DSP课程设计DTMF信号的产生及检测.docx
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DSP课程设计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专业
设计人员：
宋佳阳学号：
08211042
一、设计任务书
设计要求及目标
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。
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。
二、设计内容
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。
如图2-1所示。
图2-1DTMF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。
三、设计方案、算法原理说明
1.DTMF信号的产生
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。
DSP只要装载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种音频信号。
典型的DTMF信号频率范围是700～1700Hz，选取8000Hz作为采样频率，即可满足奈奎斯特定理。
正弦波是任何波形构成的基本元素，产生正弦波的方法一般有：
查表法和计算法（泰勒级数展开法或数字正弦振荡器法）。
这里我们使用计算法产生正弦波，有以下两种方案：
方案一：
使用数字正弦振荡器计算法产生正弦波
图3-1DTMF数字振荡器对
由图3-1所示数字振荡器对的框图，可以得到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
，
。
其中，上面一个数字振荡器用于产生行频，下面一个数字振荡器用于产生列频，将行频信号和列频信号通过加法器进行叠加即可产生DTMF信号。
方案二：
使用sin函数产生正弦波
直接利用sin函数生成离散的正弦值，其生成DTMF信号的方程为：
y[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，由前面的分析可知，采样频率应该设定为8000Hz。
将行频信号的采样值与列频信号的采样值进行叠加，即可得到序数为t时的采样值，即为y[t]。
将两种方案进行比较后，我们认为，使用正弦振荡器计算法这种方法计算时所需的计算量小，但是由于使用了迭代的方法产生样点值，所以当前时刻的输出序列需要反馈到输入端。
在程序中实现，就需要不断对y（n-1）和y（n-2）的值进行更新。
同时，当前时刻的输出序列也会影响下一时刻和下两个时刻的输出。
因此，如果用这种方法来产生长时间连续的正弦信号和余弦信号，则累积误差较大。
直接使用sin函数产生正弦波的方法，其计算时所需的计算量与方案一相当，并且也能达到误差要求。
同时，由于使用方案二的方法产生正弦波，其当前时刻的输出序列只与当前时刻行频和列频的输入有关，所以不会产生累积误差，适合用来产生长时间连续的DTMF信号。
综上所述，我们使用方案二来产生DTMF信号。
根据CCITT的规定，数字之间必须有适当长度的静音，因此编码器有两个任务，一是产生双音频信号的任务，二是静音任务。
由于采样频率为8000Hz,所以DSP有足够的计算时间，可以使用查询模式通过D/A转换器输出DTMF信号。
CCITT规定每秒传送/接收10个数字，即每个数字持续100ms。
由于1秒采样8000个点，则每个数字采样800个点。
由于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。
所以，需要设置800个点的缓存，其中400个点用于产生DTMF信号中的音频信号，另外400个点用于产生DTMF信号中的静音信号。
根据这样的设计，音频信号的持续时间为50ms,在45ms和55ms之间，满足CCITT的规定。
静音信号的持续时间为50ms。
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。
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。
检测过程有两部分的任务，一是在输入信号中提取频谱信息；二是检查检测结果的有效性。
任务一：
在输入信号中提取频谱信息
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，其算法原理框图如图3-2所示。
图3-2Goertzel算法原理框图
其传递函数为：
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。
DFT计算可以等价为：
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）即可确定频谱的幅度平方。
其中k=f*N/fs，f为输入信号的频率，N为样值的个数，fs为抽样频率。
任务二：
检查检测结果的有效性
严格来讲，DTMF信号的有效性检验应该包括几项内容，在此不一一赘述。
由于严格意义上DTMF信号有效性的检查实现起来比较困难，所以在这里我们只是进行了简单的有效性检测。
当得到频谱的幅度平方
之后，将幅度平方与门限作比较。
门限的设定，应该保证能够检测到DTMF发送信号，同时应该保证不产生误判漏判的情况。
所以，门限的设定至关重要。
在我们看来，门限的取值应该满足下面两点要求：
一是门限的大小应该小于DTMF发送信号行频分量和列频分量的幅度平方，这样才能够有效地检测到信号；二是门限的取值也不能太小，否则噪声会对判决产生很大的影响。
同时，为了防止重复检测，下一个判决必须在检测到静音信号后才能有效。
四、程序设计、调试与结果分析
1.程序设计部分：
DTMF信号产生流程图如图4-1所示。
图4-1信号产生流程图
DTMF信号产生程序如下：
#include//程序头文件
#include
#include
#include
#include
#include
voiddelay（intperiod）;//延时子程序delay
voidsend（intj）;//判决子程序send
HANDLEhHandset;//codec句柄变量
s16out_buffer[800];//输出缓冲区，数据类型为S16
floatbuffer[800];//缓冲区，数据类型为float
s16num=0;//定义num，用于查询频率表
intcount=0;//定义count，用于控制发送的次数
intk=0;//定义k，用于控制采样点数
inti;
intj;
f32x,y;//定义x和y，用于存放发送的行频和列频
floatfs=8000;//定义fs为抽样频率8000Hz
floatpi=3.1415926;//定义PI的值
chartelephonenumber[18];//定义字符型数组telephonenumber
//用于存放键入的字符
floatfreq[16][2]={941,1336,//定义16行2列的二维数组，第一列用于
697,1209,//存放行频，第二列用于存放列频
697,1336,
697,1477,
770,1209,
770,1336,
770,1477,
852,1209,
852,1336,
852,1477,
697,1633,
770,1633,
852,1633,
941,1633,
941,1209,
941,1477
};
voidmain（）//主程序main
{
intcnt=3;//cnt=3控制亮灯的次数为3次
if（brd_init（100））//初始化DSK板
{
return;
}
while（cnt--）
{
brd_led_toggle（BRD_LED0）;//LED0亮
delay（1000）;//延时1000个时间单位
brd_led_toggle（BRD_LED1）;//LED1亮
delay（1000）;//延时1000个时间单位
brd_led_toggle（BRD_LED2）;//LED2亮
delay（1000）;//延时1000个时间单位
}
//打开codec，获取DAC的句柄
hHandset=codec_open（HANDSET_CODEC）;
//设置DAC的工作参数
codec_dac_mode（hHandset,CODEC_DAC_15BIT）;//D/A工作在15bit模式
codec_adc_mode（hHandset,CODEC_ADC_15BIT）;//A/D工作在15bit模式
codec_ain_gain（hHandset,CODEC_AIN_6dB）;//模拟输入增益为6dB
codec_aout_gain（hHandset,CODEC_AOUT_MINUS_12dB）;//模拟输出增益为
//-12dB
codec_sample_rate（hHandset,SR_8000）;//D/A转换频率为8kHz
gets（telephonenumber）;//gets函数，用于将键入的字符存入数组
j=0;
send（j）;//调用send函数对发送的第一个字符进行判定
x=freq[num][0]/fs;//查表得行频，并赋给x
y=freq[num][1]/fs;//查表得列频，并赋给y
for（k=0;k<400;k++）
{//前400个点为音频信号，存入buffer
buffer[k]=（0.65*sin（2*pi*y*k）+0.8*sin（2*pi*x*k））*16384;
out_buffer[k]=buffer[k];//将float型强行转化为s16型
//后400个点为静音信号，存入buffer
buffer[k+400]=0;
out_buffer[k+400]=buffer[k];//将float型强行转化为s16型
}
i=0;
j=0;
while
（1）
{
while（!
MCBSP_XRDY（HANDSET_CODEC））{};//等待D/A转换器准备好
//发送
*（volatileu16*）DXR1_ADDR（HANDSET_CODEC）=buffer[i];
i++;
if（i==400）//采足400个样值点，完成第一次发送
{
i=0;
count++;
if（count==20）//控制每一个数反复发送20次
{
count=0;
j++;
if（j==16）//如果发送完16个字符，则返回
return;
send（j）;//调用send函数，对发送的字符进行判定，返回num
x=freq[num][0]/fs;//查表得行频，并赋给x
y=freq[num][1]/fs;//查表得列频，并赋给y
for（k=0;k<400;k++）
{//前400个点为音频信号，存入buffer
buffer[k]=（0.65*sin（2*pi*y*k）+0.8*sin（2*pi*x*k））*16384;
out_buffer[k]=buffer[k];
//后400个点为静音信号，存入buffer
buffer[k+400]=0;
out_buffer[k+400]=buffer[k];
}
}
}
}
}
voidsend（intj）//判决子程序send，输入j的值，输出num的值
{
switch（telephonenumber[j]）
{
case'1':
num=1;break;
case'2':
num=2;break;
case'3':
num=3;break;
case'4':
num=4;break;
case'5':
num=5;break;
case'6':
num=6;break;
case'7':
num=7;break;
case'8':
num=8;break;
case'9':
num=9;break;
case'A':
num=10;break;
case'B':
num=11;break;
case'C':
num=12;break;
case'0':
num=0;break;
case'D':
num=13;break;
case'*':
num=14;break;
case'#':
num=15;break;
}
}
voiddelay（intperiod）//延时子程序delay，运用了指令循环的原理，延时
{//时间的长短由输入period决定
inti,j;
for（i=0;i{
for（j=0;j>1;j++）;
}
}
DTMF信号检测流程图如下：
DTMF信号检测程序基本部分如下：
#include//头文件
#include
#include
#include
#include
#include
HANDLEhHandset;//codec句柄变量
floatbuffer[256];//DTMF样点缓冲区，定义其容量为256
floatpi=3.1415926;
s16test[256];//定义数组test
s16data;
intk=0;
intdetect_result[256]={0};//缓存DTMF检测结果
intl=0;
voiddelay（intperiod）;//延时子程序delay
voidDTMF_detect（void）;//检测子程序DTMF_detect
voidmain（）//主函数main
{
intcnt=3;//控制灯闪烁的次数为3次，如果灯循环
//亮三次，则程序运行正常
if（brd_init（100））//初始化DSK板
return;
while（cnt--）
{
brd_led_toggle（BRD_LED0）;
delay（1000）;
brd_led_toggle（BRD_LED1）;
delay（1000）;
brd_led_toggle（BRD_LED2）;
delay（1000）;
}
//打开codec，获取ADC的句柄
hHandset=codec_open（HANDSET_CODEC）;
//设置D/A工作在15bit模式
codec_dac_mode（hHandset,CODEC_DAC_15BIT）;
//设置A/D工作在15bit模式
codec_adc_mode（hHandset,CODEC_ADC_15BIT）;
//设置输入增益为6dB
codec_ain_gain（hHandset,CODEC_AIN_6dB）;
//设置输出增益为-6dB
codec_aout_gain（hHandset,CODEC_AOUT_MINUS_6dB）;
//设置取样频率为8000Hz
codec_sample_rate（hHandset,SR_8000）;
while
（1）
{
while（!
MCBSP_RRDY（HANDSET_CODEC））{};//等待A/D转换器输出数据
data=*（volatileu16*）DRR1_ADDR（HANDSET_CODEC）;
test[k]=data;将A/D的输出存入数组test
buffer[k++]=data/16384.0;将16进制整数转化为浮点数存入数组buffer
if（k==256）
{k=0;//当采集满256个样点值后，调用DTMF_detect对采集
DTMF_detect（）;}//到的信号进行判决
}
}
voidDTMF_detect（void）
{
floatw[8],a[8][3];//数组w[8]用于存放
的系数
floatresult[8];//数组result[8]用于存放判决后的输出结果
inti,j,x,y;
//k=f*N/fs，N为DFT数据块的长度，这里取N=205，k的计算结果取整数
w[0]=2*cos（2*pi*18/205）;//f=697Hz，k=18
w[1]=2*cos（2*pi*20/205）;//f=770Hz，k=20
w[2]=2*cos（2*pi*22/205）;//f=852Hz，k=22
w[3]=2*cos（2*pi*24/205）;//f=941Hz，k=24
w[4]=2*cos（2*pi*31/205）;//f=1209Hz，k=31
w[5]=2*cos（2*pi*34/205）;//f=1336Hz，k=34
w[6]=2*cos（2*pi*37/205）;//f=1477Hz，k=37
w[7]=2*cos（2*pi*42/205）;//f=1633Hz，k=42
for（i=0;i<8;i++）
{a[i][0]=0;//vk（n-2）=0
a[i][1]=0;//vk（n-1）=0
for（j=0;j<205;j++）
{
a[i][2]=w[i]*a[i][1]-a[i][0]+buffer[j];//对vk（n）的值进行计算
a[i][0]=a[i][1];//对vk（n-2）的值进行更新
a[i][1]=a[i][2];//对vk（n-1）的值进行更新
}
result[i]=a[i][1]*a[i][1]+a[i][0]*a[i][0]-w[i]*a[i][1]*a[i][0];//计算
的值
}
j=0;
for（i=0;i<8;i++）
{
if（result[i]>1500）//判决门限设置为1500
{
j++;
if（j==1）//第一个大于门限的是行频信号
x=i;//将行频信号的编号赋给x
elseif（j==2）//第二个大于门限的是列频信号
y=i;//将列频信号的编号赋给x
}
}
i=-2;
if（j==2）//利用行频信号的编号x和列频信号的y确定接收到的字
//符，并将其输出。
{
if（x==3&&y==5）
i=0;
elseif（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==0&&y==7）
printf（"TheDTMFsignalisA\n"）;
elseif（x==1&&y==7）
printf（"TheDTMFsignalisB\n"）;
elseif（x==2&&y==7）
printf（"TheDTMFsignalisC\n"）;
elseif（x==3&&y==7）
printf（"TheDTMFsignalisD\n"）;
elseif（x==3&&y==4）
printf（"TheDTMFsignalis*\n"）;
elseif（x==3&&y==6）
printf（"TheDTMFsignalis#\n"）;
}
if（i!
=-2）
{
printf（"TheDTMFsignalis%d.\r\n",i）;
}
}
voiddelay（intperiod）//延时子程序
{
inti,j;
for（i=0;i
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