基于FPGA的DTMF信号检测器硬件设计与实现

时间:2022-01-02 01:10:56

基于FPGA的DTMF信号检测器硬件设计与实现

摘要:论文在研究Goertzel算法的基础上采用了基于硬件的实现方法完成了DTMF信号检测。基于Verilog HDL语言实现了DTMF信号检测的RTL设计,并完成了功能验证,然后基于Altera的DE2-70开发板,完成了FPGA硬件设计,并在开发板上实现了DTMF信号的检测。

关键词:Goertzel算法 硬件实现 FPGA

中图分类号:TN911.7 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2015)03-0000-00

Abstract:This paper presents the hardware implementation of DTMF detect. Based on the Goertzel algorithm, the RTL design in Verilog HDL and verification was accomplished, then FPGA was implemented based on the demo board of DE2-70 from ALTERA.

Key words:Goertzel glgorithm ,Hardware Architechure, FPGA

1 引言

DTMF(Dual Tone Multi Frequency,双音多频)是用两个特定的单音频组合信号来代表数字信号以实现数据传输的一种编码技术。它是用两个不同的单音频来代表不同的数字或信息。DTMF广泛应用于电话通信系统中,用作电话的音频拨号。电话机中通常有16个按键,其中10个数字键0~9和6个功能键*、#、A、B、C、D。每一个按键都用两个不同的单音频传输,一个高频和一个低频。根据CCITT的建议,国际上采用的四个高频是1209Hz,1336 Hz,1477 Hz和1633 Hz;四个低频是697Hz,770Hz,852Hz和941Hz。每一个按键均由高低频中的各一个频率构成,例如1用1209Hz和697Hz两个频率构成。这样,8个频率可以形成16种不同的双音多频。具体组合见表1。

2 Goertzel算法分析

2.1 Goertzel算法的背景

3 Goertzel算法的实现

Goertzel算法是在每次采样后立即进行处理,在每个第 次采样进行一次音调检测。在真正运行Goertzel算法之前,必须进行下面的初步计算:

(1)决定采样率 ;

(2)选择块大小,即抽样点数 ;

(3)预先进行一次余弦和正弦计算;

(4)预先计算一个系数。

这些计算既可以预先完成,然后硬编码到程序中,从而节省RAM和ROM空间,也可以动态方式计算。

要检测的信号频率范围是697~1633Hz,但考虑到存在语音干扰,除了检测这8个频率外,还要检测它们的二次倍频的幅度大小,波形正常且干扰小的正弦波的二次倍频是很小的,如果发现二次谐波很大,则不能确定这是DTMF信号。这样频谱分析的频率范围为697~3266Hz。按照采样定理,要求最小的采样频率应为7.24KHz。在数字电话通信系统中,一般选择 。

DFT的频率采样点频率为 (k=0,1,2,……,N-1),相应的模拟域采样点频率为 (k=0,1,2,……,N-1),希望选择一个合适的N,使用该公式算出的 能接近要检测的频率,或者用8个频率中的任一个频率 代入公式 中时,得到的k值最接近整数值,这样虽然用幅度最大点检测的频率有误差,但可以准确判断所对应的DTMF频率,即可以准确判断所对应的数字或符号。经过分析研究认为N=205是最好的。按照 =8KHz,N=205,算出8个频率及其二次谐波对应k值,和k取整数时的频率误差见表2。

Goertzel算法的运行: Goertzel实现是每次采样后立即进行处理,在每个第 次采样进行一次音调检测。在确定了 , 和 后,利用公式(7)和(9)进行迭代计算直到计算出 点的值,然后和预先确定的阈值进行比较,进而判断对应频点,再根据构成规则解出电话号码。

4 基于Goertzel算法的DTMF信号检测器的VrilogHDL实现

Altera的DE2-70的FPGA开发板只能处理数字信号,因此,产生的连续时间的模拟信号必须经过抽样变成离散时间的数字信号。为了保证信号的不失真,我们必须选择合适的抽样率。我们使用开发板上的WM8731芯片实现A/D转换。如果输入声音过小或人为的加入噪声,系统能不能准确判断、检测,这就涉及到信号的有效检测问题。

系统的构建:

系统框图,如下图3。

在图3中,在主控模块的控制下,WM5731模块负责对音频信号采集,采集后的数字信号保存在FIFO中,然后将FIFO中的数据送入Goertzel模块,Goertzel模块提取频点值送到rank模块,rank模块将在输入的频点中选取幅度最大的两个频点,然后将两这两个频点送入Display模块,Display模块将对输出的两频点进进行译码并将译码的结果通过数码管显示出来。

5 结语

本文在研究Goertzel算法的基础上采用了基于硬件的实现方法完成了DTMF信号检测。基于Verilog HDL语言实现了DTMF信号检测的RTL设计,并完成了功能验证,然后基于Altera的DE2-70开发板,完成了FPGA硬件设计,并在开发板上实现了DTMF信号的检测。经实际测试达到了预期的效果。

参考文献

[1] 戈今朝,张禄林,钱玉美.一种新的基于Goertzel算法的信号检测方法.通信技术,2002,(9):16-18.

[2] Uwe Meyer-Baese著,刘凌,胡永生译.数字信号处理的FPGA实现.北京:清华大学出版社,2003.

[3] (美)奥本海姆(Oppenheim,A.V.),(美)谢弗(Schafer,R.W),(美)巴克(Buck,J.R.)著;刘树棠,黄建国译,离散数字信号处理:第2版,西安:西安交通大学出版社,2001.9.

[4] 李亚民.计算机原理与设计.北京:清华大学出版社,2011.

[5] 夏宇闻.Verilog 数字系统设计教程(第2版).北京:北京航空航天大学出版社,2008.6.

上一篇:市政管道三维设计软件的研究 下一篇:基于ZigBee技术的无线传感数据采集网络研究与...