一種話音自動(dòng)呼叫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭 巍,李 鑫

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

話音通信由于其自身的便捷性和通用性,在目前所設(shè)計(jì)的各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中仍然占有很大的比重。一套話音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)之后,需要測試該系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性,即需要進(jìn)行成百上千次的撥號呼叫,測試系統(tǒng)的呼叫成功率。這樣通常需要花費(fèi)大量的人力物力,并且測試過程十分枯燥,經(jīng)常會有人為的誤差。

為提高工作效率,降低人力成本,提高測試準(zhǔn)確性,利用數(shù)字信號處理器(DSP)[1]芯片、單片機(jī)、中繼接口電路以及監(jiān)控單元,設(shè)計(jì)了一種話音自動(dòng)呼叫系統(tǒng)。利用該系統(tǒng),可以模擬實(shí)現(xiàn)一部電話機(jī)的整個(gè)呼叫流程:通過中繼接口電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)摘機(jī),利用DSP芯片檢測信號音,并產(chǎn)生雙音多頻信號(DTMF)[2]進(jìn)行撥號,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)呼通率的測試,通過本系統(tǒng)的監(jiān)控單元,可以實(shí)時(shí)觀察到測試結(jié)果。此外,也可以通過C8051單片機(jī)的串口直接將結(jié)果輸出到計(jì)算機(jī)。

1 DSP芯片產(chǎn)生DTMF和檢測信號音

1.1 DSP處理器

DSP是鑒于數(shù)字濾波和快速傅里葉變換的數(shù)字信號處理技術(shù)而發(fā)展的,DSP處理器具有多總線、多處理單元和流水線處理結(jié)構(gòu),并具有豐富的I/O接口,在音頻、圖像和視頻等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)中的DSP采用Ti公司的TMS320 VC5509A,該芯片運(yùn)算速度快、功耗低、接口豐富,非常適合于語音信號處理算法。由于DSP內(nèi)部不帶用戶可以直接使用的程序存儲器,因此本系統(tǒng)使用Intel公司的28F160并口Flash芯片,該芯片讀寫速度快,具有16Mbit的存儲容量。

1.2 DTMF的產(chǎn)生和信號音的檢測

在電話通信過程中,通過電話機(jī)撥號,產(chǎn)生DTMF信號進(jìn)行呼叫,該信號是由2個(gè)不同頻率的信號疊加而成的復(fù)合信號,用于自動(dòng)程控交換機(jī)及電話撥號。撥號完成之后,通過一些固定的信號音來識別主被叫的狀態(tài),協(xié)助完成整個(gè)通信過程,撥號完成之后,如果聽到忙音(0.5 s通,0.5 s斷的450 Hz單音),則呼叫失敗;如果聽到回鈴音(1 s通,4 s斷的450 Hz單音)則認(rèn)為呼叫成功,此時(shí)被叫端送振鈴,主叫端等待被叫摘機(jī),被叫摘機(jī)后,主叫端停止送回鈴音,被叫話機(jī)停止振鈴,此時(shí),主被叫雙方可以進(jìn)入話音通信階段。

利用DSP芯片,產(chǎn)生DTMF信號,模擬電話機(jī)撥號,呼叫完成之后,再通過DSP進(jìn)行信號音的檢測,判斷一次話音通信是否成功,進(jìn)而統(tǒng)計(jì)呼叫成功率。

DTMF的產(chǎn)生和信號音的檢測均由DSP芯片完成,然后通過異步串口上報(bào)給CPU單元。系統(tǒng)加電后,由片上Boot程序?qū)⑾到y(tǒng)程序加載到芯片,系統(tǒng)開始運(yùn)行初始化模塊,對數(shù)據(jù)和部分全局變量進(jìn)行初始化處理。初始化后,系統(tǒng)上報(bào)狀態(tài),然后啟動(dòng)中斷,中斷服務(wù)程序開始處理外部中斷、串口中斷。DSP系統(tǒng)運(yùn)行中,看門狗模塊對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控,如果系統(tǒng)超過沒有響應(yīng)看門狗模塊,該模塊會自動(dòng)重啟系統(tǒng)。

DSP檢測信號音以及產(chǎn)生DTMF信號示意圖如圖1所示。DTMF音頻信號的產(chǎn)生通過CPU的控制命令實(shí)現(xiàn),如果DSP的串口服務(wù)程序接收到產(chǎn)生DTMF的命令,則首先控制DSP產(chǎn)生2種所需的單音信號,然后再將2種單音進(jìn)行疊加,得到所需的雙音多頻。

圖1 DSP檢測信號音以及產(chǎn)生DTMF信號示意圖

信號音檢測的原理是:首先通過信令檢測模塊檢測輸入的PCM是否為450 Hz的單音信號,其算法的基本原理是對待檢測語音進(jìn)行FFT變換,分析其頻域的特征,選擇一定的門限對單音所在頻帶能量進(jìn)行判斷,如果超過門限即判其為單音?？紤]到待檢測的單音有可能不是標(biāo)準(zhǔn)的450 Hz單音信號,可以對一定范圍的單音進(jìn)行判斷,比如本系統(tǒng)中450 Hz的單音檢測范圍為421.875～468.75 Hz。在檢測到單音信號之后需要對單音的通斷比進(jìn)行判斷,如果是連續(xù)的則上報(bào)撥號音;如果為0.5 s通,0.5 s斷的單音則上報(bào)忙音;如果為1 s通,4 s斷的單音則上報(bào)回鈴音。

1.3 中繼接口

外部交換局(Foreign Exchange Office,FXO)接口,通常叫做中繼環(huán)路接口,簡稱中繼接口。中繼接口是接收模擬線路的埠,用來傳輸掛機(jī)/摘機(jī)指示。

本系統(tǒng)采用的是中繼接口電路為MY2033中繼模塊,該模塊具有二/四線轉(zhuǎn)換、環(huán)路檢測、鈴流檢測和模擬摘機(jī)等功能,并且內(nèi)部帶有PCM編解碼功能(TP3057)。通過把2根平衡的電話線轉(zhuǎn)換成對地的模擬輸出信號VX再經(jīng)過CODEC轉(zhuǎn)換成PCM輸出;相反,輸入PCM信號DR經(jīng)過DODEC轉(zhuǎn)換成輸入模擬信號VR而后經(jīng)過2/4線變換成平衡的2根信號?？梢酝ㄟ^指定MY2033的工作時(shí)隙,選擇處理不同時(shí)隙的PCM信號。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)(MCU)作為CPU,外加一片F(xiàn)PGA芯片以及DSP芯片對系統(tǒng)電路進(jìn)行控制和交互,通過中繼接口電路,將本系統(tǒng)接入待測試系統(tǒng)中。通過中繼電路控制摘機(jī),通過DSP芯片進(jìn)行DTMF撥號,信號音檢測,進(jìn)而將結(jié)果上報(bào)到CPU,通過計(jì)算得到待測系統(tǒng)的呼叫成功率。最后可以通過一個(gè)RS232異步串口將測試結(jié)果上報(bào)計(jì)算機(jī)或者直接通過顯示屏顯示出來。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中,CPU采用Silicon公司的C8051系列單片機(jī);FPGA采用Xilinx公司的SPARTANXC2S50,中繼接口選用明亞公司的MY2033中繼接口模塊;DSP選用Ti公司的TMS320VC5509A,監(jiān)控屏選擇MGLS-12233液晶模塊作為顯示輸出,并配有4個(gè)按鍵作為輸入。

呼通率測試開始之前,首先需要輸入被叫號碼長度和被叫號碼,本系統(tǒng)最長支持16位撥號?？梢酝ㄟ^2種方式輸入,一種是直接通過監(jiān)控屏和按鍵輸入;另一種方式是通過C8051自帶的異步串口,轉(zhuǎn)換為RS232電平,連接計(jì)算機(jī),通過計(jì)算機(jī)的串口軟件輸入。完成被叫號碼的輸入后,通過電話線將本系統(tǒng)接入待測試的話音通信系統(tǒng),通過FPGA設(shè)置中繼接口和DSP芯片工作在相同時(shí)隙,即可開始進(jìn)行呼叫測試。單次呼叫測試流程如圖3所示。

圖3 測試呼通率流程

首先通過控制MY2033的RC管腳置高電平,模擬中繼接口摘機(jī),利用DSP芯片檢測中繼接口收到的信號音,如果是撥號音,則可以進(jìn)行撥號;如果是忙音,則不能進(jìn)行呼叫,置MY2033的RC管腳低電平,模擬中繼接口掛機(jī),開定時(shí)器,延時(shí)一段時(shí)間后,再次進(jìn)行摘機(jī)檢測,直到檢測到撥號音后,便可以進(jìn)行撥號呼叫。撥號號碼是預(yù)先輸入到在CPU之中的,按照300 ms間隔,持續(xù)時(shí)間 50 ms定時(shí),順序通過串口給DSP發(fā)送產(chǎn)生DTMF命令,利用DSP芯片產(chǎn)生DTMF,模擬進(jìn)行撥號呼叫,撥號完成后,DSP對對端回送的信號音進(jìn)行監(jiān)視檢測,并且上報(bào)給CPU。如果上報(bào)檢測到回鈴音,則認(rèn)為呼叫成功,置MY2033中繼接口的RC管腳置低電平,模擬掛機(jī),一次呼叫完成;如果定時(shí)超時(shí)或者檢測到忙音,則認(rèn)為本次呼叫失敗,置RC管腳掛機(jī),等待下次呼叫。完成一次呼叫之后,完成對呼叫總次數(shù)、成功次數(shù)、失敗次數(shù)的計(jì)算,并且顯示在監(jiān)控顯示屏上,同時(shí)可以通過計(jì)算機(jī)串口對此時(shí)的呼叫情況進(jìn)行查詢。

3 結(jié)束語

利用DSP芯片、中繼接口電路和單片機(jī)組成的話音自動(dòng)呼叫系統(tǒng),可以便利準(zhǔn)確地對一套話音通信系統(tǒng)的呼叫成功率進(jìn)行測試。本系統(tǒng)使用簡單,系統(tǒng)工作只需要+5 V一種電壓,并且不需要其他任何輔助裝置,即可利用按鍵直接輸入被叫電話號碼,并通過系統(tǒng)的液晶屏顯示測試結(jié)果。此外,在測試中,還可以選擇多種測試方式,既可以選擇一對一的呼叫,即利用本系統(tǒng)呼對一個(gè)固定的電話號碼進(jìn)行呼叫測試;也可以進(jìn)行一對多呼叫,即輪流呼叫待測系統(tǒng)中的多個(gè)不同的電話號碼,測試方式的多樣性使測試結(jié)果更加全面、準(zhǔn)確。

[1]張雄偉,陳 亮,徐光輝.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用(第3版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[2]陳立萬.基于DTMF解碼器的DSP技術(shù)[J].無線電工程,2001,31(1):132-134.