Katedra Systemów Mikroelektronicznych, Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki, Politechnika Gdańska

Nadajnik i odbiornik DTMF

UWAGA: To jest najnowsza wersja instrukcji, ostania modyfikacja 26.05.2010.

Wstęp

Celem zadania jest zaprojektowanie odbiornika i nadajnika sygnału DTMF. Zadanie należy zrealizować z wykorzystaniem kodeka dźwiękowego LM4550 (standard AC97) umieszczonego na płytce z układem Virtex 2 Pro. Sygnał z nadajnika powinien być odtworzony na głośnikach podłączonych do wyjścia "Line Out". Nadajnik sterowany powinien być za pomocą zaprojektowanego w Zadaniu 4 odbiornika RS232.
Źródłem sygnału wejściowego odbiornika DTMF jest mikrofon podłączony do wejścia "Mic In". Zdekodowany sygnał należy wyświetlić na diodach LED oraz przesłać do komputera za pomocą zaprojektowanego w Zadaniu 5 nadajnika RS232.

Proponowany schemat blokowy
Rys. 1 Zdjęcie płytki Virtex2 Pro. Na rysunku zaznaczono układy peryferyjne (od lewej kodek AC97, LED, RS232 ), które powinny zostać wykorzystane w projekcie.

Dokładny opis działania

Na wyjściu "Line Out" powinna być generowana suma dwóch sygnałów okresowych (Tabela DTMF) zgodnie z kodem odebranym z RS232 (pominąć nie pasujące kody). Czas generacji sygnału, po odebraniu jednego kodu z RS232, powinien wynosić 1 sekundę.
Przykład:
Odebrany bajt z odbiornika RS232 wynosi 0x31 wówczas na wyjściu "Line Out" przez 1 sekundę generowana jest suma dwóch sygnałów sinusoidalnych o częstotliwości f1=697[Hz] i f2=1209[Hz].
Odbiornik DTMF wykorzystuje sygnał przetworzony przez mikrofon podłączony do "Mic In". Po dekompozycji sygnału wejściowego na poszczególne częstotliwości, zdekodowaną wartość należy wyświetlić w postaci binarnej na diodach LED (wartość powinna być wyświetlana, aż do następnego poprawnego zdekodowania sygnału) oraz wysłać za pomocą nadajnika RS232 (w postaci kodu ASCI).
Przykład:
Sygnał odebrany przez mikrofon zawierał dwie sinusoidy o częstotliwościach f1=770[Hz] oraz f2=1477[Hz], wówczas należy na diodach LED wyświetlić kod b"0110" oraz wysłać bajt 0x36 nadajnikiem RS232. Jako generator sygnału DTMF, można wykorzystać moduł z pkt. 1 lub telefon komórkowy.

UWAGA: W zadaniu można wykorzystać jeden z dwóch przygotowanych szkieletów (wersja sprzętowa lub programowa). W szkieletach tych osadzony został moduł konfiguracji i komunikacja z kodekiem LM4550 (komponent AC97_top). Zadaniem grupy projektowej jest uzupełnienie odpowienich komponentów szkieletu o fragmenty realizujące algorytm generacji sygnałów okresowych (nadajnik DTMF) oraz detektor częstotliwości (odbiornik DTMF). W szkieletach brakuje również modułów dla magistarli RS232 (należy dostosować oraz osadzić moduły odbiornika i nadajnika z poprzednich zadań).

Możliwości usprawnienia ćwiczenia (dla chętnych)

Syntezer mowy Plik ucf do zadania, płytka XUP Virtex-2 Pro, układ Virtex-2 Pro XC2VP30 FFG896-7:
#########################################################################################
Net clk_i LOC=AJ15;
Net clk_i IOSTANDARD = LVCMOS25;

#########################################################################################
Net rstn_i LOC=AH5; # pressed low SW1

#########################################################################################
### AC97 Signals ###
NET AC97_clk_i PERIOD = 10000 ps;
NET AC97_clk_i LOC = F8;
NET AC97_resetn_o LOC = E6;
NET AC97_Sync_o LOC = F7;
NET AC97_SData_o LOC = E8;
NET AC97_SData_i LOC = E9;

#########################################################################################
Net LED_o<0> LOC=AC4; # LED0 low on
Net LED_o<1> LOC=AC3; # LED1 low on
Net LED_o<2> LOC=AA6; # LED2 low on
Net LED_o<3> LOC=AA5; # LED3 low on
#########################################################################################
Net RXD_i LOC=AJ8;
Net TXD_o LOC=AE7;
#########################################################################################

Informacja dodatkowe

DTMF
Informacje z Wikipedii

Generacja sygnałów okresowych
Prosta metod generacji sygnału sinusoidalnego polega na zaprojektowanie układu IIR realizującego równanie różnicowe o następującej postaci:
$a^{a+b}=1$
$a^{a+b}=1$
$a^{a+b}=1$
gdzie:
$a^{a+b}=1$
$a^{a+b}=1$
$a^{a+b}=1$
$a^{a+b}=1$ - częstotliwości próbkowania - ( domyślnie 8 kHz)
$a^{a+b}=1$ - częstotliwości generowanego sygnału
Algorytm realizujący powyższe równanie różnicowe można zapisać w następującej postaci:

y[1]=C \\warunki początkowe
y[0]=y[2]=0
while(i) \\ pętla programu
{
y[2]=y[1]
y[1]=y[0]
y[0]=A*y[1]-y[2]
i--;
}

Na wyjściu filtru pojawia się kolejne próbki sinusoidy o częstotliwości f=fs/N.
W Tabeli 1 przedstawione zostały parametry filtrów dla generatora częstotliwości DTMF. Poszczególne kody z tabeli DTMF uzyskuje się poprzez zsumowanie sygnałów z dwóch filtrów IIR.
Przykład: W celu wygenerowania sygnału odpowiadającemu znakowi "1" - należy wygenerować y(n) jako sumę dwóch sygnałów z filtrów IIR o częstotliwości f1=697 Hz oraz f2=1209 Hz

$y(n)=y_1(n)+y_2(n)$

gdzie:

$y_1(n)=1.71\cdot y_1(n-1)-y_1(n-2)$

$y_2(n)=1.16\cdot y_2(n-1)-y_2(n-2)$

Tab 1. Wartości parametrów filtru IIR dla generatora częstotliwości DTMF
( częstotliwość próbkowania $a^{a+b}=1$ )
Częstotliwość DTMF $f$	$N=\frac{f_s}{f}$	$A=2\cdot cos(\frac{2*\pi}{N})$	$C=sin(\frac{2*\pi}{N})$
697	11.48	1.71	0.52
770	10.39	1.65	0.57
852	9.39	1.57	0.62
941	8.5	1.48	0.67
1209	6.62	1.16	0.81
1336	5.99	1	0.87
1477	5.42	0.8	0.92
1633	4.9	0.57	0.96

W celu dalszej analizy algorytmu generacji sygnałów okresowych można przestudiować przygotowany w języku C program komputerowy. W programie przedstawiono modyfikacje algorytmu stałoprzecinkowego na algorytm operujący na liczba całkowitych z zakresu <-2^15:2^15>. Wyniki generowane przez program komputerowy można porównać z wynikami z symulacji w vhdl.
Informacje dodatakowe - przykładowe przebiegi

Detektor częstotliwości - Algorytm Goertzela
Informacje na temat szybkiego algorytmu detekcji częstotliwości na Wikipedii
Prosta metod detekcji sygnału sinusoidalnego polega na zaprojektowaniu układu IIR realizującego równanie różnicowe o następującej postaci:
$s(0)=0$
$s(1)=0$
$s(n)=x(n) + A\cdot s(n-1)-s(n-2)$
gdzie:
$x(n)$ - wartość n-tej próbki wejściowej
$A=2\cdot cos(2\cdot\pi\cdot \frac{k}{N})$
$k=round(N\cdot \frac{f}{f_s})$
$N$ - rząd filtru
$f_s$ - częstotliwości próbkowania - ( domyślnie 8 kHz)
$f$ - częstotliwości wykrywanego sygnału okresowego

Detekcja sygnału odbywa się na podstawie wartości mocy sygnału. Wartość mocy sygnału wyznacza się za pomocą dwóch ostatnich próbek wyjściowych filtru (próbki N-1 i N-tej) z następującego równania:
$P=s(N)^2+s(N-1)^2+A\cdot s(N)\cdot s(N-1)$

Algorytm realizujący powyższe równanie różnicowe można zapisać w następującej postaci:
s[0]=s[1]=0 \\warunki początkowe
while(i < N) \\ pętla programu
{
s[2]=s[1]
s[1]=s[0]
s[0]=x[i]+A*s[1]-s[2]
i++;
}
p=s[0]*s[0]+s[1]*s[1]-A*s[0]*s[1]

Właściwy dobór długości filtru (parametr N) jest bardzo istotnym elementem prawidłowej detekcji częstotliwości w tego typu algorytmach. Filtr o zbyt mały N nie będzie wykrywał częstotliwości prawidłowo (np. dwie różne częstotliwości będą nierozróżnialne z powodu małej rozdzielczości detektora). Z drugiej strony w zbyt długich filtrach mogą występować problemy z przekroczeniem zakresów sumatorów i mnożników. Należy również uwzględnić fakt występowania błędu zaokrąglenia parametru k. Z tego powodu jednym z kryterium wyboru parametru N jest minimalizacja błędu zaokrąglenia parametru k przy zachowaniu jak najmniejszej wartości parametru N, tak aby detektor mógł rozróżnić wszystkie wymagane częstotliwości (w naszym zadaniu są to częstotliwości DTMF). Minimalna długość filtru (N) dla detektora DTMF przy próbkowaniu fs=8000 Hz wynosi 105 (zalecany jest wybór minimalnej wartości N ze względu na występowanie przepełnień operacji dodawania i mnożenia na liczbach całkowitych).

W Tabeli 3 przedstawione zostały parametry filtrów IIR o długości N=105 i częstotliwości próbkowania fs= 8 [kHz] dla detektora częstotliwości DTMF.

Tab 3. Wartości parametrów filtrów IIR dla detektora częstotliwości
( $f_s=8 kHz$ oraz $N=105$ )
Częstotliwość DTMF $a^{a+b}=1$	$a^{a+b}=1$	$a^{a+b}=1$
697	9	1.72
770	10	1.65
852	11	1.58
941	12	1.51
1209	16	1.15
1336	18	0.95
1477	19	0.85
1633	21	0.62

Informacje dodatakowe - przykładowe przebiegi detektorów
W celu dalszej analizy algorytmu detekcji sygnałów okresowych można przestudiować przygotowany w języku C program komputerowy. W programie przedstawiono modyfikacje algorytmu stałoprzecinkowego na algorytm operujący na liczba całkowitych z zakresu <-2^15:2^15>. Wyniki generowane przez program komputerowy można porównać z wynikami z symulacji w vhdl.

Moduł AC97 kodeka LM4550 - szkielet sprzętowego odbiornika/nadajnika DTMF

W projekcie można wykorzystać moduł ac97_top do obsługi kodeka audio. Moduł AC97_top odpowiedzialny jest za konfiguracje układu kodeka LM4550 oraz odbieranie i nadawanie ramek audio w standardzie AC97. Wykorzystanie modułu AC97_top pozwala na uproszczenie projektu wykorzystującego kodek LM4550, gdyż schemat komunikacji pomiędzy modułem AC97_top a modułami użytkownika jest dużo prostszy niż bezpośrednia komunikacja z kodekiem LM4550 za pomocą ramek w standardzie AC97.
Komunikacja modułu AC97_top z modułami użytkownika obywa się za pomocą 4 równoległych (16-bitowych) magistral, dwie magistrale PCM_Record_left oraz PCM_Record_right (kanał lewy i prawy przetwornika analogowo-cyfrowego - linia Mic In) oraz dwie magistrale PCM_Playback_left oraz PCM_Playback_right (kanał lewy i prawy przetwornika cyfrowego-analogowego - linia Line Out). Dodatkowo komunikacja synchronizowana jest sygnałem PCM_New_sample sterowanym przez moduł AC97_top. Pojawienie się stanu wysokiego na linii PCM_New_sample oznacza pobranie nowych wartości próbek audio z magistral PCM_Playback_left/right (nowa wartość napięcia na linii Line Out - głośnik) oraz wystawieni nowej wartości na magistralach PCM_Record_left/right przez moduł AC97_top (na magistralach zapisywana jest aktualna wartość napięcia odczytana z wejściu Mic In - mikrofon).

Rys. 7 Schemat blokowy modułu obsługującego LM4550

Wykorzystanie modułu AC97_top w projekcie nadajnika/odbiornika DTMF wymaga zaprojektowanie dwóch dodatkowych komponentów. Pierwszy moduł (Gen_DTMF) generuje sumę dwóch sinusoid (np. zgodnie z przedstawionym w poprzednim pkt. algorytmem, jako suma dwóch sygnałów z filtrów IIR). Kolejne wartości sumy sinusoid (próbki sygnału audio) przekazywane są do modułu AC97_top poprzez magistrale PCM_Playback_left/right podczas wysokiego stanu na linii PCM_New_sample.
Drugi układ (Decode_DTMF) powinien dekodować sygnału DTMF (np. za pomocą wcześniej opisanego algorytmu Geortzla) i sterować LED'ami oraz nadajnikiem RS232. Wartości próbek audio z przetwornika analogowo-cyfrowego pobierane są poprzez magistrale PCM_Record_left/right podczas wysokiego stanu na linii PCM_New_sample.
Schemat blokowy systemu nadajnika/odbiornika DTMF wykorzystującego moduł AC97_top przedstawiono na Rys.8.

Rys. 8 Schemat blokowy układu nadajnika/odbiornika DTMF wykorzystującego moduł AC97_top.

Informacje dodatkowe - konfiguracja i komunikacja z modułem AC97_top.
Informacje dodatkowe - mnożenie liczb całkowitych w vhdl (mnozniki sprzętowe).
Szkielet projektu programowego generatora sygnału okresowego
W projekcie można wykorzystać szkielet systemu (wersja z 11.06.2010 - zmieniony AC97_top, + arkusz kalkulacyjny ) zawierający moduł AC97_top oraz procesor PicoBlaze. Procesor PicoBlaze steruje magistralami PCM_Playback_left/right oraz odczytuje wartość z magistral PCM_Record_left/right. W szkielecie systemu umieszczony został przykładowy program asemblerowy dla procesora PicoBlaze generujący przebieg sinusoidalny o częstotliwości fout=700Hz na wyjściu "Line Out" (parametry filtru IIR: N=10.46, fs=8 kHz).

Rys. 9 Schemat blokowy układu nadajnika/obiornika DTMF wykorzystującego moduł AC97_top oraz procesor PicoBlaze.

W dostępnym szkielecie część sprzętowa odpowiedzialna za wymianę informacji pomiędzy komponentem AC97_top oraz procesorem PicoBlaze została już poprawnie skonfigurowana, a zadaniem grupy projektowej jest opracowanie programu asemblerowego dla proceosra PicoBlaze realizującego algorytm generacji sygnału okresowego oraz detekcji częstotliwości.
Wykorzystanie szkieletu z modułem AC97_top i procesorem PicoBlaze w projekcie nadajnika DTMF wymaga zmodyfikowania przykładowego kodu asemblerowego, tak aby na magistaralach PCM_Playback_left/right generowana była suma dwóch sinusoid. Dodatkowo w głównym module szkieletu należy umieścić i odpowiednio podłączyć odbiorniki RS232 zaprojektowany w Zadaniu 4.
Aby zrealizować odbiornik DTMF należy zdekodować dwie częstotliwości sygnałów audio pobranych z magistral PCM_Record_left modułu AC97_top. Magistrale PCM_Record_left/right zostały podłączone przez multiplekser do portów wejściowych procesora PicoBlaze. W programie asemblerowym ze szkieletu, należy rozbudować funkcje obsługi przerwania procesora PicoBlaze o algorytm detekcji częstotliwości na magistralach PCM_Record_left/right. Zdekodowaną wartość sygnału DTMF należy wyświetlić na diodach LED oraz wysłać za pomocą nadajnika RS232 (moduł zaprojektowany w Zadaniu 5).
Informacje dodatkowe - szkielet systemu generatora sygnału sinusoidalnego.
Skrócony opis procesora PicoBlaze

Nadajnik i odbiornik DTMF

Wstęp

Dokładny opis działania

Możliwości usprawnienia ćwiczenia (dla chętnych)

Informacja dodatkowe

Moduł AC97 kodeka LM4550 - szkielet sprzętowego odbiornika/nadajnika DTMF

Szkielet projektu programowego generatora sygnału okresowego