối
với tiếng nói, dải tần số quan trọng nằm trong khoảng từ 40 Hz đến 3400 Hz, vì thế ta
có thể lấy mẫu với Fs = 8kHz. Trước khi lấy mẫu trực tiếp tín hiệu tương tự, người ta
cho nó đi qua một bộ lọc thông thấp với tần số cắt là Fc, bộ lọc này có tác dụng loại bỏ
đi các thành phần tần số cao hơn tần số cắt. Điều này không làm ảnh hưởng nhiều đến
chất lượng tiếng nói vì phần lớn năng lượng tiếng nói tập chung ở miền tần số thấp. Sở
dĩ phải cho qua bộ lọc thông thấp như vậy vì nhờ đó sẽ tránh được hiện tượng trùm phổ
khi ta lấy mẫu với Fs >= 2Fc. Giá trị mẫu lúc này là giá trị tức thời tại lúc lấy mẫu.
+ Lượng tử hóa: Sau khi rời rạc hóa về mặt biên đọ và tín hiệu tương tự, chúng
ta thu được các giá trị biên độ tức thời của tín hiệu. Lượng tử hóa được hiểu là cách
biểu diễn một mẫu tín hiệu bằng giá trị N bit. Ta tìm cách rời rạc hóa miền giá trị của
nó bằng cách dùng N bit nhị phân biểu diễn các giá trị gần đúng của biên độ. Với N bit
của mã nhị phân ta có 2 mũ N giá trị khác nhau. Các giá trị tức thì của biên độ sẽ được
làm tròn tới giá trị gần nhất trong miền 2 mũ N giá trị rời rạc. Sai số của miền làm tròn
được gọi là sai số lượng tử.
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 5
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
1.3.2. Kỹ thuật nén trong VoIP.
a. Nguyên lý chung của bộ nén CELP.
Tín hiệu kích thích là một mục từ của một bảng mã rất lớn được phân bố một
cách ngẫu nhiên. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tổng hợp CELP được đưa ra trong
hình 1.5.
- Tại phía phát :Các tham số của bộ lọc tổng hợp cùng tăng ích và độ trễ của các
bảng mã (bao gồm bảng mã thích ứng và bảng mã ngẫu nhiên )được truyền đi .
- Tại phía thu :cũng sử dụng những bảng thích ứng và ngẫu nhiên như thế để xác
định tín hiệu kích thích tại lối vào bộ lọc tổng hợp LPC để tạo tiếng nói tổng hợp.
Bảng mã thích ứng
Khuyếch đại
U(n) Bộ lọc tổng S*(n) Tiếng nói tổng hợp
hợp
Trễ khung
con
Khuyếch đại
Bảng mã ngẫu nhiên
Hình 1-5: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tổng hợp CELP.
Bảng mã kích thích gồm L từ mã (là các véc tơ ngẫu nhiên ) có độ dài N mẫu
(thông thường L=1024,N=40 mẫu ứng với một khung kích thích 5ms) .Bằng cách tìm
kiếm triệt để toàn bộ bảng mã ngẫu nhiên người ta sẽ chọn được tín hiệu kích thích của
một khung tiếng nói dài N mẫu.Bộ lọc tổng hợp đã tính trọng số được cho bởi :
Độ phức tạp của bộ mã hoá này tăng khi tốc độ bit giảm.Thí dụ CELP có thể cho
tiếng nói tốc độ thấp tới 4.8 kbps với trả giá rất cao về đòi hỏi tính toán do : tín hiệu
kích thích tối ưu được tìm kiếm thông qua bảng mã rất lớn (kích thước bảng mã thường
gồm khoảng 1024 mục từ ) .
Đối với bảng mã có 1024 từ mã và một khung kích thước 40 mẫu thì cần thực
hiện khoảng 40.000 phép nhân để soát bảng mã .
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 6
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
Có thể nhận xét rằng : nhược điểm của phương pháp CELP là : có một thủ tục đòi hỏi
tính toán rất lớn rất khó có thể thực hiện trong thời gian thực .Vậy có một phương pháp
đơn giản hoá thủ tục soát bảng mã sao cho không ảnh hưởng tới chất lượng tiếng
nói .Đó là phương pháp sử dụng các bảng mã đại số ACELP (Algebraic CELP) trong
đó các bảng mã được tạo ra nhờ các mã sửa lỗi nhị phân đặc biệt và để nâng cao hiệu
quả rà soát bảng mã, người ta sử dụng các bảng mã đại số có cấu liên kết CS-ACELP
(Conjugate-Structure ACELP) .Khuyến nghị ITU G.729 đưa ra nguyên lý của bộ mã
hoá tiếng nói sử dụng phương pháp CS-ACELP mã hoá tiếng nói tốc độ thấp 8kbps.
b. Phương pháp nén LD-CELP -G728.
Nén tiếng nói kiểu LD-CELP (Low Delay CELP) ở tốc độ 16Kbps. Nguyên lý
của bộ mã này kế thừa CELP với kiểu tìm kiếm phân tích bằng tổng hợp. Ngoài ra nó
sử dụng kiểu thích nghi backward đối với hai khối dự đoán âm sắc và độ khuyếch đại
để đạt tới chế thuật toán là 0,625 ms. Chỉ có phần index của codebook được truyền đi
hay vì truyền tất cả các tham số đặc trưng của CELP. Các hệ số dự đoán được cập nhập
thông qua phân tích LPC các mẫu tiếng nói được lượng tử hoátrước đó. Độ khuyếch đại
được cập nhật bằng cách sử dụngc ác thông tin nhúng trong các kích thích được lượng
tử hóa trước đó. Kích thước khối của vector kích thích và khối thích nghi độ khuyếch
đậi chỉ là 5 mẫu. Bộ lọc trọng số thụ cảm được cập nhạt bằng cách phân tich LPC của
tiếng nói không được tử hóa .
Bộ nén LD-CELP: Sau khi chuyển đổi tín hiệu từ dạng luật u hay luật A sang
dạng PCM đều, tín hiệu đầu vào được phân chia thành từng khối, mỗi khối gồm 5 mẫu
tín hiệu kế tiếp nhau. Với mỗi một khối vào được coi như một vector gồm 5 thành phần
và bộ mã hóa sẽ tiến hành tìm kiếm ở trong codebook xem codevector nào gần với
vector vào nhất trong số 1024 codevector ( được lưu trữ trong codebook) thông
qua bộ lọc tổng hợp và đơn vị cân đối đọ khuyếch đại. Codevector được chọn dựa vào
tiêu chuẩn cực tiểu hóa bình phương sai số giữa vector vào và codevector. Sau đó10 bit
index của codevector đó sẽ được truyền sang bộ giải mã. Đồng thời codevector đã chọn
đó được đưa qua bộ lọc tổng hợp và đơn vị cân đối đọ khuyếch đai để thiết lập khả
năng nhớ chính xác của bộ lọc để dùng cho việc mã
vector vào tiếp theo. Các hệ số của bộ lọc tổng hợp và độ khuyếch đại được cập nhật
đều đặn dựa vào phương pháp thích nghi backward
Dựa trên cơ sở các tín hiệu vừa được lượng tử hóa và kích thích được cân đối độ
khuyếch đại. Bộ giải nén LD-CELP: Việc giải điều chế cũng được tiến hành theo đơn vị
từng khối một. Dựa vào 10 bit index nhận được từ bên phát, bộ giải điều chế thực hiện
việc tìm kiếm trong bảng để trích ra codevector tương ứng từ codebook.
Codevector này sau đó được cho qua đơn vị cân đối đọ khuyếch đại và bộ lọc tổng hợp
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 7
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
để tạo ra vector tín hiệu. Các hệ số của bộ lọc tổng hợp và độ khuyếch đại cũng được
cập nhật theo cách thức giống như là của bộ điều chế. Vector tín hiệu sau đó được đưa
qua bộ lọc sau(Postfilter) để nâng cao chất lượng tín hiệu. Các hệ số của bộ lọc
postfilter được cập nhật đều đặn dựa trên những thông tin có sẵn ở bộ giải điều chế. 5
mẫu tín hiệu của vector tín hiệu sau đó được chuyển thành 5 mẫu tín hiệu ra ở dạng luật
hay luật A.
64 kbit/s
A-low or m-law
Convert to
PCM output Vector
uniform
buffer
PCM
VQ
Excitation Perceptual index
Synthesis Min 16 kbit/s
VQ Gain Weighing
filter MSE output
codebook Filter
Backware Backware
Gain predictor
adptation adptation
a)
64 kbit/s
VQ A-low or m-law
Excitation PCM output
index Synthesis Convert
VQ Gain Postfilter
filter to PCM
16 kbit/s codebook
output
Backware Backware
Gain predictor
adptation adptation
b)
Hình 1-6 a) bộ nén LD – CELP. b) bộ giải nén LD-CELP
c. Nguyên lý kỹ thuật nén CS-ACELP .
Bộ nén CS-ACELP thực hiện trên các khung tiếng nói chu kỳ 10 ms tương
đương với 80 mẫu tại tốc độ lâý mẫu 8000 mẫu /s.Cứ mỗi một khung 10 ms ,tín hiệu
tiếng nó lại được phân tích để trích lấy các tham số của bộ mã CELP (đó là :các hệ số
của bộ lọc dự báo thích ứng ,chỉ số các bảng mã cố định và bảng mã thích ứng cùng với
tăng ích của bảng mã ). Các tham số này sẽ được mã hoá và truyền đi.Sự phân bố bit
của các tham số mã hoá được trình bày ở bảng 1-1 dưới đây:
Tại phía thu: sử dụng các tham số này để khôi phục các tham số tín hiệu kích thích và
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 8
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
các tham số của bộ lọc tổng hợp .Tín hiệu tiếng nói sẽ được khôi phục bằng cách lọc
các tham số tín hiệu
Số bit trong Tổng số bít
Số bit trong
Tham số Từ mã khung con trong 1
khung con 1
2 khung
Các cặp vạch phổ L0,L1,L2,L3 18
Độ trễ mã thích ứng P1,P2 8 5 13
Độ chẵn lẻ trễ trước P0 1 1
Chỉ số mã cố định C1,C2 13 13 26
Dấu mã cố định S1,S2 4 4 8
Các bộ khuyếch đại
GA1,GA2 3 3 6
mã(Bước 1)
Các bộ khuyếch đại
GB1,GB2 4 4 8
mã(Bước 2)
Tổng cộng: 80
Bảng 1-1: Sự phân bố bit của các tham số của thuật toánCS-ACELP tốc độ 8
kbit/s (khung 10 ms)
Bộ lọc tổng hợp ngắn hạn dựa trên cơ sở bộ lọc dự báo tuyến tính LP bậc 10. Bộ
lọc tổng hợp dài hạn ,hay bộ lọc tổng hợp độ cao dung cho việc làm tròn mã thích ứng.
Sau khi khôi phục ,nhờ bộ lọc sau tiếng nói sẽ làm tăng độ trung thực. Sơ đồ khối bộ
kích thích này thông qua bộ lọc tổng hợp ngắn hạn. nén CS-ACELP được mô tả
Tín hiệu đầu vào đưa qua bộ tiền xử lý ,bộ này có hai chức năng :lọc thông cao
và tính toán tín hiệu.Tín hiệu đầu ra bộ tiền xử lý là tín hiệu đầu vào của các khối tổng
hợp tiếp sau.Sự tổng hợp dự báo tuyến tính (LP)được thực hiện một lần trong một
khung 10ms để tính các hệ số của bộ lọc dự báo tuyến tính (LP).Các hệ số này được
biến đổi thành các cặp vạch phổ (LSP) và được lượng tử bằng phương pháp lượng tử
hoá véc tơ dự báo hai bước (VQ) 8 bit.
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 9
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
Khối tiền
xử lý
Khối tổng hợp LP
lượng tử hoá và
nội suy
Bảng mã
LPC info
cố định
Bộ lọc
GC tổng hợp
Bảng mã
thích ứng
Gp
Bộ lọc tổng LPC info
hợp độ cao
Độ cảm
nhận
Tìm bảng mã
cố định
Sự lượng tử
hóa độ Sự lượng tử
khuyếch đại hóa độ
khuyếch đại
LPC info
Hình 1-7: Sơ đồ bộ nén CS – ACELP
Tín hiệu kích thích được lựa chọn bằng cách cực tiểu hoá sai số ,có tính đến
trọng số thụ cảm ,giữa tiếng nói gốc và tiếng nói tổng hợp.Các tham số kích thích
(gồm :bảng mã cố định và bảng mã thích ứng)được xác dịnh qua từng khung con
5ms(tương đương 40mẫu).Các hệ số của bộ lọc LP đã được lượng tử và chưa được
lượng tử được sử dụng cho phân khung thứ 2 ,còn tại phân khung thứ nhất các hệ số
của bộ lọc LP đã được nội suy sẽ được sử dụng (trong cả hai trường hợp đã lượng tử và
chưa lượng tử).Độ trễ bước mạch vòng hở sẽ được tính toán một lần trong một khung
10ms dựa trên độ lớn tín hiệu thoại .Sau đó các phép tính này sẽ lặp lại trong từng phân
khung tiếp theo.Tín hiệu ban đầu x(n) được tính bằng các lọc độ dư LP thông qua bộ
lọc tổng hợp W(z)/A(z).Trạng thái ban đầu của bộ lọc này Là Tín hiệu lỗi giữa tín hiêu
dư LP và tín hiệu kích thích .Sự phân tích bước của mạch vòng đóng sẽ thực hiện sau
đó (để tìm độ trễ mã thích ứng và độ khuếch đại )dùng tín hiệu ban đầu x(n) và đặc
tuyến xung h(n) ,bằng cách làm tròn giá trị độ trễ bước của mạch vòng hở.Độ trễ bước
được mã hoá bằng mã 8 bit trong phân khung thứ nhất ,độ vi sai của độ trễ được mã hoá
bằng mã 5 bit trong phân khung thứ 2 .Tín hiệu x'(n) là tín hiệu của 2 tín hiệu :tín hiệu
ban đầu x(n) và tín hiệu mã thích ứng -là tín hiệu mã cố định.Tín hiệu này được dùng
trong việc tìm tín hiệu kích thích tối ưu .Giá trị kích thích mã cố định được mã hoá
bằng mã đại số 17 bit(trong đó :chỉ số bảng mã cố định được mã hoá bằng từ mã
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 10
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
C1,C2-13 bit. Dấu bảng mã cố định được mã hoá bằng từ mã S1,S2-3bit).Các bộ
khuếch đại bảng mã cố định và bảng mã thích ứng được lượng tử hoá bằng véc tơ 7
bit(Trong đó:ở bước 1 được mã hoá bằng từ mã GA1,GA2 -3 bit ;ở bước 2 được mã
hoá bằng từ mã GB1,GB2-4 bit ).tại đây sự dự đoán trung bình động MA cho bộ
khuếch đại mã cố định .Cuối cùng ,dựa vào các bộ nhớ lọc sẽ xác định được tín hiệu
kích thích.
d. Nguyên lý bộ giải nén CS-ACELP.
Đầu tiên ,các chỉ số của các tham số được trích ra từ buồng bit thu.Các chỉ số
này sẽ được giải mã để thu lại các tham số của bộ mã hoá trong 1 khung tiếng nói 10
ms .Các tham số đó là :các hệ số LSP ,2 phần độ trễ bước(độ trễ bước và độ vi sai của
độ trễ bước) 2 vec tơ bảng mã cố định
(chỉ số mã cố định và chỉ số bảng mã cố định ),và 2 tập hợp độ khuếch đại bảng mã cố
định và bảng mã thích ứng .
Các hệ số LSP được nội suy và được chuyển đổi thành các hệ số bộ lọc LP cho mỗi
phân khung.Sau đó ,cứ mỗi phân khung thực hiện các bước tiếp theo: Giá trị kích thích
được khôi phục là tổng của véc tơ bảng mã cố định và bảng mã thích ứng nhân với các
giá trị khuếch đại tương ứng của chúng.
Tiếng nói được khôi phục bằng cách lọc giá trị kích thích này thông qua bộ lọc tổng
hợp LP Tín hiệu tiếng nói khôi phục đưa qua bước xử lý trạm ,bao gồm bộ lọc thích
ứng dựa trên cơ sở các bộ lọc tổng hợp ngắn hạn và dài hạn ,sau đó qua bộ lọc thông
Bảng mã
cố định
Bộ lọc Bộ xử lý
GC ngắn hạn trạm
Bảng mã
thích ứng
Gp
Hình 1-8: Sơ đồ nguyên lý bộ giải nén CS - ACELP
cao và bộ nâng tín hiệu.
Ký hiệu Mô tả Các bít
L0 Các chỉ số dự báo MA chuyển mạch của bộ lượng tử LPS 1
L1 Vec tơ bước đầu tiên của bộ lượng tử LPS 7
L2 Vec tơ thấp bước thứ hai của bộ lượng tử LPS 5
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 11
Đồ án tốt nghiệp Gateway trong công nghệ VoIP
L3 Vec tơ cao bước thứ hai của bộ lượng tử LPS 5
P1 Độ trễ lên giọng của khung con thứ nhất 8
P0 Bit chẵn lẻ dành cho độ trễ lên giọng 1
S1 Dấu của các xung bảng mã cố định của khung con thứ nhất 4
C1 Bảng mã cố định của khung con thứ nhất 13
GA1 Khuyếch đại bảng mã (bước1) của khung con thứ nhất 3
GB1 Khuyếch đại bảng mã (bước2) của khung con thứ nhất 3
P2 Độ trễ lên giọng của khung con thứ hai 5
S2 Dẫu của các xung bảng mã cố định của khung con thứ hai 4
C2 Bảng mã cố định khung con thứ hai 13
GA2 Khuyếch đại bảng mã (bước1) của khung con thứ hai 3
GB2 Khuyếch đại bảng mã (bước2) của khung con thứ hai 4
Bảng 1-2 : Các tham số của bộ nén và bộ giải nén CS – ACELP.
e. Kỹ thuật nén MP-MLQ&ACELP G723.1.
Khuyến nghị G 723.1 đưa ra một bọ mã hóa tiêu chuẩn dùng để nén tín hiệu
tiếng nói hoặc các tín hiệu audio khác của các dịch vụ đa phương tiện tại tốc độ rất
thấp, giống với phần tiêu chuẩn của họ H323. Về tốc độ bit: Bộ mã hóa này có 2 tốc đọ
bit 5,3 kbps và 6.3 kbps. Bộ mã hóa có tốc đọ bit cao hơn sẽ có chất lượng cao hơn. Bộ
mã hóa có tốc độ bit thấp hơn đem lại chất lượng tốt và cộng thêm tính ninh hoạt, cung
cấp cho các nhà thiết kế hệ thống. Bộ mã hóa và giải mã bắt buộc phải có cả hai tốc đọ
bit này. Chúng có thể chuyển mạch được giữa hai tốc độ bit tại bất kỳ đường biên giới
nào đó của khung. Khi tín hiệu là phi thoại thì có thể lựa chọn một tốc độ bit biến thiên
về truyền không liên tục và điều khiển những khoảng trống. Tín hiệu đầu vào có thể của
bộ mã hóa này tối ưu hóa tín hiệu tiếng nói với chất lượng cao tai các tốc độ bit đã nói ở
trên với một độ hạn chế về độ phức tạp. Bộ mã hóa này dùng để mã hóa tiếng nói và
các tín hiệu audio khác với các khung dùng kỹ thuật mã hóa phân tích bằng tổng hợp dự
báo tuyến tính. Tín hiệu kích thích đối với bộ mã hóa tốc độ bit cao hơn là lượng tử hóa
đúng cực đại đa xung ( MP-MLQ) và đối với bộ mã hóa có tốc độ bit thấp hơn, là dự
đoán tuyến tính kích thích mã đại số (ACELP). Kích thích khung là 30ms, cộng thêm
7,5 ms look-ahead, tạo ra trễ sử lý thuật toán tổng cộng làd 37,5 ms. Toàn bộ trễ thêm
SV:Hoàng Ngọc Chiến -H07VTTD 12