电话POS FSK通信软件调制解调的实现方法

摘要

本发明涉及一种电话POSFSK通信软件调制解调的实现方法，通过电话POS的CPU、DMA、ADC、DAC以及后台定时器配合完成：其软件调制是通过所述CPU经调制算法实时计算FSK、DTMF、CAS音数据，定时器按照固定采样频率触发DAC，该DAC触发直接内存存储器DMA，将数据传输到DAC输出寄存器，输出模拟信号，实现软件调制；其软件解调是通过所述定时器按照固定采样频率触发ADC，该ADC触发DMA将采样数据从ADC数据寄存器传输至指定的缓冲区；然后经解调算法，实时计算缓冲区的数据，实现软件解调。本发明改变了现有依靠专用芯片实现调制解调的方案，不仅节省了成本，而且缩小了设备的体积，稳定性高，具有较好的实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及电话POS通信领域，特别是一种电话POS FSK通信软件调制解调的实现方法。

背景技术

目前，电话POS的FSK通信解决方案包括以下几点：

1）多为专用芯片CMX865实现，采用中断信号或查询方式，与CPU同步。

2）DTMF音的软件解调，当前主要采用DFT、FFT或Goertzel算法计算时域信号的频谱，经比较分别得出高频组和低频组的最相似频率，从而得到两个高低频组的频率值，继而得到DTMF码。

3）FSK的软件解调，目前有移位相关、2点DFT、跳变沿统计等解调方案。这些方案，对处理器的外围器件资源（定时器）和运算能力要求也不一，性能也各有差异。

4）一般的DTMF、FSK软解调技术，多采用数字信号处理方法在DSP上运行，在STM32（72MHz主频）上运行比较吃力。

采用专用调制解调芯片CMX865解决方案，有以下缺点：

1)      该芯片无数据缓冲区。CPU驱动它时，一般采用中断信号与其同步。每次接收或发送一个字节时，CPU都必须进入中断程序，对软件系统的实时性要求较高。

2)      该芯片对信道质量适应性较差。对较差的线路，需要通过设置灵敏度来解决，即需要用户在通信失败时，进行灵敏度设置。这就可能导致客户对我司电话POS产生反感情绪，甚至影响市场业务的进行；同时还增加了研发人员出差的费用支出。

3)      该芯片成本较高。一块CMX865芯片需要大约12元钱，如果每年电话POS销量在30万台左右，那么在这种芯片解码方案上的成本就达到360万，如果使用软解码，那么这部分的成本就可以节省下来。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种电话POS FSK通信软件调制解调的实现方法，改变了现有依靠专用芯片实现调制解调的方案，不仅节省了成本，而且缩小了设备的体积，提高了通信的可靠性。

本发明采用以下技术方案实现：一种电话POS FSK通信软件调制解调的实现方法，其特征在于：通过电话POS的CPU、直接内存存储器DMA、ADC、DAC以及后台定时器配合完成软件调制和软件解调：

所述的软件调制是通过所述CPU经调制算法实时计算FSK、DTMF、CAS音数据，放置直接内存存储器DMA的缓冲区；所述定时器按照固定采样频率触发DAC，该DAC触发直接内存存储器DMA，将数据传输到DAC输出寄存器，输出模拟信号，实现软件调制；

所述的软件解调是通过所述定时器按照固定采样频率触发ADC，该ADC触发直接内存存储器DMA将采样数据从ADC数据寄存器传输至指定的缓冲区；然后所述CPU按照FSK、DTMF、CAS音、信号音数据的特征，经解调算法，实时计算缓冲区的数据，实现软件解调； 

在本发明一较佳实施例中，所述软件调制中直接内存存储器DMA传值个数到一半或全部时，触发相应的调制中断，在中断服务程序中，调用调制算法，进行软件调制计算。

在本发明一较佳实施例中，所述的调制算法包括FSK调制、DTMF调制和CAS音调制；

所述的FSK调制支持bell202和v23两种FSK协议，在初始化时，根据不同的协议设置，将频率变量因子初始化为不同的频率值。FSK计算公式为：

A*cos(φ+2*π*（fc±fm）*t)

式中，A为输出幅值，φ为上一比特结束时的相位，fc为载波频率，fm为调制频率，如bell202协议，fc=1700Hz，fm=500Hz；±的取法为：当输出比特1时，取减号；输出比特0时，取加号；中断时调用调制接口，计算对应空闲半缓冲区的值；调制计算时，某相位的余弦值，通过查表法获取；

所述DTMF调制,其流程和上述FSK调制相似，DTMF计算公式为：

A*(cos(2*π*f1*t)+cos(2*pi*f2*t))/2

式中，A为输出幅值，f1为低频，f2为高频；其取值视要发送的字符而定，具体参见标准文档DTMF频率表；

所述CAS调制，与DTMF一样，不同的是f1和f2的取值固定，分别为2130Hz和2750Hz。

在本发明一较佳实施例中，所述软件解调中直接内存存储器DMA传值个数到一半或全部时，触发相应的解调中断，在中断服务程序中，调用解调算法，进行软件解调计算。

在本发明一较佳实施例中，所述的调制算法包括FSK解调、DTMF解调、CAS解调和信号音解调；

所述的FSK解调步骤如下：

步骤11，将原始ADC采样数据，通过一个IIR带通滤波器，滤除FSK频带以外的噪声，得到初步处理后的信号数据；

步骤12，根据所述信号数据，计算信号数据中两频率点(fc+fm)和(fc-fm)的能量差；fc及fm的值，根据不同的协议进行设置，对算得的能量差，将其作为基带信号；

步骤13，对所述的基带信号，按照采样率和波特率的比例关系，进行抽样判决，得出比特流；

步骤14，根据所述的比特流，进行寻找同步码、字节合成、CRC校验处理，按照FSK链路协议进行字节合成，完成后进行CRC校验，若校验通过，则提取出消息字节，送往应用层；若校验错误，则进行错误处理；

所述DTMF解调包括以下步骤：

步骤21，DTMF是两组频率信号的叠加，低频组频率为697、770、852、941，高频组为1209、1336、1477、1633，单位Hz，根据ADC采样数据，计算DTMF信号总能量值及以上8频点能量值，查找各组能量最大频率点，计算其所占总能量比例；同时计算各频点二次谐波能量及带通滤波后的总能量，供后续判决使用；

步骤22，对所述比例，进行判决；若二者均大于所设定阈值，则认为是DTMF字符；若不满足，则认为是静音；判决后将形成字符流和静音流；

步骤23，将所述的字符流或静音流，进行重复确认；重复次数依据计算所使用的采样数据时长及时间间隔设置；然后判决所得字符，送往应用层；

所述CAS音解调：CAS音，是频率为2130Hz、2750Hz的合成音，其实就是特殊的DTMF音，解调技术和上述DTMF一样；

所述信号音解调包括以下步骤：

步骤31，将ADC原始数据，通过一个IIR低通滤波器，滤除高频噪声及其可能存在的高次谐波分量；

步骤32，根据步骤31的结果，分别计算频率430、440、450、460、470Hz的能量，取其最大值，作为信号音的能量；计算信号总能量；计算信号音能量与总能量的比值；

步骤33，根据所述的比值进行阈值判决，若大于60%，则认为是信号音，若小于60%，则认为不是信号音。

本发明采用软调制解调方案，替代现有CMX865方案。这不仅能更好地适应各种线路环境，无须用户手动设置解调灵敏度，用SoftFsk相比CMX865，加了特殊滤波算法，更适宜中国众多非标准电话交换机导致的复杂线路环境；而且本发明采用软解码替代原有的专用芯片，每个电话POS可以节省大约12元钱的成本，为我司在电话POS领域的市场竞争上提供更好的支持。

附图说明

图1是本发明实施例DAC、DMA调制输出示意图。

图2是本发明实施例ADC、DMA解调输入示意图。

图3是本发明外围接口调制部分电路原理示意图。

图4是本发明外围接口解调部分电路原理示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种电话POS FSK通信软件调制解调的实现方法，其特征在于：通过电话POS的CPU、直接内存存储器DMA、ADC、DAC以及后台定时器配合完成软件调制和软件解调：所述的软件调制是通过所述CPU经调制算法实时计算FSK、DTMF、CAS音数据，放置直接内存存储器DMA的缓冲区；所述定时器按照固定采样频率触发DAC，该DAC触发直接内存存储器DMA，将数据传输到DAC输出寄存器，输出模拟信号，实现软件调制；为了支持实时调制，当DMA传输输出数据到一半或全部时，即启动中断服务，调用调制算法，为对应空闲半缓冲补充数据；如图1所示。

所述的软件解调是通过所述定时器按照固定采样频率触发ADC，该ADC触发直接内存存储器DMA将采样数据从ADC数据寄存器传输至指定的缓冲区；然后所述CPU按照FSK、DTMF、CAS音、信号音数据的特征，经解调算法，实时计算缓冲区的数据，实现软件解调；为了支持实时解调，当DMA传输采样数据到一半或全部时，即启动中断服务，调用解调算法，计算对应半缓冲的采样数据；如图2所示。

具体的，调制过程中，直接内存存储器DMA将数据传输到DAC输出寄存器，当传值个数到一半或全部时，系统触发相应的调制中断，在中断服务程序中，根据当前的调制模式，调用相应的功能调制算法；利用相应的调制算法，为输出缓冲区补充数据。本实施例POS的FSK通信软件调制子系统，其信息流向依次为应用层、调制器（FSK/DTMF/CAS）、DAC输出数据、DAC口线信号、信道信号。其中，调制器为软件调制系统的核心。为满足电话POS的FSK通信需求，调制器应能支持以下几种模式:FSK调制(支持bell202和v23)，DTMF调制，CAS调制。

FSK调制，为了支持bell202和v23两种FSK协议，在初始化时，根据不同的协议设置，将频率变量因子初始化为不同的频率值。FSK计算公式为：

A*cos(φ+2*π*（fc±fm）*t)

式中，A为输出幅值，t表示采样时间，A为幅值，φ为上一比特结束时的相位，fc为载波频率，fm为调制频率，如bell202协议，fc=1700Hz，fm=500Hz。±的取法为，当输出比特1时，取减号；输出比特0时，取加号。当输出DMA传输一半或全部数据时，触发中断服务，调用调制接口，计算对应空闲半缓冲区的值。调制计算时，某相位的余弦值，通过查表法获取。

DTMF调制，流程和上述FSK调制相似。DTMF计算公式为：

A*(cos(2*π*f1*t)+cos(2*pi*f2*t))/2

式中，A为输出幅值，f1为低频，f2为高频。其取值视要发送的字符而定，具体参见标准文档DTMF频率表。

CAS调制，与DTMF一样。不同的是f1和f2的取值固定，分别为2130Hz和2750Hz。

在解调过程中，从ADC数据寄存器传输数据至DMA的采样缓冲区，当传值个数到一半或全部时，触发相应的解调中断，在中断服务程序中，调用解调算法，进行软件解调计算。本实施例POS的FSK通信软解调子系统，其信息流向依次为信道信号、ADC口线信号、AD采样数据、解调（FSK/DTMF/CAS/信号音）、应用层。为满足电话POS的FSK通信需求，解调器有以下几种模式：FSK解调(支持bell202和v23)，DTMF解调，CAS解调，信号音解调。

以下分述各解调模式的原理及步骤：

FSK解调：

对于FSK软解调，该技术有移位相关运算、2点DFT运算、跳变沿统计等解调方法，各有优缺点。其中移位相关运算较快，但不够精确，对小信号的相位造成模糊。跳变沿统计法最快，但也不够精确。2点DFT运算，运算量最大，需对每个采样点附近采样值都计算能量信息，但其解调效果较好，对大信号失真和小信号都不敏感。

本实施例采用2点DFT算法，对FSK信号进行解调。步骤如下：

1.    将原始ADC采样数据，通过一个IIR带通滤波器，滤除FSK频带以外的噪声，得到初步处理后的信号数据，送往下步。

2.    根据上步的计算结果，计算两频率点(f_c+f_m)和(f_c-f_m)的能量差。f_c及f_m的值，根据不同的协议进行设置，如bell202协议规范规定，f_c = 1700Hz，f_m = 500Hz。对算得的能量差，可将其作为基带信号，送往下步；

3.    对上步所算得的基带信号，按照采样率和波特率的比例关系，进行抽样判决，得出比特信息，送往下步；

4.    根据上步送来的比特流，进行寻找同步码、字节合成、CRC校验处理。按照FSK链路协议进行字节合成，完成后进行CRC校验。若校验通过，则提取出消息字节，送往应用层。若校验错误，则进行错误处理。

DTMF解调：

1.    DTMF音是两组频率信号的叠加。低频组频率为697、770、852、941，高频组为1209、1336、1477、1633，单位Hz。故可根据ADC采样数据，计算信号总能量值及以上8频点能量值，查找各组能量最大频率点，计算其所占总能量比例，送往下步。根据配置，还可计算各频点二次谐波能量，及带通滤波后的总能量，供下步判决使用。

2.    对于上步算得的两个最大值比例，进行判决。若二者均大于所设定阈值（如40%），则认为是DTMF字符；若不满足，则认为是静音。根据配置，可进行谐波判决及带内带外能量判决，可减少误判。判决所得的字符流或静音流，送往下步；

3.    对2步送来的字符流或静音流，进行重复确认。重复次数依据1步计算所使用采样数据的时长及时间间隔设置。然后判决所得字符，送往应用层。

CAS解调：

CAS音，是频率为2130Hz、2750Hz的合成音，其实就是特殊的DTMF音，解调技术和上述DTMF一样，不再赘述。

信号音解调：

在和电信交换机通信过程中，交换机可能发出不同的信号音，时长不同，其含义也不同，如拨号音、回铃音、忙音等。信号音，是425-475Hz的单音信号。对于信号音的解调，主要有以下步骤：

1.      将ADC原始数据，通过一个IIR低通滤波器，滤除高频噪声及其可能存在的高次谐波分量；

2.      根据1步的结果，分别计算频率430、440、450、460、470Hz的能量，取其最大值，作为信号音的能量；计算信号总能量；计算信号音能量与总能量的比值，送往下步；

对上步所得比值进行阈值判决，若大于60%，则认为是信号音，若小于60%，则认为不是信号音。

这里要说明的是，本发明软件调制解调，对硬件只关心到DAC和ADC口线为止。DAC及ADC口线至电话线接口之间的调理电路，原理图如图3和图4所示。

调制部分，CPU的DAC器件，将信号输出至DAC口线（即TXOUT引脚）。TXOUT信号经三极管放大后，输出至电话电路总线TEL_LINE上，最终送入实际电话线上。

解调部分，电话线信号耦合至TIP_IN，TIP_IN信号，经过滤波、运算放大电路放大后送往CPU的ADC口线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。