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基于MSP430的嵌入式DTMF撥號(hào)解碼器實(shí)現(xiàn)方案
摘 要：本文介紹了一種基于MSP430的嵌入式DTMF撥號(hào)解碼器實(shí)現(xiàn)方案。DTMF撥號(hào)部分使用4根I/O線的電阻網(wǎng)絡(luò)，配合軟件產(chǎn)生DTMF信號(hào)。利用MSP430F133內(nèi)置的ADC，并采用改進(jìn)的Goertzel算法，實(shí)現(xiàn)DTMF信號(hào)的實(shí)時(shí)解碼。該方案成本低、性能可靠，已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：DTMF撥號(hào) DTMF解碼 改進(jìn)的Goertzel算法 MSP430F133
引言
DTMF（雙音多頻）信號(hào)是電話網(wǎng)中常用的信令，無(wú)論是家用電話、移動(dòng)電話還是程控交換機(jī)上，多采用DTMF信號(hào)發(fā)送接收號(hào)碼。DTMF技術(shù)還可以用于電力線載波通信等場(chǎng)合。可見，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)采用專用芯片或DSP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MSP430F133的DTMF撥號(hào)解碼器實(shí)現(xiàn)方案。 MSP430F133是TI的一款16位RISC結(jié)構(gòu)MCU，最短指令周期為150ns，含有8KB Flash ROM，256B RAM并內(nèi)置12位ADC。
DTMF信號(hào)
DTMF信號(hào)是將撥號(hào)盤上的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±1.5%的頻率誤差。任何超過給定頻率 ±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撥號(hào)
DTMF撥號(hào)部分的電路原理圖如圖2所示。電路主要由4根I/O線構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)和濾波器組成。電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成4位的DAC，高通濾波器和低通濾波器組成一個(gè)帶通濾波器用來(lái)濾除雙音頻的諧波信號(hào)。在輸出端采用600Ω的1:1變壓器與電話線接口，電話線的輸出電平可通過改變Rx來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
軟件上使用查表方式模擬產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的正弦波。首先確定一個(gè)合適的采樣間隔，對(duì)每個(gè)頻率的正弦波進(jìn)行采樣并規(guī)格化成0~7（3位數(shù)據(jù)）,制成相應(yīng)的正弦表。正弦表的制定要保證合成信號(hào)的頻率誤差在±1.5%以內(nèi)，同時(shí)使采樣點(diǎn)數(shù)盡量少。為使波形失真度小，正弦表記錄的總信號(hào)時(shí)間對(duì)應(yīng)原始信號(hào)的整數(shù)個(gè)周期，并且采樣起點(diǎn)選在正波形的峰值上。本設(shè)計(jì)采樣間隔選定為122us，保證頻率誤差均在±1%以內(nèi)，各個(gè)頻率信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)及頻率誤差見圖3所示。
DTMF撥號(hào)程序流程圖如圖4所示。
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MSP430F133內(nèi)置的12位ADC加上簡(jiǎn)單的接口就可以實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，ADC接口電路如圖5所示。其中
應(yīng)選1%精度的金屬膜電阻。ADC參考電壓選內(nèi)部2.5V：
DTMF解碼可以通過計(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
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