Identificação de chamada FSK em DSP de ponto fixo

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1 I SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL E TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN SETEMBRO DE 014 Idetificação de chamada FSK em DSP de poto fixo Milto Reis da Mota & Rausley Adriao Amaral de Souza Abstract The purpose of this article is to provide iformatio about the protocol ad implemetatio of caller idetificatio usig FSK (frequecy shift keyig), ad how to implemet i specialized microprocessors for digital sigal processig (DSP), elimiatig the use of special compoets to make the demodulatio sigal. Idex Terms demodulatio, idetificatio, processig, protocol, FSK, DSP. Resumo O propósito deste artigo é forecer iformações sobre o protocolo e aplicação da idetificação de chamadas usado modulação FSK (frequecy shift keyig), e como implemetar em microprocessadores especializados em processameto digital de sial (DSP), elimiado o uso de compoetes especiais para fazer a demodulação do sial. Palavras chave demodulação, idetificação, processameto, protocolo, FSK, DSP. I. INTRODUÇÃO Este artigo forece iformações sobre a idetificação de chamada em lihas aalógicas usado modulação FSK (frequecy shift keyig)[1], por meio de processador de sial digital, DSP (Digital Sigal Processor). A idetificação de chamadas é um serviço prestado pelas empresas de telefoia e cetrais telefôicas com a fialidade de iformar o úmero do telefoe do chamador, ates do atedimeto de uma ligação. O equipameto termial, TE (Termial Equipmet) pode ser um telefoe com idetificação de chamadas, ou uma iterface C[], iterface aalógica a dois fios, de um PABX[3] de uma empresa, o qual a iformação é usada para agilizar o processo de atedimeto, pricipalmete quado esta ligação passa por um grupo atededor ou cetral de atedimeto (call ceter)[4]. Este serviço pode ser dispoibilizado usado modulação FSK ou por DTMF (Dual-Toe Multi- Frequecy)[5]. A operadora de telefoia GVT[6] e os equipametos VOIP[7] do tipo ATA (aalog telephoe adapter)[8] com protocolo SIP (Sessio Iitiatio Protocol)[9] comercializados o Brasil usam o mesmo padrão que é utilizado os países da América do Norte e Japão, Trabalho de Coclusão de Curso apresetado ao Istituto Nacioal de Telecomuicações, como parte dos requisitos para a obteção do Certificado de Pós-Graduação em Egeharia de Redes e Sistemas de Telecomuicações. Orietador: Prof. Rausley Adriao Amaral de Souza. Trabalho aprovado em 07/014. modulação em FSK com taxa de trasmissão de dados de 100 bit/s. II. ESPECIFICAÇÃO DO PROTOCOLO DE IDENTIFICAÇÃO DE CHAMADA USANDO MODULAÇÃO FSK. A iformação de idetificação da chamada é eviada pela cetral em direção ao termial do assiate, ates de aplicar o primeiro toque ou etre os dois primeiros toques, com o telefoe o estado de repouso. A iterface cosiste em três camadas: camada de apresetação; camada de elace de dados e camada física[10]. A. Camada de apresetação: A camada de apresetação especifica o formato e a sequêcia dos parâmetros que a cetral evia ao TE. Cada parâmetro é composto com por três campos: Tipo, Tamaho e Dados do parâmetro, coforme Tabela I. A mesagem é codificada de acordo com a recomedação ITU-T T.50[11]. TABELA I: FORMATO DO PARÂMETRO DA CAMADA DE APRESENTAÇÃO Tipo Tamaho Dados do parâmetro B. Camada de elace: A camada de elace é resposável por forecer recurso de detecção de erro de bit, adicioado a mesagem da camada de apresetação os campos Chael Seizure Sigal, Mark Sigal, Checksum, Tipo e Tamaho da mesagem. O formato de mesagem da camada de elace deve ser coforme descrito a Tabela II. O campo Chael Seizure Sigal é um bloco de 300 bits cotíuos com alterâcia etre zero e um. O primeiro bit trasmitido deve ser um 0 e o último bit deve ser um 1. O campo Mark sigal é um bloco de 180 ± 5 bits ou 80 ± 5 bits de marcação, o bit de marcação equivale ao bit 1. O campo Tamaho defie o comprimeto da mesagem da camada de elace, excluido o Checksum, Tipo e Tamaho da mesagem. O campo Checksum tem o somatório de todos os bytes da mesagem, a partir do campo Tipo de mesagem, até ao fial da mesagem, excluido o Checksum. O protocolo ão suporta correção de erro ou retrasmissão de mesagem. A mesagem recebida pelo termial deve ser descartada quado resultar em erro de checksum.

2 Chael Seizure Sigal TABELA II FORMATO DA MENSAGEM DA CAMADA DE ENLACE. Mark Sigal Tipo Tamaho Dados da Camada de apresetação Checksum 1) Tipos de mesagem da Camada de elace. Formatos de mesagem usados para eviar a mesagem de idetificação de chamada[1]. SDMF Sigle Data Message Format; MDMF Multiple Data Message Format; SDMF suporta um úico tipo de parâmetro de dados e é usado para eviar apeas o úmero do telefoe do chamador. É a própria mesagem da camada de apresetação. MDMF suporta múltiplos parâmetros de dados e é usado para eviar outras iformações referetes ao telefoe do chamador. É estruturado de forma que ovos tipos de dados podem ser adicioados facilmete. A Tabela III tem um exemplo de mesagem SDMF, descrevedo o que represeta cada campo da mesagem. Todos os úmeros da primeira colua estão o formato hexadecimal. TABELA III DESCRIÇÃO DOS CAMPOS DA MENSAGEM SDMF. 04 Tipo de mesagem, 04 idica mesagem do tipo SDMF. 1 Número de bytes da mesagem em hexadecimal. 30, mês de abril. 33, dia do mês. 31, horas 3, miutos (1h4mi). 33, código de área. 39, 35, 35, 35, 31, 3, 31, Número do assiate. 54 Checksum da mesagem, soma usado complemeto dois. Esta mesagem pode ser descrita como se segue: a mesagem está o formato SDMF, e é composta por 18 bytes de iformação, ão iclui o byte de verificação. A chamada foi feita o dia 30 de abril às 1 horas e 4 miutos e o úmero do telefoe do origiador da chamada é (35) Na Tabela IV tem um exemplo de mesagem MDMF, descrevedo o que represeta cada campo da mesagem. Todos os úmeros da primeira colua estão o formato hexadecimal. A Tabela V especifica os diversos tipos de parâmetros que podem coter detro de uma mesagem com formato MDMF. Os úmeros estão o formato hexadecimal. TABELA IV DESCRIÇÃO DOS CAMPOS DA MENSAGEM MDMF. 80 Mesagem de texto, o formato MDMF. 0 Tamaho da mesagem (3 bytes). 01 Tipo de parâmetro - Data e hora. 08 Tamaho do campo data e hora, 8 bytes. 30, mês de março. 3, dia do mês. 30, horas 30, 3 0 miutos (09h0mi). 07 Tipo de parâmetro Nome. 08 Tamaho do campo ome, 8 bytes. 46, 45, 5, 4E, 41, 4E, 44, 4F 'FERNANDO', Nome do telefoe que está chamado. 0 Tipo de parâmetro - Número do telefoe do chamador. 0A 33, Código de área. 33, 34, 37, 31, 31, 3, 30, Checksum Tamaho do úmero de telefoe, dez bytes Número do assiate. TABELA V TIPOS DE PARÂMETROS NA MENSAGEM MDMF 01 Data e hora 0 Número de telefoe 04 Número ão está dispoível 07 Nome 08 Nome ão está dispoível Na Tabela VI mostra os tipos de mesagem que podem coter os formatos SDMF e MDMF. Os úmeros estão o formato hexadecimal. TABELA VI TIPOS DE MENSAGEM Formato Tipo Descrição do tipo de mesagem MDMF 80 Cabeçalho de pacote MDMF MDMF 8 Notificação de mesagem de caixa postal SDMF 04 Cabeçalho de pacote SDMF SDMF 06 Idicador de mesagem de caixa postal C. Camada física: É composta por um modulador FSK a saída da Iterface Z (Sialização de liha por correte cotíua)[] da cetral telefôica e de um demodulador o equipameto termial. O modem tem que ateder à taxa de trasmissão de 100 bit/s, usado a técica de trasmissão de dados assícroo a bada de voz, coforme especificação a recomedação ITU-T V.3[13]. Ao eviar uma mesagem de idetificação, os seguites requisitos devem ser atedidos:

3 Cada octeto de dados (Tipo, Tamaho, dados da mesagem de apresetação e checksum) deverá ser evolvido por um bit de iício (Start bit) e um de fim (Stop bit), coforme formato mostrado a Tabela VII, em que b0 bit meos sigificativo e b7 bit mais sigificativo. A modulação FSK deve ser aplicada somete durate a trasmissão de dados, portato, deve ser imediatamete iterrompida após trasmissão do último bit da camada de elace de dados. TABELA VII FORMATO DO OCTETO Uma reversão liha seguida por um DT-AS (LR + DT-AS). DT-AS esta sialização é gerada ates da trasmissão de dados, os valores máximos e míimos dos itervalos de tempo ecessários para este modo de trasmissão estão especificados a Tabela IX e Figura. TABELA IX: TRANSMISSÃO DE DADOS ANTES DO TOQUE. 45 ms T1 500 ms 00 ms T 500 ms 0 A B C D E F G H 1 Start bit b0 b1 b b3 b4 b5 b6 b7 Stop bit III. REQUISITOS DE TRANSMISSÃO DE DADOS: QUANTO A SINALIZAÇÃO, E TEMPORIZAÇÃO. A. Requisitos de trasmissão, referete à iterface Z. A iterface Z deve suportar a trasmissão de dados para o termial em um dos seguites modos: Trasmissão associada com toque ou Trasmissão ão associada com o toque. B. Trasmissão de dados associado com toque. A iformação de idetificação de chamada pode ser eviada ao termial usado um dos seguites modos: Trasmissão de dados etre os dois primeiros toques ou Trasmissão de dados ates do primeiro toque. 1) Trasmissão de dados etre os dois primeiros toques. A trasmissão de dados deve ocorrer etre o primeiro e segudo toque, coforme mostrado a Figura 1. O primeiro toque forece um sial de alerta para o termial (TE Alertig Sigal-TAS) que logo em seguida será eviado os dados. A temporização etre o sial modulado e os toques está especificada a Tabela VIII e Figura 1. TABELA VIII TRANSMISSÃO DE DADOS DURANTE O TOQUE. 500 ms T1 < 000 ms T 00 ms Fig.. Trasmissão de dados ates do primeiro toque precedido com duplo tom. RP-AS Pulso de toque de curta duração. Esta sialização é feita ates da modulação FSK, os valores máximos e míimos dos itervalos de tempo ecessários para este modo de trasmissão estão especificados a Tabela X e Figura 3. TABELA X TRANSMISSÃO DE DADOS ANTES DO PRIMEIRO TOQUE. 500 ms T1 800 ms 00 ms T 500 ms Fig. 3. Trasmissão de dados ates do primeiro toque precedido com um pulso de toque. LR + DT-AS A sialização começa com uma reversão de polaridade seguida por uma sialização DT-AS. Os itervalos de tempos para este tipo de sialização estão especificados a Tabela XI e Figura 4. TABELA XI TRANSMISSÃO DE DADOS ANTES DO TOQUE COM LR +DT- AS. T3 700 ms T0 100 ms T1 45 ms 00 ms T 500 ms Fig. 1. Trasmissão de dados etre os dois primeiros toques. ) Trasmissão de dados ates do primeiro toque. Um sial de alerta para o termial deve ser utilizado para sializar que ocorrerá uma trasmissão de dados. A trasmissão de dados deve ocorrer ates de primeiro toque e depois do TAS. O TAS pode ser gerado por um dos seguites modos: Um dual tom de alerta de sial (DT-AS); Um pulso de toque de alerta de Sial (RP-AS); Fig. 4. Trasmissão de dados ates de primeiro toque precedido de iversão de polaridade (LR) e duplo tom.

4 IV. DEMODULAÇÃO DO SINAL FSK COM DSP DE PONTO FIXO. Para reduzir a quatidade de hardware em cetrais de telefoia, é preciso aalisar o sial modulado por meio software, trasformado o sial aalógico em sial digital, através das iterfaces C, e itegrado com um processador de sial digital de baixo custo. É possível itegrar o mesmo processador até 3 iterfaces C, e executar a aálise por meio de software. Um processador que apreseta estes requisitos pode ser o TMS30VC550[14] fabricado pela Texas Istrumets[15], que tem por características básicas três iterfaces McBSP's (Multichael Buffered Serial Ports)[16], em que uma das iterfaces será usada para etrada dos dados digitalizados e a outra é cofigurada para ser uma SPI (Serial Peripheral Iterface)[16], e sua fialidade é cotrolar e programar as iterfaces C. A Texas Istrumets dispoibiliza o CCS-Code Composed Studio[17] como ferrameta de desevolvimeto para os seus processadores de siais. A iterface serial McBSP que captura os dados digitalizados deve ser cofigurada para ateder 3 caais com clock de,048mhz, obedecedo ao mesmo padrão de sicroismo usado o sistema de comutação da cetral telefôica. A iterface C pode ser baseada os compoetes SI3050 e Si3019 produzidos pela Silico Labs, (PROGRAMMABLE VOICE DAA SOLUTIONS)[18]. Eles são bastate flexíveis em programação e adaptáveis aos diversos padrões de iterfaces aalógicas. Estes compoetes utilizam uma solução baseada em acoplameto por capacitores, elimiado o uso de trasformadores de isolação ou opto-isoladores. A Figura 5 apreseta o diagrama em blocos de como as iterfaces C se itegram com o DSP e com o sistema de comutação de voz de um PABX. correlatores ou filtros casados. Um demodulador para esta aplicação é a demodulação ão coerete com correlatores e receptor em quadratura. A Figura 6 mostra um exemplo de receptor BFSK com detecção ão coerete para símbolos equiprováveis, com receptor em quadratura. Fig. 6. Receptor em quadratura BFSK com detecção ão coerete No modelo da Figura 6, algumas modificações são itroduzidas para facilitar e recuperar o sicroismo dos símbolos. Uma modificação é realizada o itegrador, para qualquer amostra de etrada, é feita a itegração do sial evolvedo as últimas seis amostras recebidas. Na saída de cada itegrador, tem-se a soma dos produtos das amostras com a fução base do correlator. Para ateder as modificações do itegrador, as fuções se(w1*t), se(w*t), cos(w1*t) e cos(w*t), usadas da Figura 6, também são readaptadas e passam por processo de ormalização coforme as equações 1,, 3 e 4, gerado resultados para amostras variado de 0 a 5, coforme mostrado a Tabela XII, para as fuções: FiltroF1_i(1), FiltroF1_q(), FiltroF_i(3) e FiltroF_q(4). π 100 FiltroF 1 _ i = cos N (1) 8000 π 100 FiltroF 1 _ q = se N () 8000 FiltroF π 00 _ i = cos N (3) 8000 π 00 FiltroF _ q = se N (4) 8000 Em que: N= Ídice da Amostra, (0 a 5), este úmero é obtido da relação etre a taxa de amostragem e a taxa de bit (6,66). Frequêcias usadas, 100 Hz e 00 Hz. Fig. 5. Diagrama em bloco - DSP com diversas iterfaces C A. Recepção da modulação FSK com detecção ão coerete. Equato a modulação FSK, pode ser cosiderada uma das modulações com meor complexidade de implemetação [1], a demodulação requer algus recursos mais complexos, podedo ser implemetada usado TABELA XII COEFICIENTES DOS FILTROS. N=0 N=1 N= N=3 N=4 N=5 FiltroF1_i FiltroF1_q FiltroF_i FiltroF_q

5 A equação 5 defie como é feito o processo de itegração dos produtos das amostras com a fução base dos correlatores. Dsp S F F F + (5) _ prod ( S ) =, F S 3 F3 4 F4 5 F5, S, S, S, S S S Amostras do sial, sedo S5 a , 5 amostra atual, e S0,S1,S,S3 e S4 são as amostras ateriores do sial digitalizado; F, F, F, F, F F Valores do filtro (FiltroF1_i, , 5 FiltroF1_q, FiltroF_i ou FiltroF_q) coforme o ídice da amostra; A ormalização é para adequar a gradeza umérica com a com os registradores do processador, simplificado a maipulação dos úmeros durate o processo de cálculo. O resultado a saída de cada itegrador é ormalizado dividido por, e em seguida o resultado é elevado ao quadrado. Para cada amostra é feita uma decisão do bit, comparado o resultado obtido pela equação 6, como mostrado a Tabela XIII. Soma = ( S, FiltroF 1 _ i) ( S, FiltroF 1 _ q) ( S, FiltroF _ i) ( S, FiltroF _ q) TABELA XIII. DECISÃO DE BIT + Soma > 0 Bit = 0 Soma 0 Bit = 1 + Um PLL (Phase Locked Loop)[19] é adicioado após a saída do bloco de decisão de bit, cujo objetivo é sicroizar o sial recebido com o mometo da decisão do bit (símbolo), este istate é reajustado costatemete porque a relação etre a taxa de amostragem do sial e a taxa de bits ão é um úmero iteiro. Toda vez que a saída do somatório dos correlatores verificar a mudaça de bit com relação ao estado aterior, é feito uma correção o registrador de icremeto da fução de PLL de modo que o mometo de decisão de bit fique cetralizado etre os bits. As equações 7 e 8 defiem os valores usados para INC e ADJ do modelo de PLL apresetado a Figura 7. (6) INC = 8000 (7) INC ADJ = 4 (8) Fig. 7. Modelo de PLL por software Na etrada do PLL, caso teha uma iversão de bit com relação ao bit aterior, é feito um ajuste o registro de cotador de úmero de icremetos, este ajuste pode ser positivo ou egativo, depededo do limiar do cotador. Para cada amostra de etrada do sial é adicioado um icremeto este registro. Quado o cotador ultrapassar o limite de icremetos, o resultado obtido a saída do bloco de decisão do bit é ecamihado para um serializador que tem as mesmas características de uma UART[0]. A UART por sua vez tem a fução de motar uma palavra válida de 8 bits, obedecedo aos requisitos de start bit e stop bit. Quado tiver uma palavra válida o registrador da UART, a mesma é ecamihada para a fução que faz a aálise da camada de elace. Se a verificação da mesagem da camada de elace ão apresetar erros de checksum, os parâmetros da mesagem da camada de apresetação são eviados para a fução de tratameto da camada de apresetação. As iformações do úmero do telefoe do chamador estão cotidas detro dos parâmetros da mesagem da camada de apresetação. As iformações de preseça de toque e iversão de polaridade são obtidas ledo os registradores dos compoetes usados a iterface C. V. CONCLUSÃO A solução de demodulação do sial de idetificação de chamadas com modulação FSK usado processador digital de sial oferece uma sigificativa redução de custo do hardware e simplifica a itegração com a cetral. Em cetrais telefôicas privadas (CPCT-Cetral Privada de comutação de caais de voz ou dados, para uso privado e com acesso ao Serviço Telefôico Fixo Comutado)[] com iterfaces do tipo C quado se usa compoetes covecioais para obter o úmero do chamador ão é possível compartilhar os circuitos, mesmo que eles fiquem ociosos, porque o protocolo de

6 idetificação de chamadas usado modulação FSK ão faz uma prévia egociação, e é ecessário que os recursos de camada física estejam sempre dispoíveis para cada iterface C. REFERÊNCIAS [1] GUIMARÃES, Daya Adioel, SOUZA, Rausley Adriao Amaral de. Trasmissão Digital - Pricípios e Aplicações. 1. ed. São Paulo: Editora Érica, 01. [] RESOLUÇÃO Nº 390, Regulameto para certificação e homologação de cetrais privadas de comutação telefôica - CPCT. (004) Dispoível: resolucao-390 [3] PABX, Private Automatic Brach Exchage. Dispoível: [4] CALL CENTER, Cetral de atedimeto. Dispoível: [5] DTMF, Dual-Toe Multi-Frequecy. Dispoível: [6] GVT, Dispoível: [7] VOIP, Voice over Iteret Protocol. Dispoível: [8] ATA, Aalog Telephoy Adapter. Dispoível: [9] SIP: Sessio Iitiatio Protocol. Dispoível: [10] ETSI EN V1.3.1 (001-01), Access ad Termials (AT); Aalogue access to the public switched telephoe etwork (PSTN); subscriber lie protocol over the local loop for display (ad related) services. Dispoível: _60/e_ v010301p.pdf [11] ITU-T Recommedatio T.50 (199): "Iteratioal Referece Alphabet (IRA) (Formerly Iteratioal Alphabet No.5 or IA5) - Iformatio techology - 7-bit coded character set for iformatio iterchage". Dispoível: [1] HA0053E, Type I caller ID usig the HT903, Holtek. Dispoível: [13] ITU-T Recommedatio V.3 (1988): "600/100-baud modem stadardized for use i the geeral switched telephoe etwork". Dispoível: [14] SPRS166K, TMS30VC550 Fixed-Poit Digital Sigal Processor, 008, Dispoível: [15] Texas Istrumets, Dispoível: [16] SPRU59E. Abril 005. TMS30VC5501/550/5503/5507/5509/5510 DSP Multichael Buffered Serial Port (McBSP) Referece Guide. Díspoível: [17] CCS-Code Composer Studio. Dispoível: [18] Si3050+Si3011/18/19, Programmable Voice DAA Solutios, Silico Labs, Dispoível: Documets/TechicalDocs/Si pdf [19] SPRU59E. TMS30VC5501/550 DSP Uiversal Asychroous Receiver/Trasmitter (UART) Referece Guide, Março 004. Dispoível: [0] PLL, Phase Locked Loop. Dispoível: proteção ao crédito e desde maio 1995 atua o setor de desevolvimeto de produtos voltados a cetrais telefôicas privadas a empresa Leucotro. Rausley Adriao Amaral de Souza asceu em Passos, MG, em 08 de março de 197. Possui graduação em Egeharia Elétrica pelo Iatel (1994), mestrado em Egeharia pelo Iatel (00) e doutorado em Egeharia Elétrica pela Uiversidade Estadual de Campias, Uicamp (009). Atualmete é professor adjuto do Iatel, atuado os cursos de graduação, pós-graduação stricto sesu (mestrado) e pós-graduação lato sesu. Atuou por seis aos como coordeador para o programa lato sesu do Iatel. É professor adjuto da faculdade de medicia do Itajubá as disciplias de bioestatística. Já publicou artigos em revistas do IEEE e em cogressos iteracioais, e é revisor de vários periódicos. Tem experiêcia a Egeharia Elétrica, com êfase em Telecomuicações, atuado pricipalmete a área de comuicações sem fio. Tem experiêcia a idústria as áreas produtiva e de suprimetos. Suas pesquisas icluem aspectos gerais sobre trasmissão Digital, Comuicação Móvel e Caais com Desvaecimeto. Milto Reis da Mota asceu em Cachoeira de Mias, MG, em 06 de jaeiro de Possui os títulos: Técico em Eletrôica pela Escola Técica de Eletrôica ETE FMC (1986), Egeheiro Eletricista êfase em Telecomuicações e Eletrôica (Iatel, 1993). De 1987 a 1988 trabalhou a empresa Itraco o segmeto de rádios trasceptores SSB e VHF-FM. De 1988 a 1994 trabalhou as empresas Sigma Teleiformática e Waytec o setor de desevolvimeto o segmeto de termiais e moitores de vídeo. De 1994 a 1995, participou da equipe de desevolvimeto da Waytel o segmeto de termiais de serviços bacários e