一、IP電話機基本原理：

通過語音壓縮算法對語音信號進行壓縮編碼處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)進行打包，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包發(fā)送到接收地；接收端把這些語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓縮處理后恢復(fù)成原來的語音信號，從而達到由互聯(lián)網(wǎng)傳送語音的目的。

二、IP電話機工作流程：

（1） 語音的數(shù)字化

　　這是IP電話機的第一步工作，如果用戶使用的是計算機，那么數(shù)字化就在計算機里進行了；如果用戶使用的是模擬電話，那么通過接入網(wǎng)絡(luò)將語音傳到交換設(shè)備上，然后在利用PCM之類的設(shè)備來對語音進行數(shù)字化。

　?。?） 數(shù)據(jù)壓縮

　　數(shù)據(jù)壓縮是用來排除沒用的信號，并對數(shù)字化后面的語音信號進行壓縮（如果使用的是ISDN終端，通過ISDN作為接入，工作過程就從這一步開始）。這一步又分兩個階段：a 系統(tǒng)分析數(shù)字化后的信號，判斷信號里包含的是語音、噪音還是語音空隙，然后丟掉噪音和語音空隙信號，這要求系統(tǒng)具有判斷語音、噪音和語音空隙信號的能力， 并將噪音和語音空隙信號丟掉而將語音發(fā)送出去。b 用復(fù)雜的算法將去掉沒有信號后的語音數(shù)字信號進行壓縮，CODEC（編解碼器）是這一過程的關(guān)鍵部件。

　?。?） 數(shù)據(jù)打包

　　信號（也可稱之為數(shù)據(jù)）被壓縮后，就需要對它進行打包，加進一些協(xié)議信息。在收集語音數(shù)據(jù)的處理過程中需要一些存儲時間（也稱時間延遲），因為將語音數(shù)據(jù)發(fā)送到IP網(wǎng)絡(luò)之前必須先收到一定數(shù)量的語音數(shù)據(jù)。在對信號進行編碼及壓縮過程中，也需要一定的時間來對數(shù)據(jù)進行存儲，從而也產(chǎn)生了一定的時間延遲。協(xié)議信息被加入包中是為了更好地保障完成數(shù)據(jù)的傳輸過程。例如，每個包需要包含一個目的地的地址信息，一個以防各個包不按序到達目的地而加上的包的順序號，，以及數(shù)據(jù)校驗信息。由于IP協(xié)議是為各種不同的網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)而設(shè)計的，與專用網(wǎng)相比它含有許多復(fù)雜的處理過程，它要求將一個包封裝到另外一個包中，而且數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中還要經(jīng)過再打包、重尋址和重新封裝等過程。

　　（4） 解包及解壓縮

　　當(dāng)每個包到達目的地主機（網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器或用戶計算機終端）時，要檢查該包的序號并將其放到正確的位置，然后用一個解壓縮算法來盡量恢復(fù)原始信號數(shù)據(jù)，這時通過利用時鐘同步及時延處理技術(shù)來填充由發(fā)送端處理過程中而導(dǎo)致的空缺。由于各個包在傳輸過程中經(jīng)過了不同的路由，所以它們到達目的地的順序有很大差別，因此接收端要將先達到的包放到抖動存儲器里一段時間以后等待后達到的包，等待時間的長短要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況而定。

　?。?） 語音恢復(fù)

　　目前，IP電話機主要應(yīng)用于Internet上，是Internet上的一個增值業(yè)務(wù)。由于Internet是一個開放的網(wǎng)絡(luò)，再者由于它的帶寬還不夠?qū)?，尤其在網(wǎng)絡(luò)惡化的情況下，在傳輸過程中很大一部分包會被丟失或被延遲傳送，這些丟棄、延遲和被破壞的包是導(dǎo)致語音質(zhì)量下降的根本原因。按Internet傳統(tǒng)糾錯機制，接收端如果收到錯誤的數(shù)據(jù)包就將其丟棄并請求重傳，因此用戶最終收到的數(shù)據(jù)跟原始發(fā)送的數(shù)據(jù)是完全一樣的。由于IP電話機業(yè)務(wù)是一種對時間敏感的業(yè)務(wù)，即實時行業(yè)務(wù)，不能使用重傳機制，需要專用的檢錯和糾錯機制來再造聲音和填補空隙，這就需要接收端存儲接收到的一定數(shù)量的語音數(shù)據(jù)，然后使用一種復(fù)雜的算法來"猜測"丟失包的內(nèi)容，產(chǎn)生新的語音信息，從而提高了通信的質(zhì)量。因此，接收端聽到的語音并不與發(fā)送端講的語音完全一樣，其中一部分信息是由IP電話機系統(tǒng)"再造"的 。

三、IP電話機系統(tǒng)有四個基本組件：

終端設(shè)備（Terminal）、網(wǎng)關(guān)（Gateway）、多點接入控制單元MCU（Multipoint Control Unit）和網(wǎng)閘（Gatekeeper）。

（1） 終端設(shè)備是一個IP電話機客戶終端，可以是軟件（如VocalTec公司的IP Phone、Microsoft公司的Netmeeting）或是硬件（如專用的Internet Phone），可以直接連接在IP網(wǎng)上進行實時的語音或多煤體通信。

　?。?） 網(wǎng)關(guān)是通過IP網(wǎng)絡(luò)提供PC-to-Phone、Phone-to-PC、Phone-to-Phone語音通信的關(guān)鍵設(shè)備，是IP網(wǎng)絡(luò)和PSTN/ISDN/PBX網(wǎng)絡(luò)之間的接口設(shè)備，應(yīng)具有下列功能：

　          　a 具有IP網(wǎng)絡(luò)接口和與PSTN/ISDN/PBX交換機互聯(lián)的接口；

　　          b 完成實時語音壓縮，將64kbit/s的語音信號壓縮成低碼率語音信號；

　　          c 完成尋址和呼叫控制。

　?。?） 網(wǎng)閘負(fù)責(zé)用戶注冊和管理，主要完成以下功能：

　　          a 地址映射：將電話網(wǎng)的E.165地址映射成相應(yīng)網(wǎng)關(guān)的IP地址；

　　          b 呼叫認(rèn)證和管理：對接入用戶的身份進行認(rèn)證，訪止非法用戶的接入；

　          　c 呼叫記錄：使得運營商有詳細(xì)的數(shù)據(jù)進行收費；

　　          d 區(qū)域管理：多個網(wǎng)關(guān)可以由一個網(wǎng)閘來進行管理。

　　（4） 多點接入控制單元（MCU）的功能在于利用IP的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多點通信，使得IP電話機能夠支持諸如網(wǎng)絡(luò)會議這樣一些多點應(yīng)用。 IP電話機采用網(wǎng)關(guān)技術(shù)，網(wǎng)關(guān)的一邊連接到傳統(tǒng)的電路交換網(wǎng)，如PSTN，可與外部的任意一臺電話機通信；網(wǎng)關(guān)的另一邊連接到包交換網(wǎng)，如Internet、Intranet、Extranet等。

　　在整個IP電話機系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)設(shè)立在世界上各個地區(qū)，完成當(dāng)?shù)仉娫捑W(wǎng)與Internet的接入與轉(zhuǎn)換處理等功能。網(wǎng)關(guān)接收到了標(biāo)準(zhǔn)電話信號以后，經(jīng)數(shù)字化、編碼、壓縮處理，按IP協(xié)議打包到Internet上，根據(jù)傳輸路由，通過Internet發(fā)送到對端網(wǎng)關(guān)；反之，網(wǎng)關(guān)接收到了Internet傳來的IP包，經(jīng)解壓處理后還原成模擬語音信號再轉(zhuǎn)到電話網(wǎng)系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)可同時接入和轉(zhuǎn)出電話語音信號，實現(xiàn)全雙工通信。

　　網(wǎng)關(guān)因其生產(chǎn)廠商不同而有所不同，但基本的組成模塊是一樣的，包括數(shù)據(jù)處理主機、語音模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)接續(xù)模塊和管理軟件模塊等。網(wǎng)關(guān)具有路由管理功能，它把各地區(qū)電話區(qū)號映射為相應(yīng)地區(qū)網(wǎng)關(guān)的IP地址，這些信息存放在一個數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)接續(xù)處理軟件將完成呼叫處理、數(shù)字語音打包、路由管理等功能。在用戶撥打長途電話時，網(wǎng)關(guān)根據(jù)電話區(qū)號數(shù)據(jù)庫資料，確定相應(yīng)網(wǎng)關(guān)的IP地址，并將此IP地址加入IP數(shù)據(jù)包中，同時選擇最佳路由，以減少傳輸時延，IP數(shù)據(jù)包經(jīng)Internet到達目的地的網(wǎng)關(guān)。在一些Internet尚未延伸到或未設(shè)立網(wǎng)關(guān)的地區(qū)，可設(shè)置路由，由距離最近的網(wǎng)關(guān)通過長途電話網(wǎng)進行轉(zhuǎn)接。

四、IP電話機的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

眾所周知，IP電后時工作原理是先將語音信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼、壓縮和打包，然后通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸，到接收端則相應(yīng)進行拆包、解壓、譯碼和數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而恢復(fù)出語音信號。與IP電話機通話質(zhì)量有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)可以歸納為以下7個方面。

　　 （1）語音壓縮技術(shù)。IP電話機的技術(shù)基礎(chǔ)是語音壓縮技術(shù)。在語音壓縮的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，1972年制定了64 kbit／s PCM（脈沖編碼調(diào)制）方式；1986年制定了32 kbit／s ADPCM（自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制）方式；1991年制定了16 kbit／s LD-CELP（低延時碼激勵線性預(yù)測）方式； 1995年11月，經(jīng)過較長時間的研究，ITU（國際電聯(lián)）批準(zhǔn)了語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)G.729，采用8 kbit／s CS-ACELP（對稱結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵線性預(yù)測）方式。目前用于IP電話機的標(biāo)準(zhǔn)是G.723．1，速率為5．3／6．3kbit／s。

另外，4.8 kbit／s、2.4 kbit／s和1 kbit／s的語音壓縮技術(shù)雖有報道，但尚無國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　 （2）靜噪抑制技術(shù)。又稱語音激活技術(shù)，是指檢測到通話過程中的安靜時段即停止發(fā)送語音包的技術(shù)。大量研究表明，在一路全雙工電話交談中，只有36％～40％的信號是活動的或有效的。當(dāng)一方在講話時，另一方在聽，而且講話過程中有大量顯著的停頓。通過靜噪抑制技術(shù)，可以大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。

　　 （3）回聲抵消技術(shù)，在PBX或局用交換機側(cè)，有少量電能未被充分轉(zhuǎn)換而沿原路返回，形成回聲。如果打電話者離PBX或局用交換機不遠，回聲返回很快，人耳聽不出來，但當(dāng)回聲返回時間超過10 ms時，人耳就可以聽到明顯的回聲了。為了防止回聲，一般采用回聲抵消技術(shù)。因為一般IP網(wǎng)絡(luò)的延時很容易達到40～50 ms，所以回聲抵消技術(shù)對IP電話機系統(tǒng)十分重要。

　　 （4）語音抖動處理技術(shù)。IP網(wǎng)絡(luò)的一個特征就是網(wǎng)絡(luò)延時與網(wǎng)絡(luò)抖動，它們可以導(dǎo)致IP通話質(zhì)量明顯下降。網(wǎng)絡(luò)延時是指IP包在網(wǎng)絡(luò)上平均的傳輸時間，網(wǎng)絡(luò)抖動是指IP包傳輸時間的長短變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的語音延時超過200 ms時，通話雙方更傾向于采用半雙工通信。另一方面，如果網(wǎng)絡(luò)抖動較嚴(yán)重，那么有的話音包因遲到而被丟棄，會產(chǎn)生話音的斷續(xù)及部分失真，嚴(yán)重影響語音質(zhì)量。為了防止這種抖動，人們采用抖動緩沖技術(shù)，即在接收端設(shè)置一個緩沖池，語音包到達時首先進行緩存，然后系統(tǒng)以穩(wěn)定平滑的速率將語音包從緩沖池中取出并處理，再播放給受話者。

　　 （5）語音優(yōu)先技術(shù)。語音通信對實時性要求較高，在帶寬不足的IP網(wǎng)絡(luò)中，一般需要語音優(yōu)先技術(shù)，即在IP網(wǎng)絡(luò)路由器中必須設(shè)置語音包的優(yōu)先級最高。這樣，網(wǎng)絡(luò)延時和網(wǎng)絡(luò)抖動對語音的影響均將得到明顯改善。

（6）IP包分割技術(shù)。有時網(wǎng)絡(luò)上有長數(shù)據(jù)包，一個包上千字節(jié)，這樣的長包如不加以限制，在某些情況下也會影響語音質(zhì)量。為了保證IP電話機的通話質(zhì)量，應(yīng)將IP包的大小限制為不超過2556字節(jié)。

　　 （7）前向糾錯技術(shù)。為了保證語音質(zhì)量，有些先進的網(wǎng)關(guān)采用信道編碼以及交織等技術(shù)。IP包在傳送過程中有可能損壞或被丟失，采用前向糾錯技術(shù)可以減少傳輸過程中的錯碼積累。當(dāng)然，對丟、錯包率均較低的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，可以不必采用該技術(shù)。

五、 IP電話機的通話方式

通常，將IP電話機通話方式分為：PC到PC、PC到PHONE和PHONE到PHONE。

　　 以太網(wǎng)（Ethernet）電話是一種基于H.323協(xié)議格式的終端，它占用一個獨立的IP地址，能直接接入網(wǎng)絡(luò)。它是一種IP專用電話機，可以直接連在Internet上而完全代替PC進行通話。由于以太網(wǎng)電話機的出現(xiàn)，IP電話機將得到更廣泛的應(yīng)用，所以，下面敘述的IP電話機的終端不再指PC，而僅指以太網(wǎng)電話機和普通電話機。

　　 利用PSTN和Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)語音通信可以有多種組合方式。①是純PSTN網(wǎng)中的話音業(yè)務(wù)，與IP電話機元關(guān)；②是純IP網(wǎng)中的話音業(yè)務(wù)，類似前述的“PC到PC”，但雙方終端均為以太網(wǎng)電話機且直接連接在Internet上；③是以太網(wǎng)電話機與普通電話機之間的通話，類似前述的“PC到PHONE”，但雙方均可以是主叫方；④是普通電話之間利用Internet傳輸進行的通話，即前述的“PHONE到PHONE”，也是中國電信。聯(lián)通、吉通和網(wǎng)通等正式運營的IP電話機的模式；⑤是指以太網(wǎng)電話機之間借助PSTN傳輸進行通話，可能應(yīng)用于有PSTN連接而尚無Internet連接的兩地以太網(wǎng)電話機之間的通話，也可以是通話建鏈時先通過PSTN得到被叫方的IP地址再通過Interet進行通話的建鏈過程。由此可見，③④⑤是混合式的IP電話機業(yè)務(wù)，通過互連功能（IWF）提供信令適配、媒介控制和媒介適配，可以保證IP和PSTN的互連互通。

必須說明的是，在Internet上的連接均是以IP地址為基礎(chǔ)的，例如上面的“方式②”，其實質(zhì)是以太網(wǎng)電話機以IP地址為電話號碼通過Internet建立起的通信。但是，人們不太習(xí)慣IP地址為電話號碼而更習(xí)慣于傳統(tǒng)的電話號碼，這是必須解決的另一問題。

　　 3 基于IP技術(shù)的PBX系統(tǒng)

　　 目前，前述的7個關(guān)鍵問題有的已經(jīng)被解決，有的正在被解決或不久的將來一定能夠被解決，使得IP電話機及基于IP技術(shù)的各種系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。東南大學(xué)移動通信國家重點實驗室從1999年開始與香港通訊科技中心合作，在香港特區(qū)政府“創(chuàng)新與科技基金”（ITF，Innovation and Technology Fund）的資助下，共同設(shè)計和研制了一種基于IP技術(shù)的新一代分布式PBX系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效解決語音與數(shù)據(jù)相互融合的需求，可以利用Internet獨立組網(wǎng)進行語音通信和數(shù)據(jù)通信，通過系統(tǒng)管理將IP地址映射成系統(tǒng)中的電話號碼，也可以通過網(wǎng)關(guān)與PSTN網(wǎng)互連互通。該系統(tǒng)具有良好的開放性和可擴充性，能夠滿足更廣泛的需求。

　　 我們研制的基于IP技術(shù)的PBX系統(tǒng)的框圖，主要由4部分組成：呼叫管理（CallManager）、PBX Hub、PBX網(wǎng)關(guān)（Gateway）、以太網(wǎng)（Ethernet）電話。

　　 以太網(wǎng)（Ethernet）電話占用一個獨立的IP地址，能直接接入網(wǎng)絡(luò)。它主要完成以下功能：實現(xiàn)語音信號的A／D和D／A轉(zhuǎn)換。完成對數(shù)據(jù)信號的壓縮與解縮、按照H.323協(xié)議完成對數(shù)據(jù)的打包和拆包處理以及處理相應(yīng)的控制和呼叫信令。

　　 PBX HUB實際上是一個H.323終端，占用一個IP地址。考慮到IP地址資源有限，以及兼容現(xiàn)有模擬電話，PBX HUB提供了8個模擬電話的端口分配各自獨立的ID。它比以太網(wǎng)電話多了一個與模擬電話的接口模塊，其它處理都是相同的。

　　 PBX網(wǎng)關(guān)主要完成IP網(wǎng)與PSTN網(wǎng)之間信令和協(xié)議的轉(zhuǎn)換。一個網(wǎng)關(guān)提供8個連向中心局的線路接口。其結(jié)構(gòu)除了增加向中心局的硬件接口，在軟件上還必須支持各種電話信令標(biāo)準(zhǔn)。

　　 呼叫管理器（Call Manager）類似于H.323網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)閘，實際上是一個控制中心。它除了完成網(wǎng)閘的基本功能外，還有傳統(tǒng)PBX的功能以及更多的增值功能。它是運行在NT服務(wù)器上的一個軟件，管理著整個系統(tǒng)的資源，實現(xiàn)設(shè)備管理、呼叫處理、用戶管理、數(shù)據(jù)庫管理、計費管理、系統(tǒng)維護等功能，也正是通過它才能實現(xiàn)前面提到各種IP電話機通話方式。同時，它還提供了一個強大的語音信箱功能，以提高服務(wù)質(zhì)量，以及協(xié)調(diào)用戶操作過程。