DTMF的产生与检测

1 一、 设计任务书 要求完成的任务： （ 1）编写 在 （ 2）实现设计所要求的各项功能。 （ 3）按要求撰写设计报告。 要求达到的目的： (1) 熟悉 (2) 熟悉并掌握使用 (3) 了解并掌握 (4) 熟练使用软件 二、 设计内容 基本部分： （ 1） 使用 求循环产生 09、 *、 #、 A、 B、 C、 且符合 （ 2） 使用 测到的 发挥部分： 利用 并试改进 使每秒内传送的 三、 设计方案、算法原理说明 表一 双音多频 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。令有 16 个编码。利用 令可选择呼叫相应的 对讲机 双音多频信号（ 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 44 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 (交换机可以解码这些频率组合并确定所对应的按键。 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 号中检 2 测击键或数字信息的存在性。一个 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，又因它采用分别从高低频中任意抽出 1 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 建议，国际上采用的多种频率为 69770852941120913361477 1633 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，具体组合见表 1。 双音多频 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。近年来 应用在交互式控制中，诸如语言菜单、语言邮件、电话银行和 端等。通过软件产生与检测 一项较有价值的工程应用。 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，解码时在收到的号中检测击键或数字信息的存在性。 编解码方案无需过多的计算量，以目前计算机的运算速度，可以很轻松地实现。 一个 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。为了产生号，可以通过软件产生两个正弦波叠加在一起后发送，解码时软件可以采用改进的频域搜索两个正弦波的存在，从而解调出 产生 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。可以只用两个振荡器产生所需的八种音频信号。典型的 号 频率范围是 700 1700取 8000为采样频率，即可满足奈奎斯特定理。 我们用的是 为这种方法我们比较熟悉而且通过查阅资料这种方法的也能达到误差要求， 生成 t=t*2*pi*f1/t*2*pi*f2/ 其中 0开始递增； t为序数 将这些数据转换为 规定的指标是，传送 /接收率 为每秒 10个数字，即每个数字 100表 数字的音频信号必须持续至少 45不超 过 55100便区别连续的两个按键信号。我们使用 8000话信号的典型抽样频率为即 1秒采样 8000个点，则 10000个点，我们设置 800个点的缓存，其中用 400个存产生的 音频信号必须持续 50外 400个存 0值，即静音信号。 检测 码器的 任务是通过数学变换把它从时域转换到频域，然后得出对应的数字信息 。 由于 以必须把输入信号数字化，再用 频率检测时， 整个检测过程分两步：首先采用 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。 算数字信号的频谱可以采用 在实现 用 法要比 过 3 以计算得到信号所有谱线，了解信号整个频域信息，而对于 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 号与声音信号区别开。此时法能更加快速的在输入信号中提取频谱信息。 法实质是一个两极点的 块大小的设置 法中的块大小 N 与相应的 的点数类似，它控制了频率分辨率的大小。例如，若采样率为 8 N 为 100 个采样，那么频率分辨率就是 80 这就可能使我们为了获取最大的频 率分辨率而尽量将 N 取高。然而 N 越大，检测到每个音调所需的时间就越多，因为我们必须等所有这 N 个采样都完成后才能开始处理。例如，采样率为 8，累积 800 个采样需要 100想缩短检测音调的时间，就必须适当调整N 的值。 影响 N 的选择的另一个因素是采样率和目标频率之间的关系。比较理想情况是目标频率在相应的频率分辨率的中点范围内，也就是说，我们希望目标频率是 比值的整数倍。值得庆幸的是， 法中的 N 与 不同，不必是 2 的整数次幂。 预计算常数 在采样率和块大小确定之后，只须通过下面 5 个简单的计算来得出处理时所需要的常数 : k = (N*w = (2*/N)*k w w 2 * 一次采样处理中都需要 3 个变量，我们称其为 前一次采样处理的， 在两次采样前的 (或 本次采样前的值 )。 在每个采样块的开始时，都必须将 始化为 0。每个采样都需要按照下面三个等式进行计算： 2 = 1 = 进行 N 次预采样计算之后，可以检测到音调是否存在。 ( ( 这时只需进行一次简单的幅度门限测试就可以判断出是否有音调存在。之后，将 ，开始下一个块的处理。 化算法 化算法比 本算法所需的计算量小，但这是以损失 相位信息为代价。 在 化算法中每个采样处理完全一样，但处理的结果与 本算法不同。在本算法中，通常需要计算信号的实部和虚部，然后将实部和虚部的计算结果转换为相应的幅度平方。而在优化 法中则不需计算实部和虚部，直接计算下式： 2*散傅立叶变换值，快速有效的提取输入信号的频谱信息 ,如图 ： 4 图 (6) 如图知， Vk(n)=x(n)+2)V k(Vk( 0nN 发生 X(k)=)=) 检验 由于在 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)， k(n)也为实数。因此计算 /X(k)/2如下： /X(k)/2=/)/2= n)+ 2)V k(N) 1N = 205) 8 N=205) 8 k k/N)z pi k/N) k k/N)z pi k/N) 18 697 5 1393 0 770 9 1552 2 852 3 1711 4 941 7 1871 1 1209 1 2428 4 1336 7 2667 8 1477 4 2945 2 1633 2 3264 号频率 (计算值 k 取整值 k 绝对误差 相对误差 697 1 770 2 852 3 5 941 5 1209 9 1336 1 1477 3 1633 5 （ N=125） 号的有效性检测 得到了 要通过一系列检测才能确定信号的有效性： (1)列频率分量平方幅度和是否高于规定的门限值 (2)如果 较行列频率的最大频率分量差值，因为电话线具有低通特性，列频比行频衰减得要厉害，因此要设置一门限值 (3)分别在行列频率组比较频谱分量，最强的谱线至少要比其他音频信号高一个门限值 四、程序设计与调试结果分析 我们的设计由两个 构成 进行通信 ， 一个负责产生信号，一个接收信号。 （一） 基本要求 （ 1） 产生 # 00; ; ; 62= 941,1336, /0 697,1209, /1 697,1336, /2 697,1477, /3 770,1209, /4 770,1336, /5 770,1477, /6 852,1209, /7 852,1336, /8 6 852,1477, /9 697,1633, /A 770,1633, /B 852,1633, /C 941,1633, /D 941,1209, /* 941,1477 /# ; ; if(00) /* a 过观察 示灯的闪动频率来验证程序运行 */ /000); 000); /000); 000); /000); 000); /* ( /* to * ( /* 5( /* 5(* 6dB on ( /* on * ( /* 8( 7 x,y; k=0; i; i=0; ) / ! ; *(i; i+; if(i=800) i=0; ; if(16) ; x=0/8000; y=1/8000; k=0;k1; j+); （ 2） 检测 # 8 #25; 25; k=0; 00=0; l=0; ; ; ; /* * vk(n) = 2*vk(- vk(+ x(n) * * in w8 * x(n) is in 56 * vk(is ai0 * vk(is ai1 . * vk(n) is ai2 */ if(00) / a /000); 000); /000); 000); /000); 000); 9 /* ( /* to * ( /* 5( /* 5( /* 6dB on ( /* on ( /* 8(1) ! ; *( k=k=k+; if(k=125) k=0; ; i,j,x,y; w8,a83,; w0=2*1/125); w1=2*2/125); w2=2*3/125); w3=2*5/125); w4=2*9/125); w5=2*1/125); w6=2*3/125); w7=2*6/125); i=0; /门限设为 500 /d f.rn,i,i); j+; if(j=1) x=i; if(j=2) y=i; i=if(0) if(j=2) if(x=0 & y=4) i=1; if(x=0 & y=5) i=2; if(x=0 & y=6) i=3; if(x=1 & y=4) i=4; if(x=1 & y=5) i=5; if(x=1 & y=6) i=6; if(x=2 & y=4) i=7; if(x=2 & y=5) i=8; if(x=2 & y=6) i=9; if(x=3 & y=5) i=0; 11 if(x=0 & y=7) i=A; if(x=1 & y=7) i=B; if(x=2 & y=7) i=C; if(x=3 & y=7) i=D; if(x=3 & y=4) i=*; if(x=3 & y=6) i=#; if(i!= l=i; l+; if(l=100) l=0;l1; j+); （ 3） 件 源代码如下： /*# # $ 12 # # # c) 1999 # # # # $ # # # # # # 402 # #*/ /*/ /* */ /*/ /*/ /* */ /*/ /*/ /* */ /* */ /*/ 13 : 0080h, 0080h /* , 8000h /* , 0020h /* , 0300h /* , 0080h /* */ 1180h, 0560h /* */ 1900h, 0100h /* */ 1 0002h /* , 0280h /* , 0280h /* , 4000h /* */ /*/ /* */ /*/ 14 /* SP /* V /* SP /* /* /* /* /* /* /* /* /* in /* x( /* （ 4）调试过程及结果分析 调试过程 双击桌面上的 ( )图标，运行 置程序。单击 话框中的 除原先定义的设置。从 择 SK 击 击 载 件。 15 创建工程 加载 件 16 添加库文件 添加 件 17 编译链接 结果分析 18 发送端 时域： 发送端 频域： 19 接收端时域： 接收端频域： 通过下面的图像我们可以清楚地看出 接收到的信号频域峰值低频部分在 687高频部分在 1333右 ，根据表格此时截取的图像应当是“ 2” 。 20 发挥部分 ： 我们在基本部分实现的是 标准，在发挥部分我们改变了部分参数，改变了静音部分的时间以及整个信号的时长，可以使单位时间输出音频数增加。具体程序如下： # 00; ; ; 62= 941,1336, /0 697,1209, /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 /# ; ; if(00) /* a 过观察 示灯的闪动频率来验证程序运行 */ 21 /000); 000); /000); 000); /000); 000); /* ( /* to * ( /* 5( /* 5(* 6dB on ( /* on * ( /* 8( x,y; k=0; i; i=0; ) / ! ; *(i; i+; if(i=500) i=0; ; 22 if(16) ; x=0/8000; y=1/8000; k=0;k1; j+); 五、设计安装与调试的体会 李湘宜：这次实验我们所选择的题目对于我们而言是全新的，但是却是我们生活中每天都要接触到的。每次拨打电话都会听到嘟嘟的声音，但却不知道是怎么回事。 在想想第一次接触是在柯南剧场版里，女高音歌唱家用声音拨电话号码。这个题目最核心的东西应当是 采用它的改进算法进行检测。但是在编程时还是出现了很多问题，刚开始编程时我们 实现的目标是通过手动按键输入数字信息，通过 号产生程序合成与检测在另一台电脑屏幕上输出按键值。但由于按键输入速度较慢，不易 截取到准确的图像。后改为通过程序循环产生 0A、 B、 C、 D、 *、 #信号，然后通过 测程序循环显示接收到的数字按键信息，但由于起初采用每检测到一次字符便用 函数输出，而函数占用 处理时间过多，因此丢失了很多的 点，致使很多数字按键信息无法被检测出来，因而 不仅产生字符丢失的情况，也达不到每秒 10 个字符的传送标准。后来为了改善信息丢失的现象，我们采取了每个字符多次发送的措施，但虽然可以达到字符不漏的目的，但显示速度却更慢了，根本达不到 准。后来我们 先将 检测结果 存储在一起， 后再用 函数 将数据输出 ,输出速度明显提高，可以达到每秒 10 个字符的传送标准，但偶尔仍会发生字符丢失的现象，为了改善这一现象，我们从改变门限值、查看时域波形是否失真入手， 进行调节，有了相应的改善。 在刚开始由于我们未加静音信号的检测，而 25（ 持续时间大约是 15因此每个 音信号持续 50约能被检测到两次，因此未加静音信号时产生了信号重复的现象，后添加了静音信号的检测后便不在发生信号重复了。 这次实验让我们感受最深的就是我们排队等板子了，一天比一天起得早，早上五点钟起来到实验室排队，实验板子相对于我们选课人数来说实在是太少了，而且我们的答辩时间又集中在一起，所以真的很难得到。 在整个实验的过程中我们收获很多，在反反复复的琢磨和思考中我们已经较为深入的了解了 产生与检测原理，熟