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基于MSP430的嵌入式DTMF撥號解碼器實(shí)現方案
摘 要：本文介紹了一種基于MSP430的嵌入式DTMF撥號解碼器實(shí)現方案。DTMF撥號部分使用4根I/O線(xiàn)的電阻網(wǎng)絡(luò )，配合軟件產(chǎn)生DTMF信號。利用MSP430F133內置的ADC，并采用改進(jìn)的Goertzel算法，實(shí)現DTMF信號的實(shí)時(shí)解碼。該方案成本低、性能可靠，已經(jīng)得到了實(shí)際應用。
關(guān)鍵詞：DTMF撥號 DTMF解碼 改進(jìn)的Goertzel算法 MSP430F133
引言
DTMF（雙音多頻）信號是電話(huà)網(wǎng)中常用的信令，無(wú)論是家用電話(huà)、移動(dòng)電話(huà)還是程控交換機上，多采用DTMF信號發(fā)送接收號碼。DTMF技術(shù)還可以用于電力線(xiàn)載波通信等場(chǎng)合�？梢�(jiàn)，DTMF撥號和解碼在通信系統及其它方面有著(zhù)廣泛的應用。通常DTMF信號的檢測采用專(zhuān)用芯片或DSP來(lái)實(shí)現，但其成本較高。本文介紹了一種低成本的基于MSP430F133的DTMF撥號解碼器實(shí)現方案。 MSP430F133是TI的一款16位RISC結構MCU，最短指令周期為150ns，含有8KB Flash ROM，256B RAM并內置12位ADC。
DTMF信號
DTMF信號是將撥號盤(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)字符的信號由來(lái)自列頻和行頻的兩個(gè)頻率的正弦信號疊加而成。頻率組合方式如圖1所示。
根據CCITT Q.23建議，DTMF信號的技術(shù)指標是：傳送/接收率為每秒10個(gè)號碼，或每個(gè)號碼100ms。每個(gè)號碼傳送過(guò)程中，信號存在時(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，均被認為是無(wú)效的，拒絕承認接收。另外，在最壞的檢測條件下，信噪比不得低于15dB。
DTMF撥號
DTMF撥號部分的電路原理圖如圖2所示。電路主要由4根I/O線(xiàn)構成的電阻網(wǎng)絡(luò )和濾波器組成。電阻網(wǎng)絡(luò )構成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。在輸出端采用600Ω的1:1變壓器與電話(huà)線(xiàn)接口，電話(huà)線(xiàn)的輸出電平可通過(guò)改變Rx來(lái)進(jìn)行調節。
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，對每個(gè)頻率的正弦波進(jìn)行采樣并規格化成0~7（3位數據）,制成相應的正弦表。正弦表的制定要保證合成信號的頻率誤差在±1.5%以?xún)�，同時(shí)使采樣點(diǎn)數盡量少。為使波形失真度小，正弦表記錄的總信號時(shí)間對應原始信號的整數個(gè)周期，并且采樣起點(diǎn)選在正波形的峰值上。本設計采樣間隔選定為122us，保證頻率誤差均在±1%以?xún)�，各個(gè)頻率信號的采樣點(diǎn)數及頻率誤差見(jiàn)圖3所示。
DTMF撥號程序流程圖如圖4所示。
DTMF解碼
采用軟件方式進(jìn)行DTMF解碼，首先要將模擬信號轉換成數字信號，然后再送入CPU處理。利用MSP430F133內置的12位ADC加上簡(jiǎn)單的接口就可以實(shí)現模數轉換，ADC接口電路如圖5所示。其中
應選1%精度的金屬膜電阻。ADC參考電壓選內部2.5V：
DTMF解碼可以通過(guò)計算所接收到的信號在8個(gè)既定頻率點(diǎn)的頻譜值來(lái)確定是否為有效的DTMF信號及接收到的是哪個(gè)號碼。另外，需要通過(guò)一系列的有效性檢驗以防止誤判。
FFT可用來(lái)計算N點(diǎn)頻率處的頻譜值，但不適合于此處應用。因為它計算了許多不需要的值，計算量太大；而且為保證頻率分辨率，FFT的點(diǎn)數較大。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。
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算效率。它相當于一個(gè)含兩個(gè)極點(diǎn)的IIR濾波器，8個(gè)頻點(diǎn)對應各自相匹配的濾波器，其傳遞函數為
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