voip网络中虚拟声卡的研究及应用

voip网络中虚拟声卡的研究及应用西安电子科技大学硕士学位论文VoIP网络中虚拟声卡的研究及应用姓名王艳申请学位级别硕士专业通信与信息系统指导教师吴宇红20070101摘要虚拟设备是信息系统构造中降低系统复杂度的重要方法和技术。在网络中采用虚拟设备技术解决异构客户端的整合是工业界很关注的问。论文深入分析了虚拟声卡在解决网络异构客户端的互通问题中的必需性虚拟声卡和实际声卡的基本原理虚拟声卡的应用场景及优势。论文以虚拟设备编程规范为基础分析了虚拟声卡实现技术抽象出了虚拟声卡的整体架构给出了虚拟声卡内核模式驱动、用户模式驱动以及控制面板三个功能模块的实现和关键技术。论文根据音频输入输出端直连的特性针对网络电话的互通性问题提出了基于虚拟声卡的网络电话自动答录功能的实现。在进一步讨论了不同网络电话之间实现转接互通功能方案的基础上设计实现了基于的网络电话转接互通原型系统。关键词虚拟声卡虚拟设备驱动程序网络电话电话转接自动答录、创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切相关责任。本人签名关于论文使用授权的说明??本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定本学位论文属于保密在互年解密后适用本授权书。本人签名导师签名第一章绪论第一章绪论背景分析是一种通过网络来传输语音数据的技术?。这项伴随着商业化产生的新技术对以下三个方面产生了直接影响削减运营成本、减少资本开支和提供一个支持各种创利服务的平台。任何技术得以商用化的真正驱动力来源于用户的需求也不例外。能够削减语音的成本但是单纯依靠廉价的语音不能给带来显著的发展真正切合用户需求的是技术的广域性和移动的便捷性。随着经济的发展越来越多的企业成长为全球性企业经济的全球化成为一种发展的必然趋势经济的全球化需要一个全球化的通信架构的架构是全球化的其广域性意味着在有互联网的地方你就可以和别人进行通信。移动的便捷性在于通过网络可以实现和、和电话、电话和电话的互接。从运营商和用户两者的角度看的更大的吸引力在于能够提供比电路交换更吸引用户的新业务并满足电信运营的基本需求这也是发展的关键。通过系统最有可能首先实现的新业务包括视频通信、数据和多媒体文本传送等电路交换技术不能支持或只能部分支持的业务。传统的电路交换网络主要是针对语音业务设计的无法完全满足其它通信形式的需求这是由于数据等业务和语音业务对网络特性的要求存在巨大的差异。过去只能针对不同业务建设相对独立的网络彼此间无法有效利用对方的网络资源也不可能将多种业务结合起来产生新的业务形式。随着技术的不断发展人们一直探索在单一网络上提供语音、图像、文本和数据等多种业务的可能性、等技术都是这种努力的结果。但这些技术由于成本过高始终没有在市场上得到推广。技术和这些技术比并没有先进性可言能够得到广泛关注是由于其既能满足建设多业务融合网络的要求可以将作为统一的传输协议来跨越不同形式的物理网络同时传输不同的媒体流又具有廉价和简便的特点。因此近年来人们纷纷将技术引入到电信网络中产生了电话和视讯等新形式的电信业务。目『的系统能够提供的主要还是语音业务。但系统实际上具有同时传送包括语音、图像、数据、消息等多种媒体形式的潜力而且由于口终端设备具有较高的智能性除了实现基本的点到点媒体流传送外还可以灵活的将基本业务进行组合以提供新的业务形式这一点是传统的电路交换技术无法实现的。网络中虚拟声卡的研究及应用电话发展到现在已经取得很大的进展有了许多成功的范例。但是就其技术本身来说仍然有些问题未能得到很好的解决。网络电话的互通性问题包括产品的互通和业务的互通成了制约网络电话发展的重大障碍之一。异构网络电话的互通性问题目前常见的即时通讯软件包括、、、、、等它们基本上都支持语音通信。然而这些通讯软件采用的语音编码格式和传输协议都不尽相同造成它们之间不能方便地实现互通这给用户带来很大的不便。目前口技术涉及到的协议如图所示上耶—垮眦?甲?上上上上上上上上上冬’’订图涉及技术的协议—协议和协议是和协议媒体流的传输协议。协议和协议不是专门为某种协议而设计为了增加协议的灵活性和应用范围付出的代价便是加大了包头。这无疑降低了媒体流的传输效率。协议由于当时设计时考虑了太多的因素而且更多的是从电信的角度来考虑因此设计的过于复杂效率比较低因此以后不会作为主流的协议。协议【】吸取了的教训设计的比较简单而且是组织的规范因此更多的是从免费开源的角度来考虑。协议现在已经得到绝大多数运营商的支持。但是应用中也遇到了很多问题典型的便是第章绪论穿越问题这在一定程度上阻碍了前进的脚步。协议【设计之时充分考虑了媒体流的传输性能和效率以及的穿越等问题而且还吸取了协议作为信令控制协议的简单高效性。】把媒体流传输协议和信令控制协议合二为一提高了报文有效载荷的占空比单一的传输路径使穿越变得容易。目前常用的各种应用软件大多采用协议或协议另外协议也因其卓越的性能被越来越多的业内人士所看好。各种异构网络电话的互通性问题已成为制约网络电话发展的首要问题各种异构网络电话的整合是必然的趋势。由于技术没有一个标准的协议所以从协议转换角度实现各种软件互通难度很大另外各个技术供应商为了技术保护及信息安全的目的对会话控制信息、多媒体流采取了不同的加密及验证方式这给各软件的互通制造了另一个难题。目前绝大多数的客户都选择了。与实现互通就代表着与绝大多数的客户实现了互通。作为其它服务的运营商比如迫切需要实现与网络电话的互通来扩大自己的市场。作为电话的主流它的通信协议是完全保密的所以从服务器端的协议转化角度实现互通难以实现。虚拟设备是信息系统构造中降低系统复杂度的重要方法和技术。虚拟声卡技术的应用是虚拟设备技术的一项重要技术实践它为不同通信客户端的互通带来了新的思路虚拟声卡音频输入端与音频输出端直连的特性使得各通信软件的互通问题可以绕过各种异构的通信协议而直接从获取格式音频流的方法来解决。论文所作的主要工作论文课题来源于上海正诚科技项目的与电话互通业务。论文的研究工作主要集中在通信系统中以虚拟声卡为代表的虚拟设备技术的分析及应用介绍了虚拟技术的发展分析了虚拟声卡原理及实现技术提出并实现了基于虚拟声卡的与电话互通方案。论文首先简单介绍了目前通信系统的发展状况及面临的各通信软件不能互通的问题。分析了虚拟声卡在解决通信软件互通问题时应用的必要性。研究了硬件声卡与虚拟声卡的工作原理、组织结构以及虚拟声卡的编码方式、应用场景及优势。应用虚拟设备驱动编程技术分析了虚拟声卡的实现技术抽象出了虚拟声卡的整体架构及模块划分详细地给出了虚拟声卡的内核模式驱网络中虚拟声骨的研究及应用动模块、用户模式驱动模块及控制面板模块的内部细节及各模块之间的内部逻辑关系。针对通信技术面临的各个通信软件之间不能互通的问题提出了基于虚拟声卡的各种通信软件互通的解决方法详述了虚拟声卡的应用方式和的开放接口及应用方式。最后本文在实现了虚拟声卡自动答录机的基础上提出并实现了基于虚拟声卡的与电话互通方案并对它的应用结果进行了分析。论文的内容安排论文共包括六章内容。第?徽陆樯芰擞τ眯槟声卡来解决通信技术互通问题的必要性以及本文所做的主要工作。第二章详细介绍了硬件声卡与虚拟声卡的工作原理、组织结构以及虚拟声卡的编码方式、应用场景及优势。第三章简要介绍了虚拟设备技术的发展及优势。从驱动程序模型、驱动程序关键技术、各个模块间通信机制介绍了虚拟声卡的实现技术——驱动程序技术为下一章虚拟声卡各驱动模块的实现技术分析作铺垫。第四章在分析虚拟声卡源代码的基础上抽象出虚拟声卡的整体架构及技术实现的模块划分分别给出了虚拟声卡的内核模式驱动模块、用户模式驱动模块、控制模块具体实现及关键技术。第五章针对通信技术面临的各个通信软件之间不能互通的问题设计了虚拟声卡在网络中的应用方式在设计实现了虚拟声卡自动答录机的基础上提出并完成了虚拟声卡电话转接互通方案。第六章对全文进行概括文中介绍的关键技术并指出了系统中仍有待进一步完成的工作。第二章虚拟声原理第二章虚拟声卡原理虚拟声卡是一种在计算机多媒体处理领域常见的虚拟设备它以纯软件的方式实现了硬件声卡的绝大部分功能。本章将在介绍声音信号数字化处理的基础上从声音采集、声音处理、声音回放等几个方面来详细介绍普通声卡设备工作原理和整体结构并由硬件声卡引入虚拟声卡的概念。声音信号的数字化处理数字化声音信号的基本概念自然界中所昕到的声音都是经由空气或一些介质所传播的【卯。就物理学的观点来看声音可以用波形图表示出音高、音量、音色三种组成要素。这些声音都是连续的信号也就是所谓的模拟信号。然而计算机只能处理或的数字信号即离散信号。由此可见普通声卡最基本的功能就包括把所获取到的模拟信号转换成为计算机可以识别的数字信号将经过处理后的数字声音信号还原成模拟声音信号输出。一般将这两种过程称为—。采样频率与采样位本质上声音是一种连续的波形即声波。要把声音信号存储到计算机之中去必须把连续变化的波形信号模拟信号转换成为数字信号。把模拟信号转换为数字信号一般由对声音信号的采样和转换两步来完成。所谓采样就是采集声音模拟信号的样本然后再转换成数字信号。计算机对声音采样能力的大小可以用两个参数来衡量采样频率和声音采样信号的位数。这两个参数是声卡的主要指标它们不仅影响到声音的播放质量还与存储声音信号所需要的存储空间有直接的关系【。采样频率是指每秒对音频信号的采样次数。单位时间内采样次数越多即采样频率越高数字信号就越接近原声。根据的采样定理采样频率只要达到信号最高频率的两倍就能精确描述被采样的信号并且可以被无误的还原。一般来说入耳的听力范围在到之间因此只要采样频率达到×时就可以满足人们的要求。目前声卡常用的采样率有、、一般简称为、和的采样率是指在秒钟内采样次数据由此合成的声音相当于电话音质的采样率相当于广播音质的采样率相当于音质。采样位是指描述每一个采样值所用的二进制数据位数即比特位。通常所说网络中虚拟声卡的研究及应用的位声卡、位声卡、位声卡是就采样位而言的。如果声卡是比特位那么每次采样的数据就会被解析为种表示等级类似的如果是比特位的声卡采样值就被分为个等级。若不考虑设计的因素解析度高的位声卡所处理过的数字化音效肯定要比位声卡来的效果好。采样频率和采样位这两项重要指标直接影响着计算机对声音信号的处理效果。采样频率和采样位越高计算机所处理的声音效果就越好数字化声音还原的模拟声音就越逼真。当然从另一个角度看高采样率和高采样位所需的计算资源也将增多。在声音的实时处理工程中计算机的时间会被占用数字化后的声音文件也将占用更多的存储空间。譬如若用采样率每个采样值用位数据即个字节来表示那么采样秒钟的数据量为×秒×字节。照此计算秒钟的声音就可达。目前多数硬件声卡都能达到的采样率和位的采样位。般要达到唱机的水准采样位至少要采样频率要在左右这也就是为什么目前一般声卡的最高采样频率都是的原因。声音基本处理流程当一个声音信号输入声卡后会先经过滤波器做预先的采样、模拟转数字的变换再由数字信号处理芯片负责将此声音信号做各种处理其中可能包括由芯片产生合成音效或是到取出声音信号甚至可以通过汇流排介面芯片存取光盘或硬盘中的声音文件。这些经过处理后的数字声音信号再经过数字转模拟的变换而输出。有些声卡含有混音处理芯片可以处理多种声音信号的输入并提供软件调整音量的功能。普通硬件声卡对声音的处理流程如图有些声卡会在输出输入部份加入滤波器的功能和高低音控制、音场调整、抓取音色等各种数字音效输出。第一章虚拟卢原理一录音匕鳖怛竺…口…广广怛竺兰型埋竺尘里兰数篙产———————————一兰譬竺竺兰。放音凹硬件卢卡对声音的处理流程嫂件声的原理硬件卢卡足计算机中常见的声音处理设备正论是即插即用式的独立声卡还是集成在各种型号主板上的集成声仁其整体组成部件和基本功能都大致相同。本节将简要介绍一下硬件声卡的基本纽成工作原理吼硬什声卡的物理结构四、?、、。吖恻硬件卢的物理结构图如上图所示声卡上与声音输入输出有关的外部接口主要包括扬声器输出插用于连接耳机或音箱实现声音插放输出。麦克风输入插孔用于连接麦克风通过它可以录制外界网络中虚拟声卡的研究及应用的声音。线路输入插孔用于连接录音机、立体声收音机等的外部音源可进行声音的录制。声卡上还有一个音源线连接器的针座它是一个针的连接器利用随附送的音频线可与光驱后面的音频口连接这样播放时的声音就可直接通过声卡输出。硬件声卡的工作原理实际上声卡的工作原理很简单。麦克风输入和扬声器输出所用的都是模拟信号而在计算机内部所处理的都是数字信号声卡就是用来实现这两种信号之间的转换【。从结构上声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两部分模数转换电路负责将麦克风等声音输入设备采到的模拟声.