DTMF解码 - 基于PSoC的嵌入式DTMF解码器实现方案

　　DTMF解码

　　采用软件方式进行DTMF解码，首先要将模拟信号转换成数字信号，然后再送入CPU处理。利用PSoC的可编程模拟运算放大器和8位ADC用户模块，加上简单的接口就可以实现DTMF信号的模数转换，ADC接口电路如图3所示。可编程模拟运算放大器用户模块主要用来实现DTMF输入信号的自动增益控制功能。

　　DTMF解码可以通过计算所接收到的信号在8个既定频率点的频谱值来确定是否为有效的DTMF信号及接收到的是哪个号码。另外，需要通过一系列的有效性检验以防止误判。

　　FFT可用来计算N点频率处的频谱值，但不适合于此处应用。因为它计算了许多不需要的值，计算量太大；而且为保证频率分辨率，FFT的点数较大。另外，它不能按逐个样点的方式处理，不利于实时实现。

　　由于只需要知道8个特定点的频谱值，采用一种称为Goertzel算法的DFT算法可以有效地提高计算效率。它相当于一个含两个极点的IIR滤波器，8个频点对应各自相匹配的滤波器，其传递函数为：

　　

　　然而Goertzel算法还是有一个缺点，那就是它计算的是频率fk=kfs/N处的频谱值，而精确的频率值fi通常只能对应某个近似的整数 k，为了达到要求的分辨率，就需要较大的样点数N。改进的方法是：修改传递函数，不计算角频率处的频谱值，而计算精确角频率处的频谱值。这样分辨率能达到数据自然加窗（矩形窗）的分辨率。它的传递函数为

　　

　　改进的Goertzel算法运算步骤如下：

　　1. 对每个采样点递归计算（n=0，1，…，N）

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

　　其初始条件是Si［-1］= Si［-2］=0。

　　2. 当N个样点采集并计算完成后，计算8个频谱值：

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

　　在选定采样频率为7.8125Khz基础上，选取N=84个样点即可达到所需的频率分辨率。这对应约11ms信号的采样时间，这足以保证PSOC在100mS的信号码传输周期里的非采样时间里完成DTMF解码和用户应用系统的其它功能。

　　当8 个频谱值计算出来后，还要进行DTMF有效性检验，以判定是否为有效的DTMF信号。有效性检验包括以下几项内容：（1）高、低频段的最大幅值都必须大于某个门限值，而且二者之和也要大于某个门限值。（2）高、低频段的最大幅值与各自频段其它三个幅值相比，其差值必须大于某个门限值。（3）逆向绞度检验即低频段最大幅值不得超过高频段最大幅值8dB，标准绞度检验即高频段最大幅值不得超过低频段最大幅值4dB。

　　若上述检验通过，判定当前周期DTMF信号有效，根据频率组合可确定是对应哪个号码。为了避免重复识别，还需进行静音检测。

　　DTMF解码程序流程图如图4所示。

　　

　　解码时需要大量的乘法运算，可以通过PSoC内部的8位有符号硬件乘法器完成，从而实现DTMF的实时解码要求。

　　结语

　　该方案所需PSoC的软硬件资源少，性能可靠，可方便地集成于基于PSOC的单片系统产品实现低成本的远程控制功能。