DTMF信号的产生与检测通信0802程志超-崔航

1、DSP课程设计实 验 报 告DTMF信号的产生及检测学院：电子信息工程学院设计人员：程志超 学号：08211028崔航 08211029目 录一、设计任务书2二、设计内容3三、设计方案、算法原理说明3四、程序设计、调试与结果分析5 五、设计（安装）与调试的体会13 六、参考文献21一、 设计任务书简介双音多频 (DTMF)技术，是用两个特定的单音频组合信号来代表数字信号以实现其功能，已被广泛用于电话的音频拨号，实现电话号码快速可靠的传输。此外，DTMF拨号和解码也广泛应用在通信系统其他方面，如语言邮件、电话银行和ATM终端等。同时，随着数字信号处理芯片 (DSP)硬件结构和性能的不断完善，DS

2、P嵌入式系统已在工业控制、影像视频、宽带、无线通信、图像采集等方面得到了广泛而有效地应用，已成为电子产品更新换代的决定因素。因此，开发基于DSP的DTMF实验系统有其重大的现实意义，而DTMF的编解码方案无需过多的计算量 ，可以很容易在DSP系统中与其他任务并发执行。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、

3、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。l 设计要求及目标Ø 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。Ø 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。 要求完成的任务（1）编

4、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、设计内容使用C语言编写DTMF信号的发生程序，通过发送端实现0-9、*、#、A、B、C、D对应的DTMF信号的产生，并且符合CCITT对DTMF信号规定的指标，再由接收端接收到发送端所发送的相应信号，实现双机通信。三、设计方案、算法原理说明 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7001700Hz，选取8000Hz作为采

5、样频率，即可满足奈奎斯特定理。在100ms内采样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。方案一：数字正弦振荡产生DTMF信号DTMF信号的数学表达式可写为:S(t) =Asin()+ Asin() (1)式中，A为低频信号振幅；为低频信号频率，选自低频组(697 Hz，770 Hz，852 Hz，941 Hz)中的任意一个频率；A为高频信号振幅； 为高频信号频率，选自高频组(1209 Hz，1366 Hz，1477 Hz，1633 Hz)中的任意一个频率,对该DTMF时域信号用8 kHz进行采样便可

6、以得到DTMF的数字序列。方案二： 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 ，。得到振荡器系统的差分方程为： 。DTMF信号的接收在输入信号中检测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

7、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算法原理框图Goertzel算法实质是以一个二阶IIR带通滤波器为基础，利用该算法可以有效地计算DTMF信号的DFT值。以往实验已经表明该算法对于提取DTMF输入信号既有效又快速。该滤波器的直接型实现可以表述为以下差分方程 ：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

8、输入滤波器后，滤波器输出伪DFT值，由即可确定频谱的平方幅度。其中N的选取决定了频率分辨率以及捕捉N 个样值所需要的时间，对基于Goertzel算法的DTMF信号检测的有效性来说至关重要。频率分辨率被用来选择IIR滤波器中所需的DTMF信号的频率，这可以通过计算下式中的k来实现：，这样计算出的DTMF信号频率可能与实际的DTMF信号频率有一定的差别，但可以通过加大N的选取来减小这种频率差异。然而从另外一方面来考虑，虽然加大了N的选取会使频率的差异减小，但这势必会带来捕捉N个样值所需要的时间的增加，而这个时间的增加势必会对检测的效果造成一定的影响。因此，需要在频率分辨率和捕捉N个样值所需要的时间

9、这两个因素之间做出权衡。由DTMF信号频率所具有的特性不难发现要选取定的N值使得计算出的频率和真实的DTMF信号的频率相一致几乎不可能，而实际中也并不需要计算出来的频率值与其真实频率相一致，只需偏差保持在±1.5% 即可认为是DTMF信号的真实频率。在对DTMF信号采样以及确定N，k值之后就可以进行检测。如下表所示： 1st Harmonics(N = 205) fs = 8 ksps2nd Harmonics(N=201) fs = 8 kspskfrequency(k/N)fs/Hzcoefficientcos(2pi k/N)kfrequency(k/N)fs/Hzcoeffi

10、cientcos(2pi k/N)186970.851623513930.45886207700.817933915520.34445228520.781154317110.22470249410.741424718710.101413112090.58157612428-0.329743413360.50442672667-0.500003814770.39505742945-0.676064216330.27972823264-0.83740一旦得到行/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

11、率分量的平方幅度和应高于某一确定门限THR_SIG。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是哪个数据。四、程序设计、调试与结果分析分别将DTMF信号的产生与接收建立工程，用两个DSK板可以实现双机通信。DTMF信号的发送程序：程序流程包含两个任务，即音频任务和静默任务。在一段时间间隔后两个任务需要进行互换。音频任务的作用是产生双音频采样

12、值，静默任务的作用是产生静默采样值。每个任务被分配一定的持续时间。发送程序代码： #include <stdio.h> /*程序用到的头文件*/#include <math.h>#include "type.h"#include "board.h"#include "codec.h"#include "mcbsp54.h"void delay(int period);void generate(int num);HANDLE hHandset;s16 out_buffer256; /*定义缓

13、冲区,其中S16为自定义类型名*/float buffer256;s16 num=0;int count=0;char num_112;float freq162= 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 /# ;float pi=

14、3.1415926;void main() int cnt=2;/*控制亮灯次数*/ if(brd_init(100) return; /* blink the leds a couple times 通过观察LED指示灯的闪动频率来验证程序运行*/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(

15、1000);delay(1000); / 获取设置DAC的句柄 hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC); /* Acquire handle to codec获句柄 */ /设置DAC的工作参数/工作模式，15+1bit或16bit codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT); /* DAC in 15-bit mode */codec_adc_mode(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); /* ADC in 15-bit mode */模拟输出增益 codec_ain_gain(hHandset,

16、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 */ 转换速率 codec_sample_rate(hHandset,SR_8000); /* 8KHz sampling rate */ gets(num_1); /*弹出输入框*/ generate(num); void generate(int num)f32 x,y;int k=0;int i;int j

17、;switch(num_10) /*先对第一个输入值进行num_10的数值化转换*/ 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':

18、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; x=freqnum0/8000;y=freqnum1/8000;for(k=0;k<=255;k+) bufferk=(0.65*sin

19、(2*pi*y*k)+0.8*sin(2*pi*x*k)*16384;/*定点处理，将数扩大16384=214且规定为Q15格式*/ out_bufferk=bufferk; /强制类型转换 i=0;j=0;/发送 while(1)/ Wait for sample from handset while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC) ; *(volatile u16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC)=bufferi; i+; if(i=256) /采足256个值点，完成第一次发送 i=0; count+; if(count=30) /控制发送30次

20、count=0; j+; if(j=12) return; switch(num_1j) 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'

21、;: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; x=freqnum0/8000; y=freqnum1/8000; for(k=0;k<=255;k+) bufferk=(0.65

22、*sin(2*pi*y*k)+0.8*sin(2*pi*x*k)*16384; out_bufferk=bufferk; void delay(int period) int i, j; for(i=0; i<period; i+) for(j=0; j<period>>1; j+); DTMF信号的接收程序： #include <stdio.h>#include <math.h>#include "type.h"#include "board.h"#include "codec.h"#

23、include "mcbsp54.h"HANDLE hHandset;float buffer256; float pi=3.1415926; s16 test256; s16 dacdata; int k=0;void delay(int period);void detect();void main() int cnt=2; /*控制亮灯次数*/if(brd_init(100) return;/ blink the leds a couple timeswhile ( cnt- )brd_led_toggle(BRD_LED0);/brd_delay_msec(1000

24、); 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); /* DA

25、C 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); /* 8K

26、Hz sampling rate */ while(1) while (!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC) ; dacdata = *(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC);testk=dacdata;bufferk=dacdata/16384.0; k+;if(k=256) k=0; detect(); /delay(100); void detect() int i,j,x,y; float w8,a83,amp8; w0=2*cos(2*pi*18/205);w1=2*cos(2*pi*20/205);w2=2*cos(2*pi*

27、22/205);w3=2*cos(2*pi*24/205);w4=2*cos(2*pi*31/205);w5=2*cos(2*pi*34/205);w6=2*cos(2*pi*38/205);w7=2*cos(2*pi*42/205); for(i=0;i<8;i+)ai0=0;ai1=0;for(j=1;j<=205;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;/printf("The amplitude %d is %f.rn",

28、i,ampi);j=0;for(i=0;i<8;i+) if(ampi>3000) /门限设为3000 /printf("The amplitude %d is %f.rn",i,ampi);j+;if(j=1) /第一个达到门限要求的的频率点为行频附给xx=i; else if(j=2)y=i; /第二个达到门限要求的的频率点为列频附给yi=-1;/printf("The available amplitude is %d.rn ",j);if(j=2)if(x=0 && y=4) i=1; else if(x=0 &

29、;& 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 &&a

30、mp; y=7) printf("The DTMF signal is An");else if(x=1 && y=7) printf("The DTMF signal is Bn"); else if(x=2 && y=7) printf("The DTMF signal is Cn"); else if(x=3 && y=7) printf("The DTMF signal is Dn"); else if(x=3 && y=4) printf(&

31、quot;The DTMF signal is *n"); else if(x=3 && y=6) printf("The DTMF signal is #n"); if(i!=-1) printf("The DTMF signal is %d.rn ",i); /打印输出所收到的拨号void delay(int period) int i, j; for(i=0; i<period; i+) for(j=0; j<period>>1; j+); CMD程序（接口文件）-stack 400MEMORY P

32、AGE 0:VECS: origin=0080h,length=0080h /*中断向量表*/ PRAM: origin=0100h,length=3700h /*内部程序RAM*/ PAGE 1:SCRATCH: origin=0060h,length=0020h /*便笺式数据RAM*/ EXRAM: origin=3200h,length=4000h /*外部数据RAM*/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 >EXRAM PAGE 1 .trap >SCRATCH PAGE 1 .const >EXRAM PAGE 1 .data >EXRAM PAGE 1 .bss >EXRAM