基于MSP430的嵌入式DTMF撥號(hào)解碼器方案設(shè)計(jì)
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)算的是頻率處的頻譜值,而精確的頻率值通常只能對(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)
其初始條件是
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:
在選定采樣頻率為6Khz基礎(chǔ)上,選取N=86個(gè)樣點(diǎn)即可達(dá)到所需的頻率分辨率。這對(duì)應(yīng)約15ms信號(hào),可以保證一位號(hào)碼能接收到兩個(gè)完整的DTMF信號(hào)周期。
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)門限值,而且二者之和也要大于某個(gè)門限值。(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。(4)高、低頻段最大幅值之和與其它6個(gè)幅值之和之比,必須大于某個(gè)門限值。
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。但要確認(rèn)接收到一個(gè)有效的號(hào)碼,還要滿足兩個(gè)條件,一是要有兩個(gè)以上連續(xù)周期的有效且相同的DTMF信號(hào),以保證信號(hào)持續(xù)時(shí)間,二是前面有足夠的靜音時(shí)間,以避免重復(fù)識(shí)別。
DTMF解碼程序流程圖如圖6所示。
解碼時(shí)每次迭代需要八次乘法,由于F133沒(méi)有硬件乘法器,要用移位加做乘法,因此優(yōu)化乘法運(yùn)算將大大提高計(jì)算效率。優(yōu)化從幾個(gè)方面考慮:盡量使用寄存器尋址方式,充分利用150ns指令;另外每個(gè)頻點(diǎn)的乘數(shù) 是固定已知的,因此移位加可以不用逐位循環(huán)并判斷的方式,而用按位完全展開的方式以省去判斷動(dòng)作;此外,在前端增加簡(jiǎn)單的增益控制可以保證后續(xù)運(yùn)算不發(fā)生溢出,省去溢出處理。經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了DTMF的實(shí)時(shí)解碼。
結(jié)語(yǔ) 該DTMF撥號(hào)解碼器方案成本低、性能可靠,已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。
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