双音多频DTMF.docx
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双音多频DTMF
DTMF（双音多频）技术
调研报告
学院电子工程学院
班级卓越工程师班
学号00101201
姓名冉艳伟
目录
1．DTMF信号介绍
1.1DTMF信号基本释义
1.2DTMF的原理分析
1.3DTMF信号合成
1.4DTMF信号的识别
2.DTMF的发展
3.DTMF信号的应用
3.1新型DTMF信号收／发芯片MT8888及其应用
3.2MT8870双音多频收号器
3.3基于DTMF技术与射频技术的远程控制的实现
3.3.1电话通信的实现
3.3.2DTMF信号收、发芯片MT8880简介
3.3.3MT8880与单片机控制接口
3.3.4手机模块与单片机控制接口
3.3.5射频技术及其硬件电路设计
3.3.6远程控制应用实现
3.3.7软件实现
3.4利用DTMF信号传输监控数据
3.4.l原理简介
3.4.2总体设计
3.4.3分系统设计
3.5DTMF技术展望
DTMF（双音多频）技术调研报告
电子工程学院冉艳伟00101201
摘要：
双音多频DTMF（DualToneMulti-Frequency）信令，逐渐在全世界范围内使用在按键式电话机上，因其提供更高的拨号速率，迅速取代了传统转盘式电话机使用的拨号脉冲信令。
作为实现电话号码快速可靠传输的一种技术，它具有很强的抗干扰能力和较高的传输速度，因此，可广泛用于电话通信系统中。
但绝大部分是用电话的音频拨号。
另外，它也可以在数据通信系统中广泛地用来实现各种数据流和语音等信息的远程传输。
近年来DTMF也应用在交互式控制中，诸如语言菜单、语言邮件、电话银行和ATM终端等。
将DTMF信令的产生与检测集成到任一含有数字信号处理器（DSP）的系统中，是一项较有价值的工程应用。
引言：
1876年．AlexanderGrahamBell（贝尔）发明电话以后，双音多频（DTMF）技术最早被应用于电话领域。
双音多频（DTMF）技术以其简单、快速的特点不仅可以广泛的应用于无线传输中的先期调制阶段和工业遥控领域，而且经双音多频技术调制的信息可以直接通过电话线进行传输，实现电话网络的复合应用。
因而双音多频技术调制解调技术作为一较新的课题与常规的调制解调方式相比，有较强的适应性。
应用在无线数据传输领域方便快捷，不受电缆和光缆长度的限制；应用在有线数据传输领域可复用现有的电话网络，实现数据传输和电话控制。
同时，由于电话线路各地联网，因此控制距离可跨省市，甚至跨越国家。
1．DTMF信号介绍
1.1DTMF信号基本释义
双音多频DTMF（DualToneMultiFrequency），双音多频，由高频群和低频群组成，高低频群各包含4个频率。
一个高频信号和一个低频信号叠加组成一个组合信号，代表一个数字。
DTMF信号有16个编码。
利用DTMF信令可选择呼叫相应的对讲机。
双音多频信号（DTMF），电话系统中电话机与交换机之间的一种用户信令，通常用于发送被叫号码。
在使用双音多频信号之前，电话系统中使用一连串的断续脉冲来传送被叫号码，称为脉冲拨号。
脉冲拨号需要电信局中的操作员手工完成长途接续（早期方法，很老很古董）。
双音多频信号是贝尔实验室发明的，其目的是为了自动完成长途呼叫。
双音多频的拨号键盘是4×4的矩阵，每一行代表一个低频，每一列代表一个高频。
每按一个键就发送一个高频和低频的正弦信号组合，比如'1'相当于697和1209赫兹（Hz）。
交换机可以解码这些频率组合并确定所对应的按键。
电子工程术语定义
双音多频（DTMF）是由贝尔实验室开发的信令方式，通过承载语音的模拟电话线传送电话拨号信息。
每个数字利用两个不同频率突发模式的正弦波编码，选择双音方式是由于它能够可靠地将拨号信息从语音中区分出来。
一般情况下，声音信号很难造成对DTMF接收器的错误触发。
DTMF是“TouchTone”（早期AT&T的商标）的基础,替代机械式拨号转盘的按键。
1.2DTMF的原理分析
双音多频DTMF（DualToneMultiFrequency），双音多频，由高频群和低频群组成，高低频群各包含4个频率。
一个高频信号和一个低频信号叠加组成一个组合信号，代表一个数字。
DTMF信令有16个编码。
利用DTMF信令可选择呼叫相应的对讲机。
双音多频信号（DTMF），电话系统中电话机与交换机之间的一种用户信令，通常用于发送被叫号码。
在使用双音多频信号之前，电话系统中使用一连串的断续脉冲来传送被叫号码，称为脉冲拨号。
脉冲拨号需要电信局中的操作员手工完成长途接续。
双音多频信号是贝尔实验室发明的，其目的是为了自动完成长途呼叫。
双音多频的拨号键盘是4×4的矩阵，每一行代表一个低频，每一列代表一个高频。
每按一个键就发送一个高频和低频的正弦信号组合，比如'1'相当于697和1209赫兹（Hz）。
交换机可以解码这些频率组合并确定所对应的按键。
DTMF编解码器在编码时将击键或数字信息转换成双音信号并发送，解码时在收到的DTMF信号中检测击键或数字信息的存在性。
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来自两组预分配的频率组：
行频组或列频组。
每一对这样的音频信号唯一表示一个数字或符号。
电话机中通常有16个按键，其中有10个数字键0～9和6个功能键*、#、A、B、C、D。
由于按照组合原理，一般应有8种不同的单音频信号。
因此可采用的频率也有8种，故称之为多频，又因它采用从8种频率中任意抽出2种进行组合来进行编码，所以又称之为“8中取2”的编码技术。
根据CCITT的建议，国际上采用的多种频率为687Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz等8种。
用这8种频率可形成16种不同的组合，从而代表16种不同的数字或功能键。
1.3DTMF信号合成
根据CCITT建议,国际上采用697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz、1633Hz12个频率,并将其分成两个群,即低频群和高频群。
从低频群和高频群中任意抽出一个频率进行叠加组合,具有16种组合形式,让其代表数字和功率,如下图电话机键盘的频率矩阵所列。
当按下某个键时，所得到的按键信号是由相应两个频率的正弦信号相加而成。
设x[k]为DTMF信号，产生方式为:
X[k]=Asin（
k）+Bsin（
k）
式中
=
/
和
=2∏
/
分别表示高频和低频频率，A、B分别为低频群和高频群样值的量化基线。
电话信号的典型抽样频率为
=8kHZ。
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（无信号），以便区别连续的两个按键信号。
1.4DTMF信号的识别
DTMF解码即是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信号只用关心其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
图1：
Goertzel算法原理框图
如图知，DFT计算可以等价为：
由于在DTMF检测中，输入的信号是实数序列，并不需要检测出8个行频/列频的相位，只需要计算出其幅度平方即可。
对于实序列x（n），Goertzel算法所需的内部变量vk（n）也为实数。
因此计算
如下：
用上式的计算取代式（3）即可完全避免复数运算。
当幅值的平方大于某一定值时即可判定其频率点上有对应的信息。
在识别DTMF信号时，要求确定抽样点数N，国际上通用N=205点或N=106点。
表1列出了N=205点时，各个频率所对应的DFT结果X[m]中的序号m。
表1：
N=205时个频率对应的抽样信息
基频
准确值m
最近的整数m值
两点的绝对误差
697
17.861
18
0.139
770
19.731
20
0.269
852
21.833
22
0.167
941
24.113
24
0.113
1209
30.981
31
0.019
1336
34.235
34
0.235
1477
37.848
38
0.152
2.DTMF的发展
DTMF逐渐在全世界范围内使用在按键式电话机上，因其提供更高的拨号速率，迅速取代了传统转盘式电话机使用的拨号脉冲信令。
近年来DTMF也应用在交互式控制中，诸如语言菜单、语言邮件、电话银行和ATM终端等。
通过软件产生与检测DTMF信令，是一项较有价值的工程应用。
这是一种技术，就是现在的电话机和交换机之间通讯时采用的，简称DTMF，就是电话机上的一个按键按下去时，电话机向交换机同时发送两个频率的信号，告诉交换机按的是哪个按键，以前采用脉冲方式，速度慢，一共有8个频率的音频信号，分为2组，每组4个，两两组合共可以代表16个按键，分别代表0-9、#、*等按键。
3.DTMF信号的应用
DTMF信号即双音频信号，最先用于程控电话交换系统来代替号盘脉冲信号，主叫用户摘机按键拨号后，电话号码所对应的DTMF信号通过电话线传到程控交换机中的DTMF接受电路，交换机中的微机识别被叫电话号码后，接通主被叫用户实现双方通话。
DTMF信号还用于自动控制系统，如果把DTMF的发送电路用于主控系统，接收电路用于被控系统，就可以方便地组成有线或无线通信系统，其通道数视需要而定，16通道以内每通道只需编一位号码即可，若需要更多通道，则可像电话号码编号一样编为两位或两位以上的号码。
3.1新型DTMF信号收／发芯片MT8888及其应用
双音多频（DTMF）信令的传输速度，使得它广泛应用于各种通信和控制系统中。
加拿大Mitel公司生产的DTMF信号编／解码芯片MT8888是该系列产品中较新的一种，该芯片功能强、功耗低、工作稳定可靠。
与MT8880相比，能与更多型号的单片机相配合，而且外部电路简单。
因此在必须同时具备DTMF信号接收和发送的功能的系统中倍受人们的青睐。
1MT8888芯片特点
（1）MT8888是cMOs大规模集成电路，功耗低（只有57．8mw）并且将发送和接收电路集中在一个芯片内，故集成度高。
（2）可编程控制，容易与微处理器接口，微机可控制接收部分工作原理与DTMF信号接收器MT8870相同。
发送部分采用开关电容式D／A变换器，因此DTMF信号失真小。
（3）频率精度高，片内对双音群模式的占空时间精确定时。
（4）具有多种工作模式，可由内部控制寄存器选择，所以功能很强。
如编程选择双音群（BURsT）发送模式时，它问歇发送任意个数的双音信号，双音信号持续时间精确控制在j1n·s±1ms，符合DTMF信号解码标准；可扩充为102ms±2ms双音群模式。
符合电话自动拨号标准。
编程选择呼叫进程检测（callprogress）模式时，能检测电话信号音。
2MT8888的组成及基本工作原理MT8888芯片有多种封装，其硬件电路由接收、发送和控制3个主要部分组成。
2．1接收部分接收部分的前置输入电路可以有单端输入和差分输人2种形式，如图1所示。
单端输入电压增益Av=
差分输入电压增益
差分输人阻抗
元件典型值
DTMF信号经运放输出到两组6阶开关电容式带通滤波器，分离出低频组^nw和高频组，H一信号。
低频组中的陷波器把350Hz和440Hz的拨号音滤除。
每组滤波器连接一阶开关电容式滤波器以提高分离信号89的信噪比。
由高增益比较器组成的限幅器去除低于检测门限的弱信号或噪声。
解码器采用数字计数方式检测
DTMF信号频率，利用复杂的平均算法防止外来的各种干扰，当检测器识别到有效的DTMF信号时，预控端Est输出高电平。
2．2发送部分
DTMF产生器是发送部分的主体，它产生全部16种失真小、精度高的标准双音信号。
这些频率均由3．5795MHz晶体振荡器产生。
电路由数字频率合成器、行／列可编程分频器、开关电容式D／A变换器组成。
行和列单音正弦波经混合、滤波后产生双音信号。
DTMF编解码表把编码数据写入MT8888的发送寄存器产生单独的，L0w和，HIGn，，啪w和，InwdB输出的幅度之比为2dB。
目的在于补偿高频组信号经通信线路的衰减，即经过预加重处理。
写操作时，总线上的4位数据被锁存，可编程分频器进行8中取2的编码变换，定时长度确定该信号的频率，当分频器达到由输入编。
-1码确定的计数值时．产生复位脉冲，计数器重o，l
新计数，改变定时长度可变频率。
编码电路由开关电容式D／A变换器组成，得到高精度的量化电平。
低噪声加法放大器完成行和列单音信号的混合。
输出级有带通滤波器，用来衰减大于8kHz的谐波。
此外，发送部分还包括单音信号产生器，
能产生高频组和低频组的任一单音正弦波。
该功能亦需编程选择。
2．3控制部分
上述为模拟信号处理系统，当满足信号条件时系统有输出。
为了接收可靠，还满足识别条件，即检测有效信号的持续时间，Est信号驱动外接R。
，c。
积分电路如图2所示。
c，放电，在有效时间f们，内Est维持高平，当yc=y。
时（控制逻辑的门限电平），GT输出信号驱动K至电源电压ym，经延时后，控制逻辑把片内状态寄存器的延迟输出标志位置提高，如选择中断模式，当延迟标志位置高时．礞西／cP引脚由高电平变为低电平，为90cPu提供中断请求信号。
延迟控制电压的跳变沿把数据锁存至输出端。
3MT8888的应用MT8888可以直接与51系列单片机接口，而且外围电路简单。
接口电路的主要功能是精确控制发送和接收。
MT8888内部有5个寄存器与微机接口：
接收数据寄存器、发送数据寄存器、控制寄存器A、控制积存器B和状态寄存器、接收数据寄存器存贮当前收到的有效双音解码信号．它是只读寄存器。
发送数据寄存器的数据确定了要发送的双音信号，它是只写寄存器。
收发控制由两个控制寄存器cRA，cRB共同完成，cRA和cRB占用同一地址，先写入的控制字必定是先写CRA，再写cRB，是否写CRB由CRA最高位b3控制。
下面以89c51为例说明，其接口电路如图3所示。
3.2MT8870双音多频收号器
MT8870音调译码器（ToneDecoder）是MITEL公司所开发生产为一颗常用复频译码IC，这个电路可以接收DTMF信号，是一个完整的DTMF接收器。
它接收了DTMF信号后，内部将信号分成高频带和低频带，并将此信号送至数字译码器，然后将讯号送至数字译码器以解出按键值，接着将解出的按键值以二进制的方式以四条线（Q1、Q2、Q3、Q4）输出到外部共享Bus上，其MT8870接脚说明如表1及内部结构如图2。
值得一提的是，当MT8870解出一个按键值且输出到外部时，其STD接脚会由低态升为高态，经一段时间后再降为低态，我们便可利用此特点侦测到此脚有讯号时便马上将Q1-Q4接脚所产生的值读入CPU，然后解出电话的按键值。
图1MT8870引脚图
表1MT8870引脚功能：
脚位
PIN
说明
1
IN+
OPA非反相输入端
2
IN-
OPA反相输入端
3
GS
增益选择
4
VREF
参考电压输出
5
INH
禁制输入信号检出
6
PWDN
电源下降输入
7
OSC1
内部振荡电路输入端
8
OSC2
内部振荡电路输出端
9
VSS
电源地线
10
TOE
三态输出端
11
Q1
三态译码数据输出
12
Q2
三态译码数据输出
13
Q3
三态译码数据输出
14
Q4
三态译码数据输出
15
STD
延迟动作输出
16
EST
提前动作输出
17
ST/GT
动作输入/*时间
18
VDD
电源正电压
表2MT8870功能表
Digit
TOE
INH
ESt
Q4
Q3
Q2
Q1
ANY
L
X
H
Z
Z
Z
Z
1
H
X
H
0
0
0
1
2
H
X
H
0
0
1
0
3
H
X
H
0
0
1
1
4
H
X
H
0
1
0
0
5
H
X
H
0
1
0
1
6
H
X
H
0
1
1
0
7
H
X
H
0
1
1
1
8
H
X
H
1
0
0
0
9
H
X
H
1
0
0
1
0
H
X
H
1
0
1
0
*
H
X
H
1
0
1
1
#
H
X
H
1
1
0
0
A
H
L
H
1
1
0
1
B
H
L
H
1
1
1
0
C
H
L
H
1
1
1
1
D
H
L
H
0
0
0
0
MT8870在DTMF中的应用：
MT8870组成收号电路，它的输入为来自模拟用户接口双音多频信号，输出为4位二进制数据，供处理器从数据总线读入。
MT8870的功能模块图见图2。
其收号过程如下：
模拟信号从IN-脚引入后，经双音滤波器初步滤除带外干扰信号，随后，此滤出信号在经高群滤波器和低群滤波器分别滤出其中的高频和低频分量，这两种分量分别通过过零检测后送给数字检测计算电路；该电路对音频信号进行进一步的优化，能排除外部噪声因偶然含有默写特定频率而被编码器编码，或则影响编码器的编码，从而引起后续的收号错误。
当高、低频组信号同时被编码器测到时，ESt脚将输出高电平作为有效检测DTMF信号的标志，而当DTMF信号消失时，ESt脚将输出低电平。
为了防止外部噪声被MT8870误编码，编码器要求被编码的音频信号能维持一段时间，这段时间由外部的一个RC电路来决定。
如前所述，当音频信号被检测到时。
ESt输出高电平l，电容放电，VC上的电压值上升（假设信号在整个要求时间内部存在），VC升到一个门限值VTST时，该音频信号被编码，变成了数字信号，该数字信号将被锁存起来，此时，GT就为高，使VC点的电压由门限值升到VDD，此后，只要ESt仍保持为高，GT就为高，外部的RC电路回到初始状态，随后，经过一段锁存操作引起的延时后，StD脚输出高电平，表示信号锁存完毕。
这时，外部期间若要从D1—D4上读这四位编码，应使TOE为高，打开锁存器，这就完成了DTMF的收号任务。
图2MT8870内部方框图
图3MT8870应用电路图
图4MT8870时序图
3.3基于DTMF技术与射频技术的远程控制的实现
公共电话网和全球移动通信网（GSM）的语音和数据量的传输主要通过DTMF技术实现。
本文介绍了一种基于DTMF收发技术和无线射频技术相结合实现远程控制的方法。
例如在办公室打电话回家远程查询、开启或关闭家里的各种电器设各，使生活变得更加舒适安全便捷；也可以应用于对人有毒害的工作场合，工人可以通过远程操作相关的设各完成特定的工作内容。
3.3.1电话通信的实现
（1）振铃青的检测
当用户被呼叫时，电话交换机发来铃流信号，振铃为（25±3）Hz的正弦波，谐铃失真不大于10％，电压有效值为（90±15）Ⅴ。
振铃以5s为周期，即1s送、4s断。
根据振铃信号电压比较高的特点，可以先使用高压稳压二极管进行降压，然后输人至光电耦合器。
经过光耦的隔离转换，从光电耦合器输出的波形是时通时断的正弦波，经过RC回路进行滤波输出标准的方波。
方波信号就可以直接输出至单片机的中断计数器输人口，完成整个振铃音检测和计数的过程，如图1所示。
（2）自动摘挂机
程控电话交换机对电话摘机的响应是电话线回路电流突然变大至约30mA，即当程控交换机检测到电话线回路中的电流变大时，则认为电话机已经摘机。
自动摘挂机电路可以通过单片机控制一个继电器的开关，继电器的控制端将一个约300Ω的电阻接人电话线两端，从而完成模拟摘挂机，如图1所示。
图1MT8880与单片机接口电路
（3）双音频解码
本文使用电话专用的双音频编解码芯片MT8880进行输人双音频信号的解码。
经过专用集成电路的解码，信号转换成为不同的码制信号，可以直接被单片机读取。
3.3.2DTMF信号收、发芯片MT8880简介
MT8880是加拿大MITEL公司生产的DTMF收发一体的集成电路，该芯片集成度高，内部含有一个带增益可调放大器的DTMF接收器和一个DTMF发送器。
接收器采用集频带分离滤波器和数字解码为一体的结构形式。
其中滤波电路采取高频群和低频群两个六阶开关电容滤波器，解码采用数字计数器技术来确定输人DTMF信号的频率，并译成4位二进制码。
发送器采用开关电容D／A变换器，可发出16种双音多频DTMF信号。
接收部分用于完成DTMF信号的接收、分离和译码，并以4位并行二进制码的方式输出。
3.3.3MT8880与单片机控制接口
MT8880使用标准的单片机控制接口，单片机可以精确地完成接收和发送功能，允许单片机访问其内部一个状态寄存器、2个控制寄存器和2个数据寄存器。
MT8880内部有2个数据寄存器，一个是只执行读操作的接收数据寄存器RDR；另一个是只执行写操作的发送数据寄存器TDR。
另外，MT8880中还有2个4位的收、发控制寄存器ORA和CRB（这2个寄存器位于同一地址空间）。
对CRB的操作通过CRA中的一个特定位b3来实现，在写CRA后，接着对同样地址进行特定操作以把数据写人CRB，再次写时又指向CRA。
在上电时，内部设置电路先要清除控制寄存器，因此作为防范措施，软件应设置清除寄存器的初始化程序；而MT8880中的4位状态寄存器SR则用来反映收、发信号的工作状态。
寄存器的选择与操作由RS0和R／W口线来控制，当需要接收DTMF信号时，首先往控制寄存器CRA和CRB写人相应的控制字，把MT8880芯片设置为DTMF模式，通过读取状态寄存器中的D2位，可以判断是否收到一个有效的DTMF信号并已译码。
若已收到则读取内部“接收数据寄存器”的内容（从IV［T8880芯片的DO～D3脚读出）。
当需要发送DTMF信号时，同样应先往控制寄存器CRA和CRB写人相应的控制字，把MT8880芯片设置为DTMF模式，通过读取状态寄存器中的Dl位，可以判断是否发送完一个DTMF信号。
若已发送完，则把下一个要发送的数字由Dl～D3脚写人到内部“发送数据寄存器”。
如果MT8880芯片同时又被设置为中断模式，则通过检测IRQ端状态，也能判断一个DTMF信号收到或发送完毕与否。
其应用电路见图1。
3.3.4手机模块与单片机控制接口
绝大多数的手机也与固定电话一样有振铃信号，也可以收发DTMF信号，只要对普通手机稍做改动即可，即把手机的铃流信号接出来，同时把手机的耳机口分成两路（一路为DTMF输出即耳麦线，另一路为DTMF输人即话筒线），手机模块与单片机的接口电路如图2所示。
图2手机模块与单片机接口电路
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