FSK制式來電顯示的幾種解碼方式比較

摘要：主要探討基于FSK制式的主叫號碼來電顯示的幾種解碼方式，詳細(xì)介紹專用電路解調(diào)、鎖相環(huán)解調(diào)和數(shù)字信號處理器(DSP)軟件解調(diào)的識別方式，給出相應(yīng)理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后分析各種解碼方式的優(yōu)缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：來電顯示；FSK；HT9032；74HC9046；BF535 

1 引言
   主叫號碼識別(俗稱來電顯示)已成為電話通信的一項(xiàng)重要功能，在許多CTI呼叫中心和交換機(jī)中也是不可缺少的。全世界的來電顯示主要分為4大類：Bellcore FsK主要是中國、美國、加拿大使用；ETSI FSK主要是歐洲及我國臺灣地區(qū)使用：JT FSK主要是日本使用：DTMF主要是我國臺灣和印度地區(qū)。本文主要討論FSK制式來電顯示的解碼方式，詳細(xì)介紹基于專用電路、鎖相解調(diào)和基于DSP的3種解調(diào)方式。

2 專用電路解調(diào)
    主流的來話顯示電路有Mitel公司的MT88E39、MT88E43、MT88E45等：Holtek公司的HT9032；NPC公司的SM8332；Freescale公司的MCl45447；EMC公司的EM92547A。筆者以HT9032為例介紹FSK解碼方式，著眼于Type I或On-hook caller ID應(yīng)用，符合Bell 202及V.23規(guī)范。HT9032將FSK解調(diào)器包含在一個(gè)電路中，引腳及功能與Freescale公司的MCl45447及EMC公司的EM92547A相兼容。
    該電路硬件主要由HT9032與Atmel的Mega8型單片機(jī)組成，如圖l所示。HT9032解調(diào)出的FSK基帶信號送入單片機(jī)的捕獲中斷，信號碼率為1200b/s，所以Mega8設(shè)定1.2 kHz時(shí)鐘頻率對信號進(jìn)行采樣判決。由于采樣周期不可能是理想的1200 Hz，會使采樣位置漸漸偏離碼元中心，造成判決錯(cuò)誤，所以每次下降沿捕獲中斷產(chǎn)生后，單片機(jī)記數(shù)時(shí)鐘重新復(fù)位，矯正其采樣相位。然后延時(shí)0.4 ms(2.4kHz)，取碼元中點(diǎn)，并開始按1.2 kHz速率采樣，由此得到0、1比特流，將其按10bit合成字節(jié)信息，每個(gè)字節(jié)起始位是1，結(jié)束位為0，中間8位為信息。最后根據(jù)主叫識別的單數(shù)據(jù)消息格式提取所需的消息字，得到來電日期與來電號碼。

    主叫識別信息數(shù)據(jù)的格式有二種：單數(shù)據(jù)消息格式(SDMF)和復(fù)合數(shù)據(jù)消息格式(MDMF)，前者結(jié)構(gòu)簡單，也比較常用，具體格式如下：

    信道占用信號：由一組300個(gè)連續(xù)的“O”和“l(fā)”(二進(jìn)制位)交替組成，第一個(gè)比特為“0”，最后一個(gè)為“1”。在通話狀態(tài)下，信道占用信號不發(fā)送，接收端只在正確收到這個(gè)信號后才認(rèn)為后面緊跟的為有效信號。
    標(biāo)志信號：由180個(gè)(掛機(jī)狀態(tài)下)或80個(gè)(通話狀態(tài)下)標(biāo)志位(邏輯”1”)組成，即持續(xù)的高電平。
    消息類型字：單數(shù)據(jù)格式情況下為“04H”，表示為主叫號碼傳送信息。
    消息長度字：占一個(gè)字節(jié)，為消息字的數(shù)目。
    消息內(nèi)容：單數(shù)據(jù)消息格式消息字內(nèi)容如下：日期，時(shí)間(月，日，時(shí)，分)，共8個(gè)字節(jié)；主叫號碼(如果允許顯示)；如果不允許顯示主叫號碼，將傳送字符“P”；當(dāng)終端交換機(jī)無法得到主機(jī)號碼時(shí)，將傳送字符“0”。
    校驗(yàn)和：校驗(yàn)字的算法是將消息數(shù)據(jù)(即單數(shù)據(jù)格式的消息類型字、消息長度字和消息數(shù)據(jù)字)按256的模求和取補(bǔ)來得到校驗(yàn)字。
    其HT9032解碼輸出比特信號為：

    根據(jù)單數(shù)據(jù)消息格式分析后得到來電顯示的時(shí)間為：08月14日13時(shí)47分，來電號碼為：13386198301，校驗(yàn)位：0x12。所有數(shù)據(jù)(包括校驗(yàn)位)和按256的模求和為00，證明收到的數(shù)據(jù)完全正確。

3 鎖相環(huán)解調(diào)
    鎖相環(huán)主要包括鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器。鑒相器可分為數(shù)字鑒相器與模擬鑒相器，數(shù)字鑒相器一般由異或門或邊沿觸發(fā)器組成，模擬鑒相器由乘法器組成，環(huán)路濾波器一般選用比例積分濾波電路。
    設(shè)輸入信號為：

   
    式中，α(nT)為調(diào)制的數(shù)字信號，△ω為FSK信號頻偏，設(shè)鎖相環(huán)的帶寬足夠?qū)挘h(huán)路鎖定，則VCO輸出信號頻率與輸入信號頻率一致，也是調(diào)頻波，如果鑒相器采用正弦鑒相器,VCO輸出的電壓為

   
    式中，φe為穩(wěn)態(tài)相差，為一常數(shù)，一般小于90°，反比于環(huán)路增益，由式(2)可得VCO輸出頻率為

   
    壓控振蕩器輸出頻率與控制電壓關(guān)系為：ω=ωc+AoVc，與(3)式相比可得

   
    由此可知壓控振蕩器的控制電壓與FSK的調(diào)制信號成正比，在實(shí)際電路中，只要加一些整形比較電路就可將其恢復(fù)為數(shù)字信號，完成FSK的解調(diào)。
    在筆者開發(fā)的系統(tǒng)中，選用74HC9046型數(shù)字鎖相環(huán)來完成FSK的解調(diào)，如圖2所示。

    PCI、PC2分別是門鑒相器和邊沿觸發(fā)鑒相器，這里選用PCI輸出，環(huán)路濾波器選用無源比例積分濾波器，根據(jù)FSK制式來電顯示信號的特點(diǎn)，設(shè)定74HC9046的參數(shù)如下，中心頻率fc=1.7 kHz，跟蹤帶寬為2fL=1.5 kHz，環(huán)路濾波器帶寬為l kHz，R1=10 kHz，C1=O.3μF，R2=∞(具體計(jì)算可參考74HC9046的數(shù)據(jù)手冊)，由于一般電容器的誤差比較大，所以R1要根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)才能保證環(huán)路能跟蹤FSK信號。
    輸入信號用信號源來代替，其中心頻率為1.7kHz。頻偏正負(fù)0.5 kHz，調(diào)制速率1.2 kb/s。
    由于采用數(shù)字鎖相環(huán)，輸入信號必須為TTL，所以要對輸入信號進(jìn)行放大限幅，限幅后的信號與鎖相輸出信號頻率一致，但存在少許的相位差即穩(wěn)態(tài)相差。當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，其VCO的電壓與基帶信號一致，由于FSK制式來電顯信號1代表1.2 kHz，0代表2.2 kHz，所以鎖相解調(diào)輸出的信號要經(jīng)反相后才輸入到單片機(jī)進(jìn)行消息字的提取，單片機(jī)處理方法與基于專用電路解調(diào)方式中的相同，這里不再贅述。

4 基于DSP的解調(diào)
    FSK信號的軟件解調(diào)方法很多，差分解調(diào)是比較簡單且易于實(shí)現(xiàn)的一種。其理論依據(jù)為設(shè)FSK信號的二個(gè)頻率分別為ω1，ω2。ω=ωo+△ω，若△ω>o，則ω=ω2；若△ω<O，則ω=ω1。經(jīng)過帶通后的信號可表示為y(t)=Acos(ωo+△ω)t，相乘器輸出為：

    上式說明，若將輸入信號延遲π/2或3π/2個(gè)相位，即ωoτ=π/2時(shí)，x(t)=-A2/2*sin(△ωτ)；ωoτ=3π/2時(shí)。x(t)=A2/2sin(△ωτ)。可得到一雙極性電壓，將“0”和“l(fā)”鑒別出來。DSP的解調(diào)算法框圖如圖3所示。

    算法確定后，在system view上進(jìn)行了仿真，輸入PN序列，速率為1.2 kb/s，F(xiàn)SK調(diào)制器中心頻率為1.7 kHz，頻偏正負(fù)O.5 kHz，為了延時(shí)整數(shù)個(gè)采樣點(diǎn)，DSP采樣率為34 kHz，是中心頻率(ωo=1.7 kHz)的整數(shù)倍，所以得ωo*τ=π/2=1.7(4x34000)-1)=5samples,低通濾波器的截止頻率為1.2 kHz。DSP算法仿真如圖4所示，仿真輸出波形如圖5所示。

     值得注意的是延時(shí)點(diǎn)的選取，在信號延時(shí)π(34000/1700/2=10 samples)時(shí)，獲得的信號幅度要比π/2延時(shí)小很多，從(6)式也可以得出同樣的結(jié)論。
    基于仿真的可實(shí)現(xiàn)性，筆者采用了ADI公司的BF535型DSP。該DSP具有300MHz的主頻，2個(gè)40 bit的MAC和2個(gè)32 bit的ALU，4個(gè)8 bit的視頻處理單元，16個(gè)地址尋址單元。該DSP內(nèi)部集成了308 KB的RAM，并具有豐富的外部接口，用其實(shí)現(xiàn)算法中的延時(shí)、濾波、相乘及消息字的提取綽綽有余，其實(shí)際代碼只有l(wèi)l KB。

5 結(jié)束語
    基于專用電路的解調(diào)方式成本低廉、實(shí)用簡單、性能可靠，適合小型來電顯示機(jī)的設(shè)計(jì)，大部分來電顯示產(chǎn)品都采用此種方式。
    鎖相環(huán)解碼方式基于硬件FSK解調(diào)，在大多數(shù)通信解調(diào)電路中都采用這種方式，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度很高，在信噪比低的情況下性能尤為突出，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，調(diào)試不便，而且對于大部分?jǐn)?shù)字鎖相環(huán)集成電路(例如74HC9046或4046)，當(dāng)VCO工作于高頻(>6 MHz)時(shí)受溫度影響很大，需要加溫度補(bǔ)償電路才可正常工作。
    基于DSP的解碼是純軟件解調(diào)方式，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活，修改方便，但是相對于專用電路解調(diào)方式來說成本過高，在信噪比差的情況下，算法要做相應(yīng)的調(diào)整。