DTMF信号的产生及检测

DSP课程设计实验报告DTMF信号的产生及检测院（系）：电子信息工程学院-通信工程设计人员：周钰哲学号：08211052苗祚雨082120751目录一、设计任务书……………………………………………………………2二、设计内容………………………………………………………………2三、设计方案、算法原理说明……………………………………………3四、程序设计、调试与结果分析…………………………………………6五、设计（安装）与调试的体会…………………………………………16六、参考文献………………………………………………………………162一设计任务要求双音多频DTMF（DualToneMultiFrequency）是在按键式电话机上得到广泛应用的音频拨号信令，一个DTMF信号由两个频率的音频信号叠加构成。这两个音频信号的频率分别来自两组预定义的频率组：行频组和列频组。每组分别包括4个频率，分别抽出一个频率进行组合就可以组成16种DTMF编码，分别记作0~9、*、#、A、B、C、D。如下图1所示。图1DTMF信令的编码要用DSP产生DTMF信号，只要产生两个正弦波叠加在一起即可；DTMF检测时采用改进的Goertzel算法，从频域搜索两个正弦波的存在。1、基本部分：（1）使用C语言编写DTMF信号的发生程序，要求循环产生0~9、*、#、A、B、C、D对应的DTMF信号，并且符合CCITT对DTMF信号规定的指标。（2）使用C语言编写DTMF信号的检测程序，检测到的DTMF编码在屏幕上显示。2、发挥部分：利用DTMF信号完成数据通讯的功能，并试改进DTMF信号的规定指标，使每秒内传送的DTMF编码越多越好。3、要求完成的任务（1）编写C语言程序，并在CCS集成开发环境下调试通过。（2）实现设计所要求的各项功能。（3）按要求撰写设计报告。二、设计内容DTMF发生器基于两个二阶数字正弦振荡器，一个用于产生行频，一个用于产生列频。在输入信号中检测DTMF信号，需要在输入的数据信号流中连续地搜索DTMF信号频谱的存在。整个检测过程分两步：首先采用Goertzel算法在输入信号中提取频3谱信息；接着作检测结果的有效性检查。Goertzel算法实质是一个两极点的IIR滤波器。三、设计方案、算法原理说明要用DSP产生DTMF信号，只要通过两个正弦波叠加在一起即可；DTMF检测时采用改进的Goertzel算法，从频域搜索两个正弦波的存在。（1）DTMF信号的产生DTMF编码器基于两个二阶数字正弦波振荡器，一个用于产生行频，一个用于产生列频。向DSP装入相应的系数和初始条件，就可以只用两个振荡器产生所需的八个音频信号。典型的DTMF信号频率范围是700～1700Hz，选取8000Hz作为采样频率，即可满足Nyquist条件。DTMF数字振荡器对的二阶系统函数的差分方程为：其中，，，为采样频率，为输出正弦波的频率，为输出正弦波的幅度。该式初值为，。用sin函数产生离散的正弦值，生成DTMF的公式为：buffer[t]=sin(t*2*pi*f1/fs)+sin(t*2*pi*f2/fs)其中t为采样序数，由0开始递增；f1，f2为生成DTMF信号的两个正弦波的频率；fs为采样频率；buffer[t]为序数t时的得出的采样值。将这些数据转换为Q15格式然后通过codec发送出去。CCITT对DTMF信号规定的指标是，传送/接收率为每秒10个数字，即每个数字100ms。代表数字的音频信号必须持续至少45ms，但不超过55ms。100ms内其他时间为静音，以便区别连续的两个按键信号。我们使用8000Hz的采样频率（电话信号的典型抽样频率为samf=8kHZ），即1秒采样8000个点，则100ms采样800个点，我们设置800个点的缓存，其中用400个存产生的DTMF信号值，即音频信号必须持续50ms，另外400个存0值，即静音信号。（2）DTMF信号的检测DTMF检测是对进入解码端的信号进行检测，并把双音频信号转换成对应的数字信息。它是一个比DTMF产生更加复杂过程。由于数据流是连续的，为了保证DTMF检测的实时性，因此要求检测过程必须是实时连续的。4在输入信号中检测DTMF信号，需要在输入的数据信号流中连续地搜索DTMF信号频谱的存在。整个检测过程分两步：首先采用Goertzel算法在输入信号中提取频谱信息；接着作检测结果的有效性检查。DTMF解码时在输入信号中搜索出有效的行频和列频。计算数字信号的频谱可以采用DFT及其快速算法FFT，而在实现DTMF解码时，采用Goertzel算法要比FFT更快。通过FFT可以计算得到信号所有谱线，了解信号整个频域信息，而对于DTMF信号只需关心其8个行频/列频及其二次谐波信息即可，二次谐波的信息用于将DTMF信号与声音信号区别开。此时Goertzel算法能更加快速的在输入信号中提取频谱信息。Goertzel算法实质是一个两极点的IIR滤波器。Goertzel算法原理：DTMF检测器的核心是Goertzel算法。该算法利用二极点的IIR滤波器计算离散傅立叶变换值，能够快速高效地提取输入信号的频谱信息。由于IIR滤波器是一个递归结构，它利用只有一个实系数的差分方程进行操作，并不像DFT或FFT算法那样需要计算数据块，而是每输入一个样值就执行一次算法。完成时域到频域的变换可以用离散傅立叶变换(DFT)或快速傅立叶变(FFT)．FFT计算出所有点频率，而DFT可以只计算感兴趣的频率点．如果要计算的频率点数少于log2N(N为输入信号点数)，采用DFT的计算速度比FFT更快。直接计算DFT，需要很多复系数，即使只计算一点的DFT也需要N个复系数．采用数字信号处理中的Goertzel算法，如图2，则可明显地提高速度。图2Goertzel算法原理框图inputnxvvnxnvnvknvkkkkNk)(0)2(0)1()()2()1()cos(2)(2在实际的DTMF检测中，只需DFT的幅度（本算法为平方幅度）信息就足够了，因此在Goertzel滤波器中，当N点（相当于DFT数据块的长度）样值输入滤波器后，滤波器输出伪DFT值vk（n），由vk（n）即可确定频谱的平方幅度。5)1()()cos(2)1()()()()(2222NvNvkNvNvNyNykXkkNkkkk其中k=f*N/fs，当N取值为125时，k的取值经计算如表1所示：信号频率(Hz)计算值k取整值k绝对误差相对误差69710.890625110.1093751.00430%77012.03125120.031250.25974%85213.3125130.31252.34741%94114.703125150.2968752.01912%120918.890625190.1093750.57899%133620.875210.1250.59880%147723.078125230.0781250.33852%163325.515625250.5156252.02082%表1一旦得到行/列频率的频谱平方幅度信息，就可以通过一系列的判决来确定音频及数字结果的有效性。首先，检测可能DTMF信号的强度是否足够大。行频率分量和列频率分量的平方幅度和应高于某一确定门限。注意与DTMF频率相符的正弦波的能量集中在频域内一段很窄的范围当中，所以门限取值应占动态范围的大部分。第二，如果DTMF信号存在，由于构成DTMF信号的行频都低于列频，因此从小到大依次判断各个频率点的频谱幅度，得到的第一个达到门限要求的的频率点即为行频，第二个即为列频，综合行频和列频即可得出检测到的按键信息。检测流程图：6图3检测流程图四、程序设计、调试与结果分析（1）发送源程序代码如下：/*****************************************************************//*DTMFsignal发送程序send.c*//*****************************************************************/#includestdio.h#includemath.h#includetype.h#includeboard.h#includecodec.h#includemcbsp54.hvoiddelay(intperiod);voidgenerate(intnum);HANDLEhHandset;floatbuffer[800];s16num=0;7intcount=0;floatfreq[16][2]={941,1336,//键值0对应的行频列频697,1209,//1697,1336,//2697,1477,//3770,1209,//4770,1336,//5770,1477,//6852,1209,//7852,1336,//8852,1477,//9697,1633,//A770,1633,//B852,1633,//C941,1633,//D941,1209,//*941,1477//#};floatpi=3.1415926;voidmain(){intcnt=2;if(brd_init(100)){return;}/*blinktheledsacoupletimes*/while(cnt--)/*二极管闪两次*/{brd_led_toggle(BRD_LED0);//brd_delay_msec(1000);delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED1);//brd_delay_msec(1000);delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED2);//brd_delay_msec(1000);delay(1000);}/*OpenHandsetCodec*/hHandset=codec_open(HANDSET_CODEC);/*Acquirehandletocodec*//*Setcodecparameters*/codec_dac_mode(hHandset,CODEC_DAC_15BIT);/*DACin15-bitmode*/codec_adc_mode(hHandset,CODEC_ADC_15BIT);/*ADCin15-bitmode*/codec_ain_gain(hHandset,CODEC_AIN_6dB);/*6dBgainonanaloginputtoADC*/8codec_aout_gain(hHandset,CODEC_AOUT_MINUS_12dB);/*-12dBgainonanalog*//*outputfromDAC*/codec_sample_rate(hHandset,SR_8000);/*8KHzsamplingrate*/generate(num);}voidgenerate(intnum){f32x,y;intk=0;inti;i=0;while(1){//Waitforsamplefromhandsetwhile(!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC)){};*(volatileu16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC)=buffer[i];i++;if(i==800){i=0;num++;if(num==16)num=0;x=freq[num][0]/8000;y=freq[num][1]/8000;for(k=0;k400;k++){buffer[k]=(0.65*sin(2*pi*y*k)+0.8*sin(2*pi*x*k))*16384;buffer[k+400]=0;}}}}voiddelay(intperiod)/*延时子程序*/{inti,j;for(i=0;iperiod;i++){for(j=0;jperiod1;j++);}}（2）检测源程序代码如下：/*****************