采用MSP430的嵌入式DTMF拨号解码器方案设计

软件上使用查表方式模拟产生两个不同频率的正弦波。首先确定一个合适的采样间隔，对每个频率的正弦波进行采样并规格化成0~7（3位数据）,制成相应的正弦表。正弦表的制定要保证合成信号的频率误差在±1.5%以内，同时使采样点数尽量少。为使波形失真度小，正弦表记录的总信号时间对应原始信号的整数个周期，并且采样起点选在正波形的峰值上。本设计采样间隔选定为122us，保证频率误差均在±1%以内，各个频率信号的采样点数及频率误差见图3所示。

DTMF拨号程序流程图如图4所示。

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MSP430F133内置的12位ADC加上简单的接口就可以实现模数转换，ADC接口电路如图5所示。其中应选1%精度的金属膜电阻。ADC参考电压选内部2.5V：

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处的频谱值，而精确的频率值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）

其初始条件是

2. 当N个样点采集并计算完成后，计算8个频谱值：

在选定采样频率为6Khz基础上，选取N=86个样点即可达到所需的频率分辨率。这对应约15ms信号，可以保证一位号码能接收到两个完整的DTMF信号周期。

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。（4）高、低频段最大幅值之和与其它6个幅值之和之比，必须大于某个门限值。

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。但要确认接收到一个有效的号码，还要满足两个条件，一是要有两个以上连续周期的有效且相同的DTMF信号，以保证信号持续时间，二是前面有足够的静音时间，以避免重复识别。

DTMF解码程序流程图如图6所示。

解码时每次迭代需要八次乘法，由于F133没有硬件乘法器，要用移位加做乘法，因此优化乘法运算将大大提高计算效率。优化从几个方面考虑：尽量使用寄存器寻址方式，充分利用150ns指令；另外每个频点的乘数是固定已知的，因此移位加可以不用逐位循环并判断的方式，而用按位完全展开的方式以省去判断动作；此外，在前端增加简单的增益控制可以保证后续运算不发生溢出，省去溢出处理。经过上述优化，实现了DTMF的实时解码。

结语该DTMF拨号解码器方案成本低、性能可靠，已经得到了实际应用。