DTMF信号的产生与检测

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DSP课程设计试验报告

DTMF信号的产生与检测

指导老师：申艳老师时间：2023年7月18日

DTMF信号的产生与检测

1设计任务书

双音多频DTMF（DualToneMultiFrequency）信号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，据CCITT的建议，国际上采用的这些频率为697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz等8种。在每组频率中分别抽出一个频率进行组合就可以组成16种DTMF编码，从而代表16种不同的数字或功能键，分别记作0~9、*、#、A、B、C、D。如下图所示。

图1-1双音多频信号编码示意图

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，从频域探寻两个正弦波的存在。

1.1试验目的

把握DTMF信号的产生和检测的DSP设计可使学生更加透彻的理解和应用奈奎斯特采样定理，与实际应用相结合，提高学生系统地思考问题和解决实际问题的能力。通过对DSP信号处理器及D/A和A/D转换器的编程，可以培养学生C语言编程能力以及使用DSP硬件平台实现数字信号处理算法的能力。

1.2技术指标及设计要求

1.2.1基本部分

1)使用C语言编写DSP下DTMF信号的产生程序，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DSP下DTMF信号的检测程序，检测到的DTMF编码在CCS调试窗口中显示，要求既不能漏检，也不能重复检出。

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3)DTMF信号的发送与接收分别使用不同的试验板完成。

1.2.2发挥部分

1)使用一个DSP工程同时实现DTMF信号的发送和检测功能。

2)改进DTMF信号的规定指标，使每秒内可传送的DTMF编码加倍。

3)发送的DTMF信号的幅度在一定范围内可调，此时仍能完成DTMF信号的正常检测。

1.3方案完成状况

在实现基本要求的基础上，我们又完成了发挥部分的全部要求：能够实现在一个DSP试验箱上同时实现自发自收，基本能实现无过错传输。通过改变处理信号的点数N的数值实现了DTMF信号编码加倍，能够在一秒内传送够多的数据。通过gel添加滑动条的方法实现输入信号幅度可调，并实现判决门限的自适应处理，能随着幅度的变化自动调整门限的值，进而了判决传输信号的正确性。

2设计内容

2.1DTMF信号的的定义

双音多频(DTMF)信号是由两个不同频率的信号叠加而成,设V(t)为DTMF信号、VH?t?和VL?t?分别为构成V(t)的两个信号,则它们应满足关系式(1)。

V(t)=VH?t?+VL?t?

(1)

根据CCITT建议,国际上采用697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz、1633Hz8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,如表3-1所列,则有关系式(2)。

V(t)=Asin?Ht+Bsin?Lt

(2)

其中Asin?Ht为低频群的值,Bsin?Lt为高频组的值,A、B分别为低频群和高频群样值的量化基线，具体见表2-1。

fLfH6977701209141336251477361633AB

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8529417*80表2-1DTMF频率及其对应的键值

9#CD2.2DTMF信号生成方法

2.2.1利用math.h采用数学方法产生DTMF信号

buffer[k]=sin(2*pi*k*f0/fs)+sin(2*pi*k*f1/fs)（式2-1）

f0为行频频率，f1为列频频率，fs为8000采样频率，k为对信号的采样。

2.2.2利用两个二阶数字正弦波振荡器产生DTMF信号（本课程设计实际采用方法）

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。由数字振荡器对的框图，可以得到该二阶系统函数的差分方程

（式2-2）

其中a1=-2cosω0，a2=1，ω0=2πf0/fs，fs为采样频率，f0为输出正弦波的频率，A为输出正弦波的幅度。该式初值为y(-1)=0，y(-2)=-Asinω0。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需持续至少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。编程的流程如图1所示，由CCITT的规定，数字之间必需有适当长度的静音，因此编码器有两个任务，其一是音频信号任务，产生双音样本，其二是静音任务，产生静音样本。每个任务终止后，启动下一个任务前（音频信号任务或静音任务），都必需复位决定其持续时间的定时器变量。在静音任务终止后，DSP从数字缓存中调出下一个数字,判决该数字信号所对应的行频和列频信号，并根据不同频率确定其初始化参数a1=-2cosω0与y(-2)=-Asinω0。该流程图可采用C语言实现，双音信号的产生则由54x汇编代码实现。整个程序作为C54x的多通道缓冲串口（McBsp）的发射串口中断服务子程序，由外部送入的16000Hz串口时钟

触发中断，可实时处理并通过D/A转换器输出DTMF信令信号。

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图2-1DTMF编码流程

2.3DTMF信号的检测方法

DTMF信号的检测方法可以有多种。主要分为从信号时间域处理和从信号频率域处理两大类。

前一种方法包括：过零点位置检测法、信号峰值位置检测法、过零点位置及信号幅值检测法。其特点是实现简单，可以通过MT8880等芯片加上外围电路实现，易于集成化。缺点是易受干扰，对信噪比要求高。现在广泛应用于一般的脉冲拨号电话机。通过神经网络等辅助判别方法可以大大提高信号的识别率。

后一种方法包括：频率判断、能量判断两类。频率判断主要通过滤波器提取DTMF相应的频率信号进行比较判断，滤波器可以用窄带、低通、高通滤波器，应用方式可以有并联、级联、混合联接等方式。能量判断是直接对DTMF信号相应的能量进行计算，找出高、低频率群中最强的信号，进行判断，包括有DFT法（DiscreteFourierTransform）、FFT(FastFourierTransform)、Goertzel法等。

本次试验我们采用的是能量判断法，并采用了Goertzel算法。

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图6-11程序编译成功

图6-12将程序下载到试验箱

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图6-13程序运行

图6-13开启gel文件滚动条

6.2试验结果及图像

本次试验中，我们通过一台电脑循环产生0——9、A、B、C、D、*、#，在另一台电脑上会循环显示检测到的DTMF信号，即循环显示0——9、A、B、C、D、*、#。下面我们从时域和频域两个角度观测一下检测信号的波形：

6.2.1使用CCS中Graph显示

发送端的时域图形参数设置及显示结果如下所示：

图6-14发送缓存区图形参数设置（时域及频域）

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图6-15发送缓存区时域图形显示

图6-16发送缓存区波形频谱显示

检测端的时域图形参数设置及显示结果如下所示：

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