增強效能/降低成本並重　VoIP有助寬頻網路普及

近期當紅的網路語音通訊協定(VoIP)，其市場的快速成長對相關系統設計者帶來相當大的挑戰。尤其VoIP終端機以多種應用的型式提供，包括獨立的類比終端轉換器(ATAs)，以及VoIP功能的寬頻閘道器和IP電話機等。讓一旦VoIP終端機進入大量部署階段時，對高效能、低耗電與低成本的要求即更加突顯，自然更加考驗系統設計人員。  

而要達到上述目標，能提供低功率、單晶片的語音終端機(使用者B)以及含VoIP功能的個人電腦(使用者A)等的解決方案(圖1)，就是業界樂見的方向之一。上述的解決方案主要針對語音終端機系統設計者所面臨的挑戰進行解決，如耗電、功率消耗、系統尺寸、物料清單(BOM)成本等。此外，還納入一些新的加值功能，如寬頻音訊與迴路監測，讓系統設計者的產品與競爭者能有所區隔。

圖1 已問世高效能低功率單晶片之CODEC/SLIC解決方案目標應用服務

IP語音終端機應用受歡迎  

圖2顯示一個與寬頻收發器，如DSL或纜線收發器等結合的VoIP終端機功能方塊圖。寬頻收發器通常與一個提供LAN與USB連線的網路處理器結合。這種系統也可以包含一個無線區域網路(WLAN)收發器以供家用網路應用。

圖2 典型的VoIP終端機應用

VoIP終端機通常包含三個主要組件：用戶線介面電路(SLIC)負責電話網路的介面；編碼/解碼器(CODEC)則負責類比與數位訊號間的轉換；以及數位訊號處理器(DSP)，負責處理如壓縮、分包、線路回音消除(LEC)等語音工作。而能完整整合SLIC/CODEC解決方案，並與外接處理器/DSP結合，而構成高品質、成本最佳化的終端機系統，將能最佳化VoIP的服務及應用。  

減低耗電量為首要課題  

雖然從機上盒的角度來看，耗電的挑戰不如行動裝置，但減低耗電量依然是重大課題。降低裝置的整體耗電量有兩個重要理由：一是單純為了節省耗電，特別是在「耗電預算」有限的情況下；二是希望維持效能，由於消耗的功率會轉換為晶片上的熱能，進而使系統發熱，因此高耗電會造成系統效能因過熱而降低。  

目前已有廠商推出較早期產品減少20%耗電量之解決方案，主要技術是在最佳化的直流/直流(DC/DC)供電電壓進行設計，如平衡式振鈴概念，以及在備用作業時的超低耗電模式，即能為產品減少不少耗電。  

最佳化DC/DC達到低耗電目標  

通常SLC的供電電壓是由一個升降壓(Buck-boost) DC/DC轉換器所產生及控制，將供電的正電壓VS(3.3～40V)轉換為負的SLIC電池供電電壓VN。而內建的控制電路加上少數外部電源組件如開關電晶體、電感器、二極體、電容器等，則可讓VN控制在任何時候都等於最小可能值。透過這樣的設計，除了不須花費工夫設計高電壓的供電外，也有助於將所有主動操作模式下的耗電減至最低，而不受線路狀況影響。  

透過平衡式振鈴概念達到低耗電  

傳統上，振鈴是耗電最高的模式，這是由於振鈴時 SLIC內會產生高電壓，而新的平衡式振鈴概念將耗電與發熱降到最低，因此新型設計方案在振鈴模式時所消耗的功率，要比市面上的解決方案少50%。  

這個功能將熟知的「最小電池電壓產生」概念，由靜態直流饋電延展到緩慢變化的振鈴訊號。然而為使這個方法更有效率，新的解決方案採用新的訊號波形(圖3)，既非差分式，也不是單端式訊號。在此設計中，兩個線上電壓VTip與VRing輪流在半個振鈴週期展現負面的正弦半波，而在另半個週期保持接近零值。

圖3 新型平衡式振鈴概念中的耗電量較低

與標準的平衡式波形比較，線上的差分電壓VTR保持為一個未改變的大正弦波，然而現在的正包絡波成為常數。如圖3所示，供電電壓VN(粉紅線)，是追隨負包絡波所產生。在SLIC的電壓降(VN-VTip)與(VN-VRing)在任意時間點都切到低電壓常值，因而使晶片上的耗電量減至最低。  

終端使用者的終端機通常只須將語音訊號在僅幾十公尺的短迴路上傳送，局端(CO)的語音系統則必須在高達數公里的長距離上傳送訊號，因此需要一種更強力的振鈴訊號。若將前述設計用於局端裝置，將可確保最有彈性與最高的振鈴效能。  

這種設計讓待機操作時，維持在一種超低耗電模式。在掛機模式中，所有晶片功能除DC/DC轉換器外，都可以關閉。在這個模式下，晶片可以比競爭的解決方案節省高達30%的電力。由於大部分時間裝置將處於待機狀態，如此在長期可達成相當顯著的節約電力效果。補充說明的是，在超低耗電模式下，掛機偵測的功能是由DC/DC轉換器所提供。  

持續追求系統成本降低  

由於納入SLIC與CODEC功能的解決方案屬於高度整合的裝置，加上面積只有14×14mm2，約比市場上離散組件的解決方案40%。前文提及的解決方案供電電壓範圍達3.3～40V，且不必加以整流，因此可節省成本。又由於輸入電壓可以是5V，故亦適用於USB的系統。  

僅需少數外部組件就可以組成完整的語音系統功能多歸功於晶片對高電壓的耐受力。由於晶片可以耐受較高的電壓，故系統設計者可以減少用於防止晶片受到電突波破壞的外在組件，同時亦能滿足用戶希望的語音品質標準。因此，視系統規格與振鈴需求，晶片可以減低整體物料清單成本達0.10～0.40美元。一般傳統含內建DC/DC轉換器的舊式電話系統(POTS)解決方案的BOM成本範圍是0.60美元。  

通話品質不可忽視  

除了成本、耗電量以外，談VoIP時，更不可忽視的議題，即為通話品質。舉例來說，傳統的窄頻電話技術在較窄的音訊頻寬(0.2k～3.4kHz)內運作，代表其在語音清晰度與資料速率間的折衷設計；而寬頻技術使用較寬的傳輸頻譜(0.05k～7.0kHz)，可大幅改善品質，傳送更自然的真實聲音，讓使用者的語音通話感受大為提升。  

一般來說，若能傳送50Hz～7.0kHz的寬頻電話技術，由於具有較大頻寬，再加上16kHz的取樣率，將可能提供目前與未來語音通訊中一定等級的語音品質。  

在迴路監測方面，在真實環境運作時，如纜線數據機等VoIP終端機必須執行定期的迴路監測，也就是說，必須測試線路品質與網路穩定性以確保常態、高品質的語音傳輸。因此迴路監測在局端裝置如分時多工(TDM)與VoIP線路卡是必要的功能。其他監測功能包括整合測試與診斷功能(ITDF)以及TIP/RING電壓、縱向/橫向電流、SLIC接點溫度等，都會定期量測。透過這樣的量測，可以確保VoIP終端裝置正常運作，也可以保證語音通話一定的品質，留住使用者繼續使用。  

內建個人電腦中的VoIP  

除了機上盒之外，VoIP也可以內建在個人電腦中。尤其今日大部分家庭都有個人電腦，配備強大的處理器、先進的軟體、更進步的介面，因此使個人電腦成為家庭多媒體中心的潮流無法阻擋。未來可將個人電腦用為語音終端機，而將傳統電話機連接上去，則是順理成章的下一步。  

將VoIP功能建入個人電腦(圖4)，實際上就是將整個類比終端機轉換器(ATA)功能放進個人電腦。如語音分包、根據ITU-T G.726、G.729與其他標準進行的語音壓縮、DTMF產生與辨識、來電顯示、線路迴音消除等，都可以由個人電腦主處理器執行的VoIP軟體來達成。

圖4 將ATA功能建入個人電腦可帶來更多應用

只有次要功能，如驅動線路、濾波、放大、語音A/D及D/A轉換等，必須以個人電腦內的小型硬體組件來實現。目前市面上已有以單晶片提供ATA硬體方塊，為該新市場提供相當大的助益。其提供內建的高解析度(HD)音訊介面，可以直接整合在個人電腦的母板上，或放在一片子卡上，讓類比電話機得以直接連接在個人電腦上。  

具備VoIP的個人電腦可以節省VoIP終端設備的成本，不用大幅增加個人電腦的總價，就可以讓使用者立即使用VoIP服務，而不必更換現有的寬頻接取裝置。而隨著個人電腦強大的處理能力與記憶體容量，更可實現許多新興服務，如智慧型答錄機、好友名單、點選撥號等。這種內建電話語音的個人電腦應用，讓使用者可以將類比式電話直接連接到一台個人電腦或膝上型電腦，撥打低價、高品質的VoIP電話。而這樣的結合，也大幅拓展了VoIP的應用領域，除了個人以外，包括企業客服部門、催收部門等皆可透過VoIP與個人電腦的結合，節省營運成本，並帶來更多營收。  

目前VoIP是寬頻網路普及化的推手之一，然而要進一步帶動這個市場，則有必要增進現有應用的效能與降低成本，並且開發新的應用。隨著業界持續針對功能與效能進行開發，將持續推出增進效能、減少耗電、降低系統成本的理想解決方案。  

(本文作者為英飛凌慕尼黑通訊接取業務部行銷經理)