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