DTMF信号的产生及检测.doc

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目 录一、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（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09、*、#、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09、*、#、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7001700Hz，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：buffert=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；buffert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Xk=ykn=vkn-e-j2Nkvk(n-1) 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69710.890625110.1093751.00430%77012.03125120.031250.25974%85213.3125130.31252.34741%94114.703125150.2968752.01912%120918.890625190.1093750.57899%133620.875210.1250.59880%147723.078125230.0781250.33852%163325.515625250.5156252.02082%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 void delay(int period);void generate(int num);HANDLE hHandset;float buffer800;s16 num=0;int count=0;float freq162= 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 /# ;float pi=3.1415926;void main()int cnt=2; if(brd_init(100) return; /* blink the leds a couple times */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); /* Open Handset Codec */ hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC); /* Acquire handle to codec */ /* Set codec parameters */ codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT); /* DAC in 15-bit mode */ codec_adc_mode(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); /* ADC in 15-bit mode */ codec_ain_gain(hHandset, CODEC_AIN_6dB);/* 6dB gain on analog input to ADC */codec_aout_gain(hHandset, CODEC_AOUT_MINUS_12dB); /* -12dB gain on analog */* output from DAC */ codec_sample_rate(hHandset,SR_8000); /* 8KHz sampling rate */ generate(num); void generate(int num)f32 x,y;int k=0;int i;i=0; while(1) / Wait for sample from handset while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC) ; *(volatile u16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC)=bufferi; i+; if(i=800) i=0; num+; if(num=16) num=0; x=freqnum0/8000;y=freqnum1/8000;for(k=0;k400;k+) bufferk=(0.65*sin(2*pi*y*k)+0.8*sin(2*pi*x*k)*16384; bufferk+400=0; void delay(int period) /*延时子程序 */ int i, j; for(i=0; iperiod; i+) for(j=0; j1; j+); （2） 检测源程序代码如下：/*/* DTMFsignal 检测程序 receive.c */ /*/#include #include #include #include #include #include HANDLE hHandset;float buffer125; float pi=3.1415926; s16 receive125; s16 dacdata; int k=0; int detect_result100=0; int l=0; int flag=0; void delay(int period);void detect();void main() int cnt=2; /* Description:* vk(n) = 2*coef*vk(n-1) - vk(n-2) + x(n)* Coefficients are in w8* x(n) is in buffer256* vk(n-2) is ai0 * vk(n-1) is ai1 .* vk(n) is ai2 */ if(brd_init(100) return;/ blink the leds a couple timeswhile ( 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);/* Open Handset Codec */ hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC); /* Acquire handle to codec */* Set codec parameters */ codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT); /* DAC in 15-bit mode */ codec_adc_mode(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); /* ADC in 15-bit mode */ codec_ain_gain(hHandset, CODEC_AIN_6dB); /* 6dB gain on analog input to ADC */ codec_aout_gain(hHandset, CODEC_AOUT_MINUS_6dB); /* -6dB gain on analog output from DAC */ codec_sample_rate(hHandset,SR_8000); /* 8KHz sampling rate */ while(1) while (!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC) ; dacdata = *(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC);receivek=dacdata;bufferk=dacdata/16384.0; k+;if(k=125) k=0; detect(); void detect() int i,j,x,y; float w8,a83,amp8; w0=2*cos(2*pi*11/125);w1=2*cos(2*pi*12/125);w2=2*cos(2*pi*13/125);w3=2*cos(2*pi*15/125);w4=2*cos(2*pi*19/125);w5=2*cos(2*pi*21/125);w6=2*cos(2*pi*23/125);w7=2*cos(2*pi*26/125); for(i=0;i8;i+)ai0=0;ai1=0;for(j=1;j=125;j+)ai2=wi*ai1-ai0+bufferj-1;ai0=ai1;ai1=ai2;/计算频谱的幅度平方值ampi=ai1*ai1+ai0*ai0-wi*ai1*ai0;j=0;for(i=0;i500) /门限设为500 /printf(The amplitude %d is %f.rn,i,ampi);j+;if(j=1)x=i; else if(j=2)y=i;i=-1; if(flag=0) if(j=2)if(x=0 & y=4) i=1; else if(x=0 & y=5) i=2; else if(x=0 & y=6) i=3; else if(x=1 & y=4) i=4; else if(x=1 & y=5) i=5; else if(x=1 & y=6) i=6; else if(x=2 & y=4) i=7; else if(x=2 & y=5) i=8; else if(x=2 & y=6) i=9; else if(x=3 & y=5) i=0; else if(x=0 & y=7) i=A;else if(x=1 & y=7) i=B; else if(x=2 & y=7) i=C; else if(x=3 & y=7) i=D; else if(x=3 & y=4) i=*; else if(x=3 & y=6) i=#; if(i!=-1) detect_resultl=i; l+; if(l=100) for(l=0;l100;l+) printf(The DTMF signal is %c.rn ,detect_resultl); flag+; else if(j=0) flag=0; void delay(int period) int i, j; for(i=0; iperiod; i+) for(j=0; j1; j+); （3） cmd源代码如下：/*# $Id: $# Copyright (c) 1999 DNA Enterprises, Inc.# Revision History# -# $Log: $# XFERMAKE.CMD# -# C54x Linker Command File for 5402 DSK Memory Transfer Module#*/*/* Object Files */*/*/* Linker Options */*/*/* C5402 DSK DSP Memory Map */* */*/MEMORY PAGE 0: VECS: origin = 0080h, length = 0080h /* Internal Program RAM */ PRAM: origin = 0100h, length = 8000h /* Internal Program RAM */ PAGE 1: SCRATCH: origin = 0060h, length = 0020h /* Scratch Pad Data RAM */ DMARAM: origin = 0C00h, length = 0300h /* DMA buffer */ DATA: origin = 1100h, length = 0080h /* Internal Data RAM */ STACK: origin = 1180h, length = 0560h /* Stack Memory Space */ INRAM: origin = 1900h, length = 0100h /* Internal Data RAM */ HPRAM0: origin = 1A00h, length = 0002h /* HPI memory accessible by Host and DSP */ HPRAM1: origin = 1A02h, length = 0280h /* HPI memory accessible by Host and DSP */ HPRAM2: origin = 1C82h, length = 0280h /* HPI memory accessible by Host and DSP */ EXRAM: origin = 1F10h, length = 4000h /* External Data RAM */*/* DSP Memory Allocation */*/SECTIONS .cinit PRAM PAGE 0 .text PRAM PAGE 0 .vectors VECS PAGE 0 init_var PRAM PAGE 0 detect PRAM PAGE 0 vrcprg PRAM PAGE 0 matprg PRAM PAGE 0 .stack STACK PAGE 1 .trap SCRATCH PAGE 1 .const EXRAM PAGE 1 .data EXRAM PAGE 1 .bss EXRAM PAGE 1 .cio EXRAM PAGE 1 .switch EXRAM PAGE 1 tables EXRAM PAGE 1 var EXRAM PAGE 1 svctab EXRAM PAGE 1 /* SS_V LSP table */ vctab EXRAM PAGE 1 /* V LSP table */ uvctab EXRAM PAGE 1 /* UV LSP table */ cuvtab EXRAM PAGE 1 /* Stochastic codebook */ cdbktab EXRAM PAGE 1 /* various codebook tables*/ logtab EXRAM PAGE 1 /* table for log2 */ powtab EXRAM PAGE 1 /* table for pow2 */ hamtab EXRAM PAGE 1 /* table for hamming */ lgwtab EXRAM PAGE 1 /* table for lag window */ acostab EXRAM PAGE 1 /* table for arccos */ sqrtab EXRAM PAGE 1 /* table for square root */ acbtab EXRAM PAGE 1 /* table for thresholds in acb */ pm03tab EXRAM PAGE 1 /* table for x(-0.3) computation */ costab EXRAM PAGE 1 /* table for cosine */ V23 INRAM PAGE 1 FSK INRAM PAGE 1 hpibuff0 HPRAM0 PAGE 1 hpibuff1 HPRAM1 PAGE 1 hpibuff2 HPRAM2 PAGE 1 dma_buff DMARAM PAGE 1（4） 调试与结果分析发送端的频域图形如图4所示：图4接收端的频域图形接受判决结果如图5所示：图5（5） 调试过程中产生的问题及解决方案1、起初采用每检测到一次字符便用printf()函数输出，而printf()函数占用DSP的处理时间过多，因此丢失了很多的DTMF样点，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CCITT标准。后来我们建立了缓存区用于存储检测结果，当缓存区存满检测结果后再用printf()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。2、为了改善偶尔仍会发生字符丢失的现象，我们改变了门限值。3、将cmd文件改为片内寻址后，数据传送速度会加快。修改分配命令如下：PRAM：origin=0100h,length=3700hEXRAM:origin=3200h,length=4000h五、设计（安装）与调试的