DTMF信号地产生及检测.docx

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DTMF信号地产生及检测

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08212075

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………………………………………………………………16

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

=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。

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

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。

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

697

10.890625

11

0.109375

1.00430%

770

12.03125

12

0.03125

0.25974%

852

13.3125

13

0.3125

2.34741%

941

14.703125

15

0.296875

2.01912%

1209

18.890625

19

0.109375

0.57899%

1336

20.875

21

0.125

0.59880%

1477

23.078125

23

0.078125

0.33852%

1633

25.515625

25

0.515625

2.02082%

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：

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*/

/*****************************************************************/

#include

#include

#include

#include

#include

#include

voiddelay（intperiod）;

voidgenerate（intnum）;

HANDLEhHandset;

floatbuffer[800];

s16num=0;

intcount=0;

floatfreq[16][2]={941,1336,//键值0对应的行频列频

697,1209,//1

697,1336,//2

697,1477,//3

770,1209,//4

770,1336,//5

770,1477,//6

852,1209,//7

852,1336,//8

852,1477,//9

697,1633,//A

770,1633,//B

852,1633,//C

941,1633,//D

941,1209,//*

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*/

codec_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）

{

//Waitforsamplefromhandset

while（!

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;k<400;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;i

{

for（j=0;j>1;j++）;

}

}

（2）检测源程序代码如下：

/*****************************************************************/

/*DTMFsignal检测程序receive.c*/

/*****************************************************************/

#include

#include

#include

#include

#include

#include

HANDLEhHandset;

floatbuffer[125];

floatpi=3.1415926;

s16receive[125];

s16dacdata;

intk=0;

intdetect_result[100]={0};

intl=0;

intflag=0;

voiddelay（intperiod）;

voiddetect（）;

voidmain（）

{

intcnt=2;

/********************************************

Description:

*vk（n）=2*coef*vk（n-1）-vk（n-2）+x（n）

*

*Coefficientsareinw[8]

*x（n）isinbuffer[256]

*vk（n-2）isa[i][0]

*vk（n-1）isa[i][1]....

*vk（n）isa[i][2]

*********************************************/

if（brd_init（100））

{return;}

//blinktheledsacoupletimes

while（cnt--）

{

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*/

codec_aout_gain（hHandset,CODEC_AOUT_MINUS_6dB）;

/*-6dBgainonanalogoutputfromDAC*/

codec_sample_rate（hHandset,SR_8000）;/*8KHzsamplingrate*/

while

（1）

{

while（!

MCBSP_RRDY（HANDSET_CODEC））{};

dacdata=*（volatileu16*）DRR1_ADDR（HANDSET_CODEC）;

receive[k]=dacdata;

buffer[k]=dacdata/16384.0;

k++;

if（k==125）

{

k=0;

detect（）;

}

}

}

voiddetect（）

{inti,j,x,y;

floatw[8],a[8][3],amp[8];

w[0]=2*cos（2*pi*11/125）;

w[1]=2*cos（2*pi*12/125）;

w[2]=2*cos（2*pi*13/125）;

w[3]=2*cos（2*pi*15/125）;

w[4]=2*cos（2*pi*19/125）;

w[5]=2*cos（2*pi*21/125）;

w[6]=2*cos（2*pi*23/125）;

w[7]=2*cos（2*pi*26/125）;

for（i=0;i<8;i++）

{

a[i][0]=0;

a[i][1]=0;

for（j=1;j<=125;j++）

{

a[i][2]=w[i]*a[i][1]-a[i][0]+buffer[j-1];

a[i][0]=a[i][1];

a[i][1]=a[i][2];

}

//计算频谱的幅度平方值

amp[i]=a[i][1]*a[i][1]+a[i][0]*a[i][0]-w[i]*a[i][1]*a[i][0];}

j=0;

for（i=0;i<8;i++）

{

if（amp[i]>500）//门限设为500

{//printf（"Theamplitude%dis%f.\r\n",i,amp[i]）;

j++;

if（j==1）

{

x=i;

}

elseif（j==2）

{

y=i;

}

}

}

i=-1;

if（flag==0）

{

if（j==2）

{

if（x==0&&y==4）

{i='1';}

elseif（x==0&&y==5）

{i='2';}

elseif（x==0&&y==6）

{i='3';}

elseif（x==1&&y==4）

{i='4';}

elseif（x==1&&y==5）

{i='5';}

elseif（x==1&&y==6）

{i='6';}

elseif（x==2&&y==4）

{i='7';}

elseif（x==2&&y==5）

{i='8';}

elseif（x==2&&y==6）

{i='9';}

elseif（x==3&&y==5）

{i='0';}

elseif（x==0&&y==7）

{i='A';}

elseif（x==1&&y==7）

{i='B';}

elseif（x==2&&y==7）

{i='C';}

elseif（x==3&&y==7）

{i='D';}

elseif（x==3&&y==4）

{i='*';}

elseif（x==3&&y==6）

{i='#';}

}

if（i!

=-1）

{

detect_result[l]=i;

l++;

if（l==100）

{

for（l=0;l<100;l++）

printf（"TheDTMFsignalis%c.\r\n",detect_result[l]）;

}

flag++;

}

}

elseif（j==0）

flag=0;

}

voiddelay（intperiod）

{

inti,j;

for（i=0;i

{

for（j=0;j>1;j++）;

}

}

（3）cmd源代码如下：

/*#############################################################################

##$Id:

$

##

###############################################################################

##Copyright（c）1999DNAEnterprises,Inc.

###############################################################################

##RevisionHistory

##----------------

##$Log:

$

##

###############################################################################

###############################################################################

##XFERMAKE.CMD

##------------

##C54xLinkerCommandFilefor5402DSKMemoryTransferModule

##

#############################################################################*/

/******************************************************