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，然后把這些語音數據按TCP/IP標準進行打包，經過網絡把數據包發送到接收地；接收端把這些語音數據包串起來，經過解碼解壓縮處理后恢復成原來的語音信號，從而達到由互聯網傳送語音的目的。

二、IP電話機工作流程：

（1） 語音的數字化

　　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，那么通過接入網絡將語音傳到交換設備上，然后在利用PCM之類的設備來對語音進行數字化。

　　（2） 數據壓縮

　　數據壓縮是用來排除沒用的信號，并對數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 系統分析數字化后的信號，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送出去。b 用復雜的算法將去掉沒有信號后的語音數字信號進行壓縮，CODEC（編解碼器）是這一過程的關鍵部件。

　　（3） 數據打包

　　信號（也可稱之為數據）被壓縮后，就需要對它進行打包，加進一些協議信息。在收集語音數據的處理過程中需要一些存儲時間（也稱時間延遲），因為將語音數據發送到IP網絡之前必須先收到一定數量的語音數據。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據進行存儲，從而也產生了一定的時間延遲。協議信息被加入包中是為了更好地保障完成數據的傳輸過程。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，，以及數據校驗信息。由于IP協議是為各種不同的網絡的互聯而設計的，與專用網相比它含有許多復雜的處理過程，它要求將一個包封裝到另外一個包中，而且數據在傳輸的過程中還要經過再打包、重尋址和重新封裝等過程。

　　（4） 解包及解壓縮

　　當每個包到達目的地主機（網關、服務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原始信號數據，這時通過利用時鐘同步及時延處理技術來填充由發送端處理過程中而導致的空缺。由于各個包在傳輸過程中經過了不同的路由，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網絡的擁塞情況而定。

　　（5） 語音恢復

　　目前，IP電話機主要應用于Internet上，是Internet上的一個增值業務。由于Internet是一個開放的網絡，再者由于它的帶寬還不夠寬，尤其在網絡惡化的情況下，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致語音質量下降的根本原因。按Internet傳統糾錯機制，接收端如果收到錯誤的數據包就將其丟棄并請求重傳，因此用戶最終收到的數據跟原始發送的數據是完全一樣的。由于IP電話機業務是一種對時間敏感的業務，即實時行業務，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量的語音數據，然后使用一種復雜的算法來"猜測"丟失包的內容，產生新的語音信息，從而提高了通信的質量。因此，接收端聽到的語音并不與發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"再造"的 。

三、IP電話機系統有四個基本組件：

終端設備（Terminal）、網關（Gateway）、多點接入控制單元MCU（Multipoint Control Unit）和網閘（Gatekeeper）。

（1） 終端設備是一個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網上進行實時的語音或多煤體通信。

　　（2） 網關是通過IP網絡提供PC-to-Phone、Phone-to-PC、Phone-to-Phone語音通信的關鍵設備，是IP網絡和PSTN/ISDN/PBX網絡之間的接口設備，應具有下列功能：

　          　a 具有IP網絡接口和與PSTN/ISDN/PBX交換機互聯的接口；

　　          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。

　　（3） 網閘負責用戶注冊和管理，主要完成以下功能：

　　          a 地址映射：將電話網的E.165地址映射成相應網關的IP地址；

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

　          　c 呼叫記錄：使得運營商有詳細的數據進行收費；

　　          d 區域管理：多個網關可以由一個網閘來進行管理。

　　（4） 多點接入控制單元（MCU）的功能在于利用IP的網絡實現多點通信，使得IP電話機能夠支持諸如網絡會議這樣一些多點應用。 IP電話機采用網關技術，網關的一邊連接到傳統的電路交換網，如PSTN，可與外部的任意一臺電話機通信；網關的另一邊連接到包交換網，如Internet、Intranet、Extranet等。

　　在整個IP電話機系統中，網關設立在世界上各個地區，完成當地電話網與Internet的接入與轉換處理等功能。網關接收到了標準電話信號以后，經數字化、編碼、壓縮處理，按IP協議打包到Internet上，根據傳輸路由，通過Internet發送到對端網關；反之，網關接收到了Internet傳來的IP包，經解壓處理后還原成模擬語音信號再轉到電話網系統。網關可同時接入和轉出電話語音信號，實現全雙工通信。

　　網關因其生產廠商不同而有所不同，但基本的組成模塊是一樣的，包括數據處理主機、語音模塊、數據處理模塊、數據接續模塊和管理軟件模塊等。網關具有路由管理功能，它把各地區電話區號映射為相應地區網關的IP地址，這些信息存放在一個數據庫中。數據接續處理軟件將完成呼叫處理、數字語音打包、路由管理等功能。在用戶撥打長途電話時，網關根據電話區號數據庫資料，確定相應網關的IP地址，并將此IP地址加入IP數據包中，同時選擇最佳路由，以減少傳輸時延，IP數據包經Internet到達目的地的網關。在一些Internet尚未延伸到或未設立網關的地區，可設置路由，由距離最近的網關通過長途電話網進行轉接。

四、IP電話機的關鍵技術及其應用

眾所周知，IP電后時工作原理是先將語音信號進行模數轉換、編碼、壓縮和打包，然后通過Internet網絡傳輸，到接收端則相應進行拆包、解壓、譯碼和數模轉換，從而恢復出語音信號。與IP電話機通話質量有關的關鍵技術可以歸納為以下7個方面。

　　 （1）語音壓縮技術。IP電話機的技術基礎是語音壓縮技術。在語音壓縮的技術標準方面，1972年制定了64 kbit／s PCM（脈沖編碼調制）方式；1986年制定了32 kbit／s ADPCM（自適應差分脈沖編碼調制）方式；1991年制定了16 kbit／s LD-CELP（低延時碼激勵線性預測）方式； 1995年11月，經過較長時間的研究，ITU（國際電聯）批準了語音壓縮標準G.729，采用8 kbit／s CS-ACELP（對稱結構代數碼激勵線性預測）方式。目前用于IP電話機的標準是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的語音壓縮技術雖有報道，但尚無國際標準。

　　 （2）靜噪抑制技術。又稱語音激活技術，是指檢測到通話過程中的安靜時段即停止發送語音包的技術。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，可以大大節省網絡帶寬。

　　 （3）回聲抵消技術，在PBX或局用交換機側，有少量電能未被充分轉換而沿原路返回，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。因為一般IP網絡的延時很容易達到40～50 ms，所以回聲抵消技術對IP電話機系統十分重要。

　　 （4）語音抖動處理技術。IP網絡的一個特征就是網絡延時與網絡抖動，它們可以導致IP通話質量明顯下降。網絡延時是指IP包在網絡上平均的傳輸時間，網絡抖動是指IP包傳輸時間的長短變化。當網絡上的語音延時超過200 ms時，通話雙方更傾向于采用半雙工通信。另一方面，如果網絡抖動較嚴重，那么有的話音包因遲到而被丟棄，會產生話音的斷續及部分失真，嚴重影響語音質量。為了防止這種抖動，人們采用抖動緩沖技術，即在接收端設置一個緩沖池，語音包到達時首先進行緩存，然后系統以穩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）語音優先技術。語音通信對實時性要求較高，在帶寬不足的IP網絡中，一般需要語音優先技術，即在IP網絡路由器中必須設置語音包的優先級最高。這樣，網絡延時和網絡抖動對語音的影響均將得到明顯改善。

（6）IP包分割技術。有時網絡上有長數據包，一個包上千字節，這樣的長包如不加以限制，在某些情況下也會影響語音質量。為了保證IP電話機的通話質量，應將IP包的大小限制為不超過2556字節。

　　 （7）前向糾錯技術。為了保證語音質量，有些先進的網關采用信道編碼以及交織等技術。IP包在傳送過程中有可能損壞或被丟失，采用前向糾錯技術可以減少傳輸過程中的錯碼積累。當然，對丟、錯包率均較低的內部網絡，可以不必采用該技術。

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（Ethernet）電話是一種基于H.323協議格式的終端，它占用一個獨立的IP地址，能直接接入網絡。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。由于以太網電話機的出現，IP電話機將得到更廣泛的應用，所以，下面敘述的IP電話機的終端不再指PC，而僅指以太網電話機和普通電話機。

　　 利用PSTN和Internet網絡實現語音通信可以有多種組合方式。①是純PSTN網中的話音業務，與IP電話機元關；②是純IP網中的話音業務，類似前述的“PC到PC”，但雙方終端均為以太網電話機且直接連接在Internet上；③是以太網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。聯通、吉通和網通等正式運營的IP電話機的模式；⑤是指以太網電話機之間借助PSTN傳輸進行通話，可能應用于有PSTN連接而尚無Internet連接的兩地以太網電話機之間的通話，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電話機業務，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地址為基礎的，例如上面的“方式②”，其實質是以太網電話機以IP地址為電話號碼通過Internet建立起的通信。但是，人們不太習慣IP地址為電話號碼而更習慣于傳統的電話號碼，這是必須解決的另一問題。

　　 3 基于IP技術的PBX系統

　　 目前，前述的7個關鍵問題有的已經被解決，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技術的各種系統不斷涌現。東南大學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，在香港特區政府“創新與科技基金”（ITF，Innovation and Technology Fund）的資助下，共同設計和研制了一種基于IP技術的新一代分布式PBX系統。該系統能有效解決語音與數據相互融合的需求，可以利用Internet獨立組網進行語音通信和數據通信，通過系統管理將IP地址映射成系統中的電話號碼，也可以通過網關與PSTN網互連互通。該系統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技術的PBX系統的框圖，主要由4部分組成：呼叫管理（CallManager）、PBX Hub、PBX網關（Gateway）、以太網（Ethernet）電話。

　　 以太網（Ethernet）電話占用一個獨立的IP地址，能直接接入網絡。它主要完成以下功能：實現語音信號的A／D和D／A轉換。完成對數據信號的壓縮與解縮、按照H.323協議完成對數據的打包和拆包處理以及處理相應的控制和呼叫信令。

　　 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網關主要完成IP網與PSTN網之間信令和協議的轉換。一個網關提供8個連向中心局的線路接口。其結構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準。

　　 呼叫管理器（Call Manager）類似于H.323網絡中的網閘，實際上是一個控制中心。它除了完成網閘的基本功能外，還有傳統PBX的功能以及更多的增值功能。它是運行在NT服務器上的一個軟件，管理著整個系統的資源，實現設備管理、呼叫處理、用戶管理、數據庫管理、計費管理、系統維護等功能，也正是通過它才能實現前面提到各種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，以提高服務質量，以及協調用戶操作過程。