IP电话实时通信的实现课程设计.docx

1、IP电话实时通信的实现课程设计网络通信程序设计-课程设计报告题 目： IP电话网络通信的设计实现专 业： 计算机科学与技术 班 级： 0312404 姓 名： 孙慧华 高志杰 学 号： 031240420 031240306 指导老师： 贺 刚 2017年 6 月 6 日目 录第一章引言 3 1.1课题背景及意义 3 1.2课题研究现状 3 1.3研究内容 4 1.4论文组织方式 5第二章需求分析 6 2.1功能需求 6 2.2性能要求 7第三章概要设计 8 3.1体系结构设计 8 3.2数据结构设计 10第四章详细设计 11 4.1系统功能模块设计 11 4.1.1 音频输入输出的实现 14

2、 4.1.2 数据的压缩与排序 16 4.1.3 传送和接收 17 4.2用户界面设计 18第五章测试及实现结果分析 19总结及展望 20第一章 引言1.1课题背景及意义IP（Internet Protocol）电话是一种数字电话，是技术创新的一种通信服务业务。它把语音、压缩编码、打包分组、分配路由、存储交换、解包解压等交换处理在IP网或互联网上实现语音通信。它促进了网络资源利用，降低语音业务成本。因此在全球范围内得到了迅速的发展，。IP电话的产生Internet商业化以后，在全世界，特别是发达国家迅速发展起来。在一些国家（如美国）本地电话Internet接入采用包月制，不限时限量，因此Int

3、ernet是近乎免费的（Free）的，人们都希望能通过这近乎免费的网络进行传统的电话和传真服务。1995年2月以色列VocalTec公司研制出可以通过Internet网打长途电话的软件产品Internet Phone。用户只要在多媒体PC机上安装该软件，就可以通过Internet网和任何地方安装同样软件的联机用户进行通话。这项技术上的突破引起全世界的瞩目，其背后的无限商机也使许多公司进行此项技术的研究，从而使IP电话技术得到迅速发展，人们把这种在Internet上实现电话业务称为Internet电话，应该说是IP电话的雏形。经过五年的发展，IP电话成为信息技术进步带来的一项新型电话业务在全世界

4、开展，并对传统电话业务形成越来越大的威胁。IP电话从当初的PC到PC发展到今天的PC到PC、PC电话、电话到电话等多种业务形式，但不论是现在还是将来，IP电话可以说是当今世界上发展最快、普及最快的一门应用服务技术之一，也是计算机网络界关注的热点之一。1.2课题研究现状H.323是IP电话所遵循的标准，而H.323标准首选语音编码器是ITU-T G.729.A。ITU-T G.729.A标准采用一种称为共轭结构代数码本激励线性预测（Conjugate Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction,CS-ACELP）算法来对语音信号进行编码。

5、在开始编码之前，先要对输入的模拟信号进行电话带滤波，然后以8kHz频率对其进行采样，再将其转换为16位线性PCM码，作为编码器的输入。编码器处理语音的单位是帧，1帧为10毫秒语音，包括80个声音样本（采样频率为8kHz）。编码器对每一帧语音信号进行分析，抽取出其中的CPLD模型的参数（线性预测滤器参数），自适应和固定码本索引和增益），对这些参数进行编码和传送。但是该编码器算法复杂，一帧语音处理延迟较大，很大程度上影响了IP电话网关处理密度。 1.3研究内容20世纪90年代以来，以Internet为代表的计算机网络技术发展突飞猛进，促进了计算机网络在社会各个领域的广泛应用，而针对G.729的研究

6、和优化一直从未停息。例如：为了提高IP电话网关的处理密度，在实现ITU-T G.729.A语音编解码器时，采用了目前性能最好的DSP，即TMS320C6201；针对TMS320C6201并行性和流水等特点，归纳出了一系列减少编解码器处理延迟的优化方法本文是基于G.729.A协议，采用C+语言实现实时通信，并未针对G.729.A协议进行有话改进，因为本人技术，只是领域达不到那么高的层次，在结果中会对本人基于G.729.A实现的实时通信和从网络上找到的基于TMS1.4论文组织方式 首先，本论文从目前IP电话的产生开始，详细研究了本课题的背景以及意义，由于目前我国的通信分别掌控的移动，联通，电信三大

7、巨头手中，而通信费用一直是国人所普遍关注的话题，虽然目前位置，通信费用有所改善，但依旧是一个令人无奈的地方，所以本人想就这个现状，深入了解IP电话的实现原理，实现机制，能够在未来开发属于自己的网络电话，做到真正的零费用。 其次，在对本论文的背景有所了解的情况下，对本课题所必须的ITU-T G.729.A编解码器实现的关键技术进行了介绍，主要是G.729.A协议编解码算法介绍，G.729.A编解码器的实现。 最后，在对所必须得基础知识有所了解的情况下，按照各模块的功能，分别详细介绍了各个功能的实现过程。第二章 需求分析2.1功能需求随着个人计算机和互联网的普及，越来越多的人开始使用网络这个媒介来

8、发送，接收信息，计算机网络给人们生产和生活带来了巨大的便利，网络语音通信IP电话应运而生，主要分为三种：电话到电话，PC到电话，PC到PC，本功能选取PC到电话为实现方案，即：实现PC到电话的网络语音通信。 系统用例图：能够实现公用交换电话网络（PSIN）中的普通电话相互通话（需要网络环境配合）或与其他的兼容IP 电话或应用程序通信。2.2性能要求（1）拨打电话：要求用话机拨打电话，用下列任意一种方式呼叫 提起话筒或按免提键，拨号盘上直接呼出 按电话簿键选择号码呼出 按Redial键选择呼出最近一次已拨打号码呼出（2）接听电话 响铃,显示号码或者IP地址 提起话筒或者免提键接听 可以拒绝接听（

9、3）静音或者保留 通话过程中按相应键第三章 概要设计3.1体系结构设计一个成功IP电话的实现是个复杂的过程，我只针对G.729实现通信，其主要的体系结构如下图： 其中用了一个tcp连接，表示双方连通没有，用udp发送语音数据，发送端表明了发送顺序，接收端重排了顺序。3.2数据结构设计1. TCP包结构TCP协议是网络中应用最为广泛的协议，许多的应用层协议都是在建立在TCP协议之上的。TCP首部的各字段如图4.2所示4。图4.2 TCP数据在IP数据报中的封装TCP协议头部信息如下：（1）源端口：发送端TCP端口号；（2）目的端口：接收端TCP端口号；（3）序号：指出段中数据在发送端数据流中的位

10、置；（4）确认号：指出本机希望下一个接收的字节的序号；（5）头标长度：以32bit为单位的段头标长度，是针对变长的“选项”域设计的；（6）码位：指出段的目的与内容，不同的各码位置位有不同的含义；（7）窗口：用于通告接收端接收缓冲区的大小；（8）校验和：这是可选域，置0表示未选，全1表示校验和为伍；（9）紧急指针：当码位的URG置位时，指出紧急指针的序号。 2. UDP包结构UDP协议是英文User Datagram Protocol的缩写，即用户数据报协议，主要用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP

11、协议从问世至今已经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但是即使是在今天，UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。UDP数据报各域的意义与TCP段中相应的域相同。只有校验和有些不同，除UDP数据报本身外，它还覆盖一个附加的“伪头标”。这个伪头标来自于IP报头，包括：源IP地址、信宿IP地址、协议类型、UDP长度及填充域。UDP首部的各字段图4.3所示。图4.3 UDP首部UDP协议头部信息如下：（1）源端口：发送端UDP端口号；（2）目的端口：接收端UDP端口号；（3）头标校验和：用于保证头标数据的完整性。第四章 详细设计4.1系统功能模块设计通过前面的叙述可以

12、知道，这款软件唯一的功能就是基于网络实现语音通信。本系统包括三个基本模块，音频的输入输出，接收与发送，数据压缩与排序而这三个模块整合起来就是网关。网关是通过IP网络提供PC-to-Phone、Phone-to-PC、Phone-to-Phone语音通信的关键设备，是IP网络和PSTN/ISDN/PBX网络之间的接口设备，应具有下列功能：a具有IP网络接口和与PSTN/ISDN/PBX交换机互联的接口；b完成实时语音压缩，将64kbit/s的语音信号压缩成低码率语音信号；c完成寻址和呼叫控制。下面我给出借口的部分代码：连接和启动的借口：4.1.1 音频输入输出的实现下面给出其主要过程：音频的输入

13、描述封装 wavein api 只使用了 pcm 方式 只使用 函数回调方式 所有的设置属性的函数只应在录音前使用，否者会在下次录音时才生效 应该重载 virtual void GetData(char *pBuffer,int iLen); 注意 对于 StartRecord 中的PerPareBuffer() OpenRecord()是乎应该同时调用， 要么就都不调用，其原因好象是 waveInAddBuffer 之后必须 使用saveInStart 否则好象不能关闭设备 SIZE_AUDIO_FRAME 是 160 倍数 SIZE_AUDIO_PACKED 是 对应的输出 为 SIZE_

14、AUDIO_FRAME / 160 * 10 关闭的时候注意，在closerecord后有可能线程中还有数据到来，导致关闭不正确，所以关闭的时候sleep(1000),详细原因我也不太清楚 依赖性 Winmm.lib 主要代码中的方法：如线程创建音频的输出： 描述 封装 waveout api 只使用了 pcm 方式 注意 PLAY_DELAY 10 /播放时候的延迟，大于它，说明有PLAY_DELAY个包没有播放完成，后面的包不应再播放 依赖性 Winmm.lib 主要代码中的方法：如线程创建4.1.2 数据的压缩与排序依据流程图我们可知，在数据压缩之后会有发送，经过一系列转化后另一方接收，

15、最后是排序。这里我把压缩和排序放在一起音频压缩：部分代码排序数据： 部分代码4.1.3 传送和接收 1音频的传送 在压缩之后进入发送接收 发送的客服端： 部分代码4.2用户界面设计用户界面第一行为对方IP地址，发送按钮第二行连接按钮，断开按钮，接收按钮第三行为信息提示，如图所示：第五章 测试及实现结果分析采用二种测试工具对G.729.A编解码器的处理延迟作了测试。第一种测试工具是C6X Simulator(TMS320C6201的仿真软件)，测试条件是假设所有代码装在TMS320C6201片同的程序存储器中；因此，称之为Non cache测试模式。另外一种测试方式是采用TI公司的C6X的EVM

16、卡（评估卡），测试条件是将TMS320C6201片内64KB RAM作为Cache使用；因此称之为cache模式。二种测试模式的测试结果如下所示。测试项目C6 仿真器（非缓冲模式）C6 评估板（非缓冲模式）编码（每帧）86720 cycles91650 cycles解码（每帧）34120 cycles37310 cycles从表可以看出，如果TMS320C6201工作在频率为200MHz，即每Cycles的周期为0.5毫秒，可以算出G.729.A编码一帧（30毫秒）的延迟时间是0.430.46毫秒。因此说，单片TMS320C6201可以同时处理大约20路G.729.A编码（当前国际最高水平是2

17、2路）；而且，编解码的结果都严格地通过了G.729.A提供的测试矢量的测试，实际播放音质也很好。ITU-T G.729.A语音信号压缩编解码技术集成了众多低速率语音编解码的优点，大大提高了低速率编解码的语音质量，但算法较复杂。而TMS320C6201 DSP是目前最快的定点数字信号处理器，如果在编写程序时，能充分利用上述关键技术，就可以充分发挥TMS320C6201的功能，大大减少G.729.A编解码的处理延迟，并能保持良好的语音品质。将该编解码应用在该IP电话网关中，在很大程度上提高了IP电话网关处理密度，改善了IP电话网关的性能。因此说，本文实现的G.729.A编解码器有很大的应用价值。总结及展望IP电话的实现最为重要的音频的发送和接收处理，这其中包括音频的编解码，音频质量优化等等，对于G.729.A协议的研究从未停止过，许多的人为了改进算法奋斗终生，但是G.729.A的算法本身就很复杂，优化改进的事情我无从下手，所以我还是基于在原本的G.729.A协议上进行实时通信的开发，但算法依然不是我设计的，算法的知识和代码都是参考网络。总之在这次编程的过程中，本人查阅了大量的书籍资料，也包括网络上的实例代码等。由于时间和技术等多方面因素，代码不是优化的但收获颇多。