Análisis de un sistema Dual-Tone Multi-Frequency (DTMF)

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1 Análisis de un sistema Dual-Tone Multi-Frequency (DTMF) Ignacio Acero, Andrés Arévalo, Santiago López Ingeniería Electrónica, Universidad Sergio Arboleda Abstract This article presents a DTMF dialing system recreation. The implementation consists in 2 subsystems: first the software subsystem which performs the generation process, analysis and signal recognition. Second a hardware subsystem which uses a MT8870 integrated circuit and finally a decoder. The DTMF circuit generates the signal and through a FPGA design the signal is shown in a 7-segment display. 1. Introducción Mediante la aplicación de diferentes conceptos relacionados con el análisis de señales se recrea un sistema de marcación por DTMF [1], para ello, se realiza la implementación de dos subsistemas uno en software y otro en hardware. El primero, desarrollado en Matlab, genera y analiza los diferentes tonos permitiendo su reconocimiento. El segundo subsistema utiliza el integrado MT8870 [2] y su salida es entregada al decodificador de 4 bits, que permite visualizarla como digito o carácter en un display de 7 segmentos. El Diseño del decodificador es implementado en una FPGA mediante una aplicación desarrollada en la herramienta Altium Designer [3]. La estructura del sistema, con sus dos subsistema y los módulos correspondientes, se presentan en la Figura 1. Los dos subsistemas toman como entrada un teléfono de mesa con marcación por tonos, marca Panasonic, que corresponde al módulo 1. El subsistema de software, contiene los módulos 2 y 3. El módulo 2 es la implementación de una Interfaz Gráfica de Usuario (GUI) [4] para la generación de tonos y su análisis, permitiendo mostrar las gráficas en función del tiempo y de la frecuencia, esta última mediante la transformada rápida de Fourier [5]. Este análisis se hace para cada uno de los 10 números y dos símbolos de un teclado telefónico, tal como se describe en la señalización DTMF (no se incluyen las 4 letras: A, B, C, D). El, el módulo 3 es una segunda GUI para el análisis de la señal DTMF recibida del teléfono permitiendo identificarla mediante la función de correlación [6], es decir, este módulo muestra el digito o carácter al que corresponde al tono marcado. Dicha correlación se realiza mediante la comparación de la señal de entrada con las señales previamente guardadas según el estándar DTMF. En lo relacionado con el subsistema de hardware, el módulo 4, corresponde al montaje del diseño para el integrado MT8870, el cual recibe una señal análoga correspondiente a un tono DTMF generado por el teléfono del módulo 1, y entrega un código binario de 4 bits que corresponde al carácter ( *, # ) o dígito marcado (0 al 9). Finalmente en el módulo 5, se implementó en una plataforma de hardware reconfigurable NB-3000 basada en una FPGA Xilinx Spartan-3AN, por medio de la herramienta Altium Designer un decodificador de 4 bits que permite visualizar el código binario de entrada procedente del integrado MT8870 en un display de 7 segmentos. Figura 1. Estructura del Sistema DTMF /15/$ IEEE

2 2. Marco Teórico: DTMF [1] El sistema de marcación por tonos o DTMF Dual Tone Multi Frequency es un sistema de señalización de telecomunicaciones que usa la banda de frecuencia vocal entre equipos de comunicación telefónicos y la central telefónica. El sistema DTMF utiliza ocho diferentes frecuencias transmitidas en pares para representar 16 caracteres que corresponden a diferentes números, símbolos y letras, tal como se observa en la tabla 1. Estos caracteres tienen asignados dos tonos, correspondientes a la fila y la columna en la que se encuentran. Al realizar una marcación por medio de un teclado telefónico que implementa un sistema DTMF la central telefónica reconoce el número que se está marcando por medio de estos tonos y de acuerdo a esto redirige la llamada. Tecla pulsada por el usuario en la interfaz gráfica de Matlab. Gráfica de la señal DTMF de la tecla pulsada y gráfica de la transformada de Fourier de la señal DTMF. Este modulo construye la señal DTMF para la tecla correspondiente y realiza el respectivo espectro en frecuencia. Ver diagrama de flujo 1. Diagrama de Flujo 1 Descripcion detallada de la GUI 1 Tabla 1. Frecuencias por fila y columna asignadas a cada carácter de un teclado telefónico. 3. Análisis y Diseño Con base en la estructura del sistema DTMF propuesta en la Figura 1 a continuación de presenta, según sea el caso, el análisis y diseño correspondiente a cada uno de los módulos, identificando su relación con los otros módulos a través de las entradas y salidas, así como su funcionalidad. De esta manera se analiza cada módulo y los dos subsistemas. Módulo 1 Teléfono Panasonic Kxts 500 [7] Teclado Telefónico Señal DTMF correspondiente a la tecla presionada por el usuario. Este módulo corresponde a un teléfono convencional de 12 teclas. Cuando una tecla es pulsada, se envían dos tonos de distinta frecuencia, uno correspondiente a la fila y el otro a la columna en la que esté la tecla. Módulo 3 GUI 2_Análisis de la señal DTMF Señal DTMF correspondiente a la tecla presionada por el usuario. Gráfica de la entrada recibida, gráfica de la señal DTMF generada por Matlab y gráfica de la correlación entre las dos señales anteriores. Este modulo analiza la señal DTMF generada por el teléfono y mediante un procesamiento permite determinar a qué tecla corresponde. Ver diagrama de flujo 2. Módulo 2 GUI 1_Generador de Tonos Diagrama de Flujo 2 detallada de la GUI 2 2

3 En el diseño del circuito DTMF se utilizó el IC MT8870, el cual lleva acabo la función de filtro y decodificador. El montaje del circuito se llevó a cabo según el siguiente esquemático: Módulo 4 MT8870 Señal DTMF correspondiente a la tecla presionada por el usuario. Señal de 4 bits correspondiente al número en binario de la frecuencia DTMF que recibió en la entrada. Es un circuito integrado utilizado para realizar las funciones de decodificación y filtros rechaza banda para circuitos DTMF. Módulo 5 Figura 2. Esquema Circuito DTMF. Decodificador en FPGA Señal de 4 bits correspondiente al número en binario de la frecuencia DTMF que recibió en la entrada. Número en decimal mostrado en el display de 7 segmentos, correspondiente a la tecla pulsada. Mediante el software Altium Designer y haciendo uso de la plataforma de desarrollo NB3000 [8] se construye un circuito lógico combinatorio [9] que decodifica la señal de entrada para mostrarla en forma decimal en un display de 7 segmentos. Para implementar el display de siete segmentos se diseña la lógica combinatoria construyendo la tabla de verdad donde las entradas son los 4 bits provenientes del módulo 4 y se representan en la primera columna y las señales de salida corresponden a los segmentos a, b, c, d, e, f, g del display de 7 segmentos. Esta tabla de verdad se muestra en la Tabla 2. Es importante aclarar que las teclas correspondientes a * y # se representaran en el display 7 segmentos con las letras A y b respectivamente. Circuito DTMF 3 Inputs Outputs a b c d e f g

4 A= * b = # Tabla 2. Tabla de verdad para implementar el decodificador en el siete segmentos 4. Implementación Módulo 1: Teléfono, corresponde a un teléfono fijo Panasonic Kxts 500, el cual consta de 12 teclas convencionales: 10digitos, * y #. Módulo 2 y 3: GUI 1 y GUI, estas dos aplicaciones se diseñaron en la herramienta de software MATLAB R2014a usando el lenguaje de programación que ofrece este. Figura 4. Interfaz gráfica GUI 2. Módulo 4: Circuito DTMF, se implementó en una protoboard Syb-120 De 700 siguiendo el esquemático que se presenta en la Figura 2. En los pines 11, 12, 13, 14 se encuentran 4 Led s conectados los cuales representan en binario el número que se ha pulsado en el generador de tonos Módulo 5: Decodificador FPGA, a partir de la tabla de verdad se construyen los circuitos lógicos en Altium Designer. A continuación se muestra el ejemplo del circuito lógico para el segmento d del display 7 segmentos. GUI 1: Esta aplicación permite visualizar dos gráficos generados por MATLAB, correspondientes al espectro en frecuencia y a la función DTMF de la tecla presionada por el usuario en el teclado virtual de la interfaz gráfica. Figura 5. Circuito lógico del segmento d. De la misma forma se construyen los circuitos lógicos de los demás segmentos(a, b, c, e, f, g ). Figura 3. Interfaz gráfica GUI 1. GUI 2: Esta aplicación graba una fracción de la señal DTMF generada por el teléfono y la procesa para luego mostrar en pantalla qué número presiono el usuario junto con las gráficas de la señal DTMF grabada, la señal DTMF original del número correspondiente y la correlación entre las dos. Figura 6. Esquemático implementado para el decodificador del display de siete segmentos. Este decodificador se implementó en una plataforma de hardware reconfigurable NB-3000 basada en una FPGA 4

5 Xilinx Spartan-3AN. En términos generales, se reciben los 4 bits del circuito DTMF por cuatro pines de entrada de la NB 3000(en este caso HA2, HA4, HA6, HA7) y se envían a los circuitos lógicos de cada segmento. Finalmente se toman las salidas de cada uno de estos y se enlazan con la interfaz gráfica de la herramienta virtual que posee Altium Designer [10]. 5. Resultados Los resultados obtenidos a partir pruebas de verificación hechas en cada uno de los dos subsistemas con sus respectivos módulos, se presentan a continuación: Figura 8. Visualización de la interfaz que indica que en este caso el número que se presionó en el teléfono fue el 0 Subsistema hardware, Modulos1, 4 y 5. Cuando el usuario presionó la tecla 0 en teléfono, se visualizó el mismo número en la interfaz de la herramienta virtual de Altium. Así mismo, se procedió con los demás dígitos, lo cual corroboro que el decodificador estaba diseñado correctamente. Subsistema Software, Módulos, 1, 2 y 3. Módulos 1 y 2: teléfono y GUI. Cuando el usuario presionó la tecla del número 5 en el teclado virtual, se visualizaron las respectivas graficas de la función DTMF y del espectro en frecuencia de este número. Figura 9. Visualización del número 0 en la interfaz gráfica de la herramienta virtual implementada en Altium. Figura 7. Visualización de la función DTMF y espectro en frecuencia del número 5. Módulos 1 y 3: teléfono y GUI 2. Cuando el usuario presionó el botón virtual para grabar la señal DTMF generada por el teléfono, después de un procesamiento, el programa indico que la tecla presionada fue la del número 0. Lo cual se puede verificar al ver la gráfica de la correlación entre la señal grabada y la señal DTMF original de la tecla presionada. 6. Conclusiones En un sistema de marcación por DTMF el análisis de señales permitió comprender e implementar el módulo de generación y el módulo de recepción de los diferentes tonos, ya sea en software o en hardware, permitiendo contrastar resultados para validar el funcionamiento de los diferentes módulos y del sistema. La implementación del Sistema en software, se realizó a través de MATLAB, gracias a la posibilidad que tiene de realizar diversas funciones para graficar y operar con señales, ya sea que se manipulen como vectores o matrices y a las funciones como la transformada rápida de Fourier o la correlación entre dos señales. Por ello es fundamental un correcto diseño y codificación, comprendiendo la forma matricial como funciona Matlab. El desarrollo del decodificador en el subsistema Hardware, fue posible gracias a herramientas de diseño que permiten una implementación rápida de prototipos en plataformas de hardware reconfigurable, tal como, Altium Designer que permitió de manera ágil, realizar el diseño de sistemas digitales mediante el uso de lenguajes de descripción como VHDL, para luego ser implementado en un dispositivo reconfigurable tipo FPGA, la cual está integrada a una plataforma de desarrollo digital NB3000. Esto permitió concentrar esfuerzos en el diseño, facilitando y agilizando la implementación. Así mismo, se evidenció la necesidad de trabajar de manera simultánea y 5

6 armoniosa en los diseños e implementaciones de software y de hardware. Este proyecto sirve de base para comprender la utilidad del análisis de señales y el potencial de aplicaciones en que puede ser utilizado un sistema DTMF como medio de control o monitoreo remoto en donde haya cobertura de red telefónica. Dentro de las aplicaciones donde puede ser implementado esta la domótica y la inmótica, entre otras. Referencias [1] J. Glassman, A Generalization of the Fast Fourier Transform, 14 agosto 2006, pp [2] CLARE, [En línea]. Available: /datasheet/ clare/m smtr.pdf. [3] Altium, «Altium,» [En línea]. Available: [4] MATLAB, «MathWorks,» [En línea]. Available: gui-development.html?s_tid=srchtitle. [5] S. J. L. Min Ju Park, Signal detection and analysis of DTMF receiver with quick Fourier transform, IEEE. [6] MATLAB, «MathWorks,» [En línea]. Available: xcorr.html?searchhighlight=xcorr. [7] Panasonic, Teléfono Panasonic Kxts 500. [8] A. Designer, «Altium,» 5 Marzo [En línea]. Available:http://techdocs.altium.com/ display/hware/nanoboard+3000+series. [9] U. Nacional, "UNAL," [Online]. Available: ingenieria/ /docs_curso/contenido.html [10] K. Lilja, K. Laakso y J. Palomki, Using the Delphi method, Portland: IEEE,

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