基于PSoC的嵌入式DTMF解碼器實(shí)現(xiàn)方案

    引言

　　DTMF (雙音多頻)信號(hào)是電話(huà)網(wǎng)中常用的信令，無(wú)論是家用電話(huà)、移動(dòng)電話(huà)還是程控交換機(jī)上，多采用DTMF信號(hào)發(fā)送接收號(hào)碼。DTMF技術(shù)廣泛地應(yīng)用于電話(huà)機(jī)，遠(yuǎn)程家用電器產(chǎn)品的控制，語(yǔ)音信箱，報(bào)警系統(tǒng)等領(lǐng)域?？梢?jiàn)，DTMF撥號(hào)和解碼在通信系統(tǒng)及其它方面有著廣泛的應(yīng)用。通常DTMF信號(hào)的檢測(cè)采用專(zhuān)用芯片，DSP，16位或更高檔的MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)，但其成本較高。本文介紹了一種低成本的基于賽普拉斯的8位PSoC芯片的DTMF解碼器實(shí)現(xiàn)方案。

　　PSoC 簡(jiǎn)述

　　PSoC是Cypress半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的的可編程片上系統(tǒng)芯片。它主要由8位微處理器，可編程模擬模塊和數(shù)字模塊，外加硬件乘法累加器，I2C，F(xiàn)lash,SRAM等周邊外圍模塊組成，如圖2所示。

　　因此，PSoC除了能實(shí)現(xiàn)一般MCU的功能外，還可通過(guò)可編程模擬和數(shù)字模塊靈活地實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)所需的模擬與數(shù)字外圍功能。為了方便用戶(hù)簡(jiǎn)單而快速地實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字外圍功能的設(shè)計(jì)，Cypress基于可編程數(shù)字模擬模塊構(gòu)建了大量的用戶(hù)模塊，如可編程運(yùn)算放大器，比較器，6至14位的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，濾波器，8/16 /24/32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，脈寬調(diào)制器，觸摸感應(yīng)等模塊。這些用戶(hù)模塊將PSoC內(nèi)部的寄存器配置，數(shù)字模塊和模擬模塊之間的內(nèi)部連線(xiàn)，底層API (Application Program Interface, 應(yīng)用程序接口)函數(shù)都已設(shè)計(jì)好了。當(dāng)用戶(hù)需要某個(gè)數(shù)字模擬外圍功能時(shí)，只需要簡(jiǎn)單地調(diào)用相應(yīng)的用戶(hù)模塊即可實(shí)現(xiàn)。

　　DTMF信號(hào)

　　DTMF信號(hào)是將撥號(hào)盤(pán)上的0~9、A~D及*/E、#/F共16個(gè)字符，用音頻范圍的8個(gè)頻率來(lái)表示的一種編碼方式。8個(gè)頻率分為高頻群和低頻群兩組，分別作為列頻和行頻。每個(gè)字符的信號(hào)由來(lái)自列頻和行頻的兩個(gè)頻率的正弦信號(hào)疊加而成。頻率組合方式如圖1所示。

　　根據(jù)CCITT Q.23建議，DTMF信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)是：傳送/接收率為每秒10個(gè)號(hào)碼，或每個(gè)號(hào)碼100ms。每個(gè)號(hào)碼傳送過(guò)程中，信號(hào)存在時(shí)間至少45ms，且不多于55ms，100ms的其余時(shí)間是靜音。在每個(gè)頻率點(diǎn)上允許有不超過(guò)±1.5%的頻率誤差。任何超過(guò)給定頻率 ±3.5%的信號(hào)，均被認(rèn)為是無(wú)效的，拒絕承認(rèn)接收。另外，在最壞的檢測(cè)條件下，信噪比不得低于15dB。

　　DTMF解碼

　　采用軟件方式進(jìn)行DTMF解碼，首先要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后再送入CPU處理。利用PSoC的可編程模擬運(yùn)算放大器和8位ADC用戶(hù)模塊，加上簡(jiǎn)單的接口就可以實(shí)現(xiàn)DTMF信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，ADC接口電路如圖3所示。可編程模擬運(yùn)算放大器用戶(hù)模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)DTMF輸入信號(hào)的自動(dòng)增益控制功能。

　　DTMF解碼可以通過(guò)計(jì)算所接收到的信號(hào)在8個(gè)既定頻率點(diǎn)的頻譜值來(lái)確定是否為有效的DTMF信號(hào)及接收到的是哪個(gè)號(hào)碼。另外，需要通過(guò)一系列的有效性檢驗(yàn)以防止誤判。

　　FFT可用來(lái)計(jì)算N點(diǎn)頻率處的頻譜值，但不適合于此處應(yīng)用。因?yàn)樗?jì)算了許多不需要的值，計(jì)算量太大；而且為保證頻率分辨率，F(xiàn)FT的點(diǎn)數(shù)較大。另外，它不能按逐個(gè)樣點(diǎn)的方式處理，不利于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

　　由于只需要知道8個(gè)特定點(diǎn)的頻譜值，采用一種稱(chēng)為Goertzel算法的DFT算法可以有效地提高計(jì)算效率。它相當(dāng)于一個(gè)含兩個(gè)極點(diǎn)的IIR濾波器，8個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)各自相匹配的濾波器，其傳遞函數(shù)為：

　　然而Goertzel算法還是有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是它計(jì)算的是頻率fk=kfs/N處的頻譜值，而精確的頻率值fi通常只能對(duì)應(yīng)某個(gè)近似的整數(shù) k，為了達(dá)到要求的分辨率，就需要較大的樣點(diǎn)數(shù)N。改進(jìn)的方法是：修改傳遞函數(shù)，不計(jì)算角頻率處的頻譜值，而計(jì)算精確角頻率處的頻譜值。這樣分辨率能達(dá)到數(shù)據(jù)自然加窗(矩形窗)的分辨率。它的傳遞函數(shù)為 

　　改進(jìn)的Goertzel算法運(yùn)算步驟如下：

　　1. 對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)遞歸計(jì)算(n=0,1,…,N)

　　Si(n)=2cos(2πfi/fs)× Si(n-1)- Si(n-2)+x[n]

　　其初始條件是Si[-1]= Si[-2]=0。

　　2. 當(dāng)N個(gè)樣點(diǎn)采集并計(jì)算完成后，計(jì)算8個(gè)頻譜值：

　　|Y(i)|2=Si2[N]+ Si2[N-1]- 2cos(2πfi/fs)× Si[N] × Si[N-1]

　　在選定采樣頻率為7.8125Khz基礎(chǔ)上，選取N=84個(gè)樣點(diǎn)即可達(dá)到所需的頻率分辨率。這對(duì)應(yīng)約11ms信號(hào)的采樣時(shí)間，這足以保證PSOC在100mS的信號(hào)碼傳輸周期里的非采樣時(shí)間里完成DTMF解碼和用戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng)的其它功能。

　　當(dāng)8 個(gè)頻譜值計(jì)算出來(lái)后，還要進(jìn)行DTMF有效性檢驗(yàn)，以判定是否為有效的DTMF信號(hào)。有效性檢驗(yàn)包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：(1)高、低頻段的最大幅值都必須大于某個(gè)門(mén)限值，而且二者之和也要大于某個(gè)門(mén)限值。(2)高、低頻段的最大幅值與各自頻段其它三個(gè)幅值相比，其差值必須大于某個(gè)門(mén)限值。(3)逆向絞度檢驗(yàn)即低頻段最大幅值不得超過(guò)高頻段最大幅值8dB，標(biāo)準(zhǔn)絞度檢驗(yàn)即高頻段最大幅值不得超過(guò)低頻段最大幅值4dB。

　　若上述檢驗(yàn)通過(guò)，判定當(dāng)前周期DTMF信號(hào)有效，根據(jù)頻率組合可確定是對(duì)應(yīng)哪個(gè)號(hào)碼。為了避免重復(fù)識(shí)別，還需進(jìn)行靜音檢測(cè)。

　　DTMF解碼程序流程圖如圖4所示。

　　解碼時(shí)需要大量的乘法運(yùn)算，可以通過(guò)PSoC內(nèi)部的8位有符號(hào)硬件乘法器完成，從而實(shí)現(xiàn)DTMF的實(shí)時(shí)解碼要求。

　　結(jié)語(yǔ)

　　該方案所需PSoC的軟硬件資源少，性能可靠，可方便地集成于基于PSOC的單片系統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程控制功能。