DTMF信的产生与检测实验报告修订版

IBMTstandardizationoffice【IBMT5AB-IBMT08-IBMT2C-ZZT18】DSP课程设计实验报告1DTMF测指导老师：申艳老师Multie时间：2014年7月18日信号是在按键式电话机上得到广泛一个DTMF信号由两个频率的音频信号叠加构成。这两个音频信号的的频率组：行频组和列频组。每组分别包括4个频率，据CCITT的频率为697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477HzHz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ABCD示。掌握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SDSPDTMF功能。改进DTMF信号的规定指标，使每秒内可传送的DTMF编码加倍。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实验自收，基本能实现无差错传输。通过改变处理信号的点数N的数值实现DTMF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2.1DTMF信号的的定义VLt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)CCITT697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477HzHz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6种组合形式,让其代表数字和功率,如表3-V(t)=AsinoHt+BsinoLt其中AsinoHt为低频群的值,BsinoLtAB频群样值的量化基线，具体见表2-1。123A456B789C*0#DDTMF其对应的键值2.2DTMF信号生成方法mathh学方法产生DTMF信号(式2-bufferksin2*pi*k*f0/fs)+sin(2*pi*k(式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)弦波振荡器，一个用于产生行频，一个用于产生列频。向DSP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8000HzNyquist条件。由数字振荡器对的框图，可以得到该二阶系统函(式2-2)MF送/个数字100ms。代表数字的音频信号必须持续至少45ms，但ms0msT，其一是音频信号任务(音频信号任务或静音任务)，都必须复位决定其持续时间的定时器变量。在静音任务结的行频和列频信号，并根据不同频率确定其初始化参数a1=-cosyAsin。该流程图可采用C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2.3DTMF信号的检测方法DTMF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测法、信号峰值位置检测法、过零点位置及信号幅值简单，可以通过MT8880等芯片加上外围电路实现，易于集成化。缺比要求高。现在广泛应用于一般的脉冲拨号电话机。通过神经网络、能量判断两类。频率判断主要通过滤波器提取DTMF相应波器，应用方式可以有并联DTMF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(DiscreteFourierrierTransformGoertzel设计方案、算法原理说明3.1Goertzel算法原理Goertzel将两个音频信号提取出来，并通过他们的频率，确定所接受的DT零点计数完成对输入信号的频率检测。在数字信号检测电路中，一般使用频域计算技替时域信号处理。我们可以直接通过付立叶变换，直接得到输入的信号频率。信号各率分量的幅值直接计算可以使用DFT。对于N点数据序列{x(n)}的DFT为:N-1N-1n=0如果用FFT算法来实现DFT计算，计算将涉及复数乘法和加法，并且计算量为Nlog2N。虽然我们可以得到DFT的所有N个值，然而，如果希望计算DFT的M个点，并且M<log2NDFT则更加有效。下面我们用到Goertzel法，是一种直接计算DFTGoertzel说，是计算DFT的一种线性滤波算法，它可以通过调整滤波的周期性。我们可以同时将DFT运算表示为线性滤波运算，由于WkN该因子对公式(4)(DFT表达式)两边相乘，得到:n=0m=0列YK(n)为:m=0 与具有如下单位脉冲响应的滤波器的卷积:可以看到，当n=N时，该滤波器的输出就是DFT在频点ok=k值即 我们可以通过比较式(6)和式(7)来验证上式。对于单位脉冲响应为hk(n)的滤波器来说，其系统函数为:Hkz(式3-6)这个滤波器只有一个位于单位圆上的极点，其频率为oK=kN算全部的DFTFT示用式(9)给出的滤波 数乘法，计算量大。由于我们只需要计算幅值信息，而不关心圆上另外引入一个极点，与原有的极点形成一对共扼极点。将两个轭极点的谐振器。原有的单极点滤波器计算方式变成形如式(10)的方式。其系统函数为:cosz上式中:W=ej2"k/N复杂的复数加法和复数显然，对式(10)无法进行直接计算。为了便于计算实现，我们引入中间变量Qk(n):2"kN其中，Wk=e-NN (式3-9)(式3-10)3.2Goertzel算法改进与实现Goertzel傅立叶变换的方法，需要计算的频率点数不超过21092NGoertzel法将比FFT(FastFourier出改进Goertzel算法的模拟框图，如图3-1所示Q(n)z-1++-WK-N)-WK-N)z-1Q(n-2)图2中可看到，整个计算过程分为两部分:前向通路式(11)和反馈通路式(12)。显然系计算需要重复N=1,?，N重复N+1次，但是式(12)中的反向计算只nN计算只需要计算一次实数乘法和两次实数加法。所以，对实kNGoertzel现DTMF解码器了。由于有8种可能的音频信号需我们并不需要相位信息，只需要幅值信息|X(k)|器计算的前向部分的简化表达方式，即滤波表达式的分子项部分:3.3改进Goertzel算法原理小结DFT的改进计算过程总结写为:yk(N)2=A2+B2-ABcoefk(式3-2)可以看到，由于上面两式中:运算。等式右边全部是实数运算，大大提高了4实际实现中误差分析简单地说，在实际的DSP实现中将使用(4)式和(6)式来得到DTMF信号的频谱信息，(4)式实际就是一个递归线性滤波器的表达式，它在n=0…N之间进行循环。每N个样点对公式(6)进行了一次计算。在这个算法中，DTMF频率(fi)变换成了离散傅立叶系数(k),它们之间存在如下关fikfs=N,K值，得到相应的DTMF频率(fi)上的能量幅值。但是，由于k和N是整数，有可能不能取到合适的DTMF频率(fi)。实际上，计算时如FFT长N将被限定为2得n次方，每次计算可以同时得到N/2个频率点的DFTGoertzel法来说，对于N长度的算法，其可以分辨的最高频率为采输出序列为在一定的限制。式(4-12)给出了Goertzel算法的频率分辨率。对于不是正好在输出序列计算点上的信号频率，N出Nk选择不同，计算的误差会有很大不同。缩小N值，将显着减少计算量，所以N值用105字长或205字长完成Goertzel算法完成检测的，由此我们提出这FGoertzel波器的中心频率。通过改变N值，计算出我们感兴趣的对应一组k值，即完成DTMF频率检测。但是，由式(14)可知k取整数，计算中心频率的位置DTMF生一定的舍入误差。我们将Goertzel算法中的中心频率与实际DTMFD可以计算出D的最大值为DTMF计算的信号窗口的边缘”。当N值取较大值时，同时采elN时对应不同的DTMF频率，取相应的k值，通过Goertzel算法，得到相应的ITU建议的满足性。以下讨论在满足ITU要求的情况下，寻找的N值的过程比，因此，可以通过计算点数的误差百分比来估GoertzelN求宽度存在一定的范围之内，同时也和计算窗口中心频率有关elNNfsHz770Hz信号的完成检测，频域分辨率为8000/125=64Hz,ITU规定的对于频率误信号拒识，即对于770Hz信号为中心，宽度为743.05到769.95。39.0Hz的频优据k=NGoertzelk随机和离N同的fi舍入误差是不同的，因此造成的频率的偏移也是不同的。由N125时，不同的频率k值的舍入误差，表3-2列出了当N=205时，不同的频率k值的舍入误差.信号频率(Hz)k相对偏差(%)N5时不同的频率值k的舍入误差信号频率(Hz)k相对偏差(%)N5时不同的频率值k的舍入误差兼顾每个频率，每个频率k舍入误差都比较小，或者尽可能的都取“舍”或者都取“入”较对于每一个k值，需要4N次实数乘法及4N-2)次实数加法，因此，采用直接法计算的计算复杂度为O(N2)。Goertzel入的X(n),Wk,是复数，每计算一个新输出Y值需要做四。由于我们只需要幅值信息，对于相位信息可以忽略，通过变换得到幅值信息。因此，共需要N+l次实数乘法，计算复杂度为O(NM)。，对于每次成功完成DTMF信号解码的时间估计十分重要。通过对计，我们可以得到其处理性能，通过对处理性能评价，就可以预计单承载的最大信道个数。在这里，定义DTMF解码器成功完成两个DTMF信号解码之间所耗费的时间可以这样估算:每处理一个采样样本的时间间隔允许的最大值为:sfsfsN每一个需要检测的频率，都必须进NN)次加法。检测8个DTMF频率需要的总共的计算量为:(8N+算法流程图始化程序**********************初始化**********************************//InitializeCSLlibrary-ThisisREQUIRED!!!CSLinitThemainfrequencyofsystemis240MHz设置IIC模块的需要设置的,为了使用I2C_setup函数PLLsetFreq1,0xC,0,1,3,3,0);fConfigOpenMcBSPportandgetaMcBSPtypehandlehMcbspMCBSPopenMCBSPPORT,MCBSP_OPEN_RESET);ConfigMcBSPport1byusepreviouslydefinedstructureMcbspConfighMcbsp);ODEC二极管闪烁程序************程序正常执行：二极管闪烁两次***********************while(cnt--){asmBCLRXF//;ClearXFasmBSETXF//;SetXF}5.3DTMF信号产生,发送与接收***************DTMF信号产生,发送，接收*************************riii{irowfreqicos(2*pi*f0/fs);rowfreqisin(2*pi*f0/fs);}riii{i低频数据高频数据columnfreqicospiffs;columnfreqisinpiffs;}k字正弦振荡器，产生DTMF信号{xrowfreqkxnrowfreqk][1];ycolumnfreqkyncolumnfreqk1];xn1=0;yn0;orjjj，设产生信号的持续时间为50ms，所以j为200。{xn*ax1*x_n_1-x_n_2;ynay*y_n_1-y_n_2;x_n_2=x_n_1;ny_n_2=y_n_1;in//gain(可变)改变产生信号的幅度，使之在一定范围内可调，while(!MCBSP_xrdy(hMcbsp)){};MCBSPwrite6(hMcbsp,dtmf[j]);前二百个点为双音信号采样值while(!MCBSP_xrdy(hMcbsp)){};MCBSPwrite6(hMcbsp,dtmf[j]);前二百个点为双音信号采样值while!MCBSP_rrdy(hMcbsp)){};MCBSPreadhMcbspwhile!MCBSP_rrdy(hMcbsp)){};MCBSPreadhMcbsp}orjjj设产生信号的持续时间为50ms，所以j为200。{//后二百个点为0(即静音信号)。while(!MCBSP_xrdy(hMcbsp)){};MCBSPwrite6(hMcbsp,0);while(!MCBSP_xrdy(hMcbsp)){};MCBSPwrite6(hMcbsp,0);while!MCBSP_rrdy(hMcbsp)){};mfrjMCBSPreadhMcbspwhile!MCBSP_rrdy(hMcbsp)){};mfrjMCBSPreadhMcbsp}测与显示循环发送}时子程序*************************延时子程序******************************delayintperiod{foriiperiodi++){forjjperiodj++);}}5.5接收信号判决检测与显示子程序****************接收信号判决检测与显示子程序*********************detect{w0]=2*cos(2*pi*K[0]/N);GoertzelDTMT号w1]=2*cos(2*pi*K[1]/N);w2]=2*cos(2*pi*K[2]/N);w3]=2*cos(2*pi*K[3]/N);w4]=2*cos(2*pi*K[4]/N);w5]=2*cos(2*pi*K[5]/N);w6]=2*cos(2*pi*K[6]/N);w7]=2*cos(2*pi*K[7]/N);foriiii个频率点。{bbi0;bbi0;jNj{bbiw[i]*bb[i][1]-bbidtmfr[j+50]/8192.0;//DFT在8个频率点的值bbibbibb[i][2];}resultibbi*bb[i][1]+bb[i][0]*bb[i][0]-wi]*bb[i][1]*bb[i][0];//每一段的8个频率点的幅度平方值}iii{result检测,与域值比较，当超过域值时，判断此频率点上信号存在{printfdtmfdf\r\n",i,result[i]);x{}jy{}}}率点的幅度平方值自适应更新域值{xy则表示低频为697Hz,高频为1209Hz{应的数为"1"}eifXYxy则表示低频为697Hz,高频为1336Hz{应的数为"2"}seifXY{}seifXY{}seifXY{}seifXY{}seifXY{}seifXY{}seifXY{}seifXY{}seifXY{}seifXY{}seifXY{}seifXY{}seifXY{}seifXY{}}况，则输出检测的信号{printfTheDTMFsignalis\"%c\".\r\n",ch);}足，则输出错误信息提示{printfThenumberinputtediniswrong!\n");}}.6自适应域值更新子程序***********************自适应域值更新子程序**********************hreshold{ccc率点的幅度平方值，便于自适应域值更新处理{}bbb第二大频点的幅度平方值{baa{{}}}threshthreshlinshi[1]*0.5);//自适应更新域值(原域值30%+0.7倍第二大频点的幅度平方值70%)}6程序设计、调试与结果分析调试过程CSSetupCC运行CCS设置程序。单击ImportConfigurationClear先定义的设置。从AvailableConfigurationsC02SEEDXDS510PLUSEmulator,单击Import,单击save、加载与程序运行Efilenewsourceccmd写完成后保存，然后从project—addfilestoproject添加c程序和cmd文件，库文件,头文件可以通过扫描相关性(ScanAllDependencies)自动加入到工程中。头文件路径可以通过project中buildoptionscompilerprocesses环境如下图所示:图6-6添加头文件(使用浏览文件相关性选项)图6-8设置数据大小端模式(大端模式)选择Project/RebuildAll或单击(RebuildAll单条按钮，CCS重新进行编辑、汇编、连接工程里的所有文件。选择File/LoadogramDTMFDisassemblyDebug/GoMain，从主程序开始执行。最后单击Debug－Run(或按F5键)运行程序。.2实验结果及图像台电脑循环产生0——ABCD另一台电脑上会循环显示检测到的DTMF信号，即循环显示0——BCDCCSGraph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)检测端的时域图形参数设置及显示结果如下所示：图4-17检测缓存区图形参数设置(时域及频域)虚拟仪器显示到的问题及解决方法【问题一】：在菜单栏中选中Project-BuildOptions-Compiler-preprocessor-Includeh【问题二】ugmap