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）： 电子信息学院-通信工程 设计人员：周钰哲             学号：08211052 苗祚雨                    08212075 目  录 一、设计任务……………………………………………………………2 二、设计………………………………………………………………2 三、设计、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（Dual Tone Multi Frequency）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1    DTMF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log 2N(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2  Goertzel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 void delay(int period); void generate(int num); HANDLE hHandset; float buffer[800]; s16 num=0; int count=0; float freq[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  //#