基于双音多频dtmf接收与发射检测系统

摘要双音多频DTMF（DUALTONEMULTIFREQUENCY）信令，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DTMF也应用在交互式控制中，诸如语言菜单、电话银行等。将DTMF信令的产生与检测集成到任一含有数字信号处理器DSP的系统中是一项较有价值的工程应用。DTMF双音多频技术是DSP技术中的一种。DTMF信号是音频电话的拨号信号。由美国ATT贝尔实验室开发。这种拨号方法取代了脉冲拨号，每一个号码由两个音频信号组成，该双音频由按键所在的行和列对应的频率决定。电话中的双音多频信号有两种作用一是用于双音多频信号的拨号，去控制交换机接同被叫的用户电话机；二是利用双音多频信号控制电话机各种动作。这些功能的实现离不来DTMF信号的正确的产生和识别检测，专用数字处理信号芯片（DSP）的出现，使这个问题得到轻松的解决。本文给出一种实现方案，阐述DTMF信令的产生与检测的基本原理用两个二阶数字正弦振荡器产生DTMF信号，并通过GOERTZEL算法实现DTMF信号检测。关键词数字信号处理器DSP双音多频DTMF正弦波振荡器GOERTZEL算法ABSTRACTBECAUSEOFAHIGHERDIALINGRATE,DUALTONEMULTIFREQUENCYSIGNALINGHASGRADUALLYBEENUSEDWORLDWIDEINATOUCHTONETELEPHONEANDQUICKLYREPLACEDTHEDIALINGPULSESIGNALINGUSEDINTHETRADITIONALROTARYTELEPHONEDTMFISALSOUSEDININTERACTIVECONTROLRECENTYEARS,SUCHASLANGUAGEMENU,TELEPHONEBANKSINTEGRATINGTHEGENERATIONANDDETECTIONOFDTMFSIGNALINGINTOANYDIGITALSIGNALPROCESSORDSPSYSTEMISAMOREVALUABLEENGINEERINGAPPLICATIONDTMFTECHNOLOGYISAKINDOFDSPTECHNOLOGYTHEDTMFSIGNALMEANSTHEDIALINGSIGNALOFAUDIOTELEPHONEDEVELOPEDBYUSAATTBELLLABSTHISMETHODREPLACESPULSEDIALING,EACHNUMBERCOMPOSEDOFTWOAUDIOSIGNALSANDTHETONEMADEBYTHECORRESPONDINGFREQUENCYFROMTHEKEYPADROWANDCOLUMNTHEREARETWOEFFECTSONTHEPHONEDTMFSIGNALFIRSTISFORTHEDIALINGOFDUALTONEMULTIFREQUENCYSIGNALINGTOCONTROLTHESWITCHESCONNECTEDWITHTHECALLEDTELEPHONEUSERSECONDISUSINGDTMFSIGNALINGTOCONTROLTHEVARIOUSACTIONSOFTELEPHONEIMPLEMENTINGTHESEFEATURESCANTBEAPARTFROMTHEGENERATIONOFDTMFSIGNALSANDTHEIDENTIFICATIONOFCORRECTDETECTION,WHICHISEASILYSOLVEDAFTERTHEAPPEARANCEOFDEDICATEDDIGITALSIGNALPROCESSINGCHIPDSPTHISPAPERPRESENTSAREALIZATIONOFTHEPROGRAM,DESCRIBINGTHEBASICPRINCIPLEOFTHEGENERATIONANDDETECTIONOFDTMFSIGNALINGTHATISUSINGTWOSECONDORDERDIGITALSINUSOIDALOSCILLATORTOPRODUCEDTMFSIGNAL,ANDTHROUGHTHEGOERTZELALGORITHMFORDTMFSIGNALINGDETECTIONTHISPAPERISBASEDONDSPCHIPFIXEDPOINTTMS320C54XSERIESFROMTICOMPANYTOACHIEVEDTMFSIGNALINGDETECTIONTHEUSAGEOFDSPTECHNOLOGYNOTONLYINCREASESTHESYSTEMSFUNCTIONSANDFLEXIBILITY,BUTREDUCESTHECOSTSANDOVERCOMESTHESHORTCOMINGSOFTHEHARDWAREDETECTIONCIRCUITKEYWORDSDIGITALSIGNALPROCESSORDSPDTMFDUALTONEMULTI_FREQUENCYSINUSOIDALOSCILLATORGOERTZELALGORITHM目录1引言52DTMF简介521DTMF信号介绍522DTMF信号产生简介73GEROZTEL算法94TMS32C5402中DTMF信号产生与检测1041TMS32C5402的特点1042DTMF信号产生1243DTMF信号检测1544DTMF信号产生与检测程序总和185设计程序调试及仿真2751程序编写、工程构架、编译环境设置2752实验结果与仿真图像29结论31致谢32参考文献331引言电话中的双音多频信号（DTMF）有两种用途一是用于双音多频信号的拨号，去控制交换机接通被叫的用户话机；二是利用双音多频信号遥控电话机各种动作，如播放留言、语音信箱等，并可以通过附加一些电路来是实现遥控家电设备的开启关闭等智能功能。前者解决双音多频信号的发送和编码，后者是双音多频信号的接收和解码。这些东西都离不开DTMF信号的正确检测。目前，大多数的DTMF信号的检测均采用专用的发送、接收芯片，这种解码的原理都依赖于计算输入信号的过零率。但这种方法有很大的局限性，无法检测多路DTMF信号，当混有语音和噪声时，专用芯片检测往往出现误差，如果音频信号频率改变应用于别的系统时，专用的芯片就发挥不了作用。所以，用硬件实现DTMF信号的检测并不是一种很好的选择。信息化已经成为社会发展的大趋势，信息化是以数字化为背景的，而DSP技术则是数字化最重要的基本技术之一。在过去的短短的二十来年里，DSP处理器的性能得到很大改善，软件和开发工具也得到相应的发展，价格却大幅度地下降，从而得到越来越广泛的应用。通信领域（移动通信的交换设备、基站和手机，网络的路由和交换设备，智能天线，软件无线电，IP电话等），雷达和声纳系统，巡航导弹、灵巧炸弹及各种武器系统，自动测试系统，医疗诊断设备（CT、核磁共振、B超等），计算机及其外设，消费类电子设备（VCD、DVD、HDTV、机顶盒、MP3、家庭影院系统、数字照相机和摄象机等），机器人及各种自动控制系统，等等，应用范围不胜枚举。2DTMF简介21DTMF信号介绍双音多频DTMF（DUALTONEMULTIFREQUENCY）信令，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DTMF也应用在交互式控制中，诸如语言菜单、语言邮件、电话银行和ATM终端等。由于DTMF在传统通信领域中的广泛使用，所以在VOIP中，DTMF仍是发挥着重要的作用。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。产生DTMF信号，就是利用两个不同频率的正弦波叠加以后形成的波形，解码时则采用改进的GOERTZEL算法，从频域搜索两个正弦波的存在。DTMF信令由8个频率组成,其中4个行频、4个列频。每个按键唯一地由一组行频和列频组成,如图A1所示图A1电话机按键频率阵列其中12个按键是我们比较熟悉的按键,另外由第4列确定的按键作为保留,为今后他用。上述标准频率的选定不是任选的，而是设计时考虑了拨号音、忙音及交流电源的杂音，这些杂音均不在上述DTMF信号的范围内。同时为了避免标准率之间的谐波干扰出现，故所列最高标准频率小于最低标准频率的三次谐波频率。音频组合信号发送方式有并列发送、串列发送及串并发送。（1）并列发送并列发送是同时发送几个频率。其特点是呼叫所需时间短，但每个频率的调制小（因为总调制量平均分给了各个频率），因此在接收信噪比受到一定影响，同1时信号之间可能会产生互调，因而造成误码。所以不宜采用三个以上的频率并列发送，一般均采用双频并列发送，且选用标准频率避开谐波的影响。（2）串列发送串列发送是将组合的频率串行逐一发送，其特点是可以得到最大调制度（因为每个时刻只发送其中一个频率信号），则接收端的信噪比比并行高，故误码率、抗干扰能强，只发一个音频F，故不会产生互调失真。同时由于是串行发送，同样多的频率的排列组合数比并列的多，因此编码容量大。另外，由于串行发送呼叫时间长。（3）串、并组合发送将并列、串列发送组合起来，这样它就吸收了并、串列发送各自的长处，弥补了各自的不足。优点是编码容量大，且呼叫时间有不长。但在串、并列组合时要特别注意的是合理选择所使用的音频频率，有效减少二次谐波所产生的寄生干扰，以减少误码。DTMF编解码算法在产生编码时将按键信号转换成对应音频信号并发送出去,解码时对收到的音频信号进行检测分析有效频率组合的存在性,并将其转换成对应的按键或数字信息。电话中的双音多频信号（DTMF）有两种作用一是用于双音多频信号的拨号，去控制交换机接通被叫的用户电话机；二是利用双音多频信号控制电话各种动作。22DTMF信号产生简介DTMF双音多频信号由图A2所示的两个二阶数字正弦振荡器产生，一个用来产生行音频信号，另一个用来产生列音频信号。图A2中包括了两个二次谐波数字振荡器。I该模型的系统函数为E1011122的2阶系统，该系统具有2个在单位圆上的复共轭极点。其中B0ASIN0，A12COS0,A21对应的极点分别为P1、2EJ0其单位脉冲应为HNSINN1UNE2系统差分方程为YNA1YN1A2YN2B0N,E3其初始条件为Y1Y20。为应用方便可以通过选取初值而避免将一个脉冲作为输出条件。我们取Y10Y2ASIN0,其中02F0/FS,F0为所需产生的频率，FS为采样频率，根据NYQUIST采样定理对于最高频率不高于4KHZ的信号都可以完整地恢复。通过对初值的修改，得到图A2的振荡器模型。其系统差分方程为YNA1YN1A2YN2E4，其中A12COS0A21。初值条件Y10；Y2ASIN0,A为输出正弦波的幅度。根据CCITT规定,DTMF信令每秒最多10个数字,也就是周期为100MS,其中DTMF信号的持续时间不少于45MS,不大于55MS其余时间为静音信号,用以区别两个DTMF数字信号。本设计输出DTMF持续时间为50MS（45MS,55MS）,根据最高频率确定400个采样点。23GOERTZEL算法GOERTZEL算法利用了相位因子WNK的周期性，允许我们将DFT的计算表示为线性滤波运算，因WNKN1,我们可以利用该因子乘上DFT，于是，可得E51100KKMKNMXXWX注意式（E5）为卷积形式，的确，如果我们定义序列YKN为（E6）10NKNMKMNX很清楚，YKN是长度为N的有限时宽输入序列XN与滤波器的卷积，并且滤波器的冲激响应为E7）当NN时，该滤波器的输出为DFT在频率WK2K/N处的值，亦即（E8）|如同将（E5）与式（E6）相比较就可验证一样。冲激响应为HKN的滤波器，他的系数函数可表示为（E9）1KKNHZWZ该滤波器在单位圆上的频率WK2K/N处有一个极点。因此，通过将输入的数据组输入到N个单极点并行滤波器（谐振器）组就可计算整个N点DFT，其中，每一滤波器在响应的DFT频率上有一个极点。我们可以利用对应于式（E9）给定的滤波器的差分方程来递推计算YKN,而不是按式（E5）通过卷积来实现DFT的计算，因此我们有YKNWNKYKN1XNE10初始条件YK10所期望的输出是XKYKN,其中K0,1,，N1，为了完成这一计算，我们可以一次计算并储存相位因子WNK。通过将具有复共轭极点的谐波器结合成对，就可以避开式E10所固有的复数乘法和加法，这就产生了具有两个极点的的滤波器，其系统函数为E111212COS/KNKWZHZ该系统的直接型实现如图A5所示图A5用于计算DFT的两极点谐振器的直接型实现该系统可以用差分方程描述为E2COS/12KKKVNNVNXN12E13KKKNYW初始条件为。120KV对N0,1,N，式E12中的递推关系可迭代进行。但式E13中的程序仅当NN时计算一次，每迭代需要一次实数乘法和两次加法。因此，对实输入序列XN，该算法通过N1次实数乘法不仅得到XK，而且由于对称性也得到XNK的值。当值M相对较小时，比如，GOERTZEL算法特别有吸引力，在其他2LOGMN情况下，FFT算法更为有效。4TMS320C5402中实现DTMF信号的产生与检测41TMS320C5402的特点TMS320C54X（简称C54X）是TI公司于1996年推出的新一代定点数字信号处理器。C54X具有功耗小、高度并行等有点，可以满足电信等众多领域实时处理的要求。TMS320C54X的主要特性如下所示1、CPU先进的多总线结构（1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线）40位算术逻辑运算单位（ALU），包括一个40位桶形移位寄存器和两个独立的40位累加器。17位17位并行乘法器与40位专用加法器相连，用于非流水线式单周期乘法累加器MAC运算。比较、选择、存储单元（CSSU）用于VITERBI操作的假发/比较选择。指数编码器可以在单个周期内计算40位累加器中数值的指数。双地址生成器包括8个辅助寄存器和两个辅助寄存器算数运算单元（ARAU）。2、存储器64K字程序存储器、64K字数据存储器以及64K字I/O空间。3、指数系统单指令重复和块指令重复操作。块存储器传送指令。32位长操作数指令。同时突入两个或3个操作数的指令。并行存储和并行加载的算数指令。条件存储指令。从中断快速返回指令。4、在片外围电路软件可编程等待状态发生器。可编程分区转换逻辑电路。带有内部振荡器或用外部时钟源的片内锁相环PLL时钟发生器。外部总线关断控制，以断开外部的数据总线、地址总线和控制信号。数据总线具有总线保持器特性。可编程定时器。42DTMF信号产生开始任务判决任务标志0静音任务持续时间完毕持续时间完毕双音任务持续时间变量复位切换任务标志1装入下一个数字初始化新数字的振荡器系数与初始条件持续时间变量减1产生静音样本返回持续时间变量减1持续时间变量复位切换任务标志0产生双音样本图DTMF信号编码流程图首先进行任务判决，判断任务标志是否为零，如果是零则进行静音任务。程序设计如下FORJ0J127BREAK/将DATAI输出到D/A/WHILEMCBSP_XRDYHANDSET_CODEC/WRITESAMPLETOHANDSETCODEC/VOLATILEU16DXR1_ADDRHANDSET_CODECDATAITIMERTIMER1当进行任务判决时，如果任务标志不是零则进行双音任务。设计程序如下WHILETASK1BUF10Y1BUF20Y2BUF11AY12BUF21BY22DATA0BUF10/2BUF20/2DATA1BUF11/2BUF21/2FORI2I127BREAK/将DACDATAI输出到D/A/WHILEMCBSP_XRDYHANDSET_CODEC/WRITESAMPLETOHANDSETCODEC/VOLATILEU16DXR1_ADDRHANDSET_CODECDATAITIMERTIMER1当持续时间完毕时，持续时间变量复位，然后切换任务标志为0，然后返回。WHILETIMER0TASK0TIMER4543DTMF信号检测开始采样对8个行频列频分别计算2COS/12KKKVNNVNXN对8个行频列频分别计算间变量清零幅度峰值大于门限无二次谐波直接检测到数字采样I0WHILE1IFI127BREAK/采到128个样点后跳出采样/WAITFORSAMPLEFROMHANDEST/WHILEMCBSP_RRDYHANDEST_CODEC/READSAMPLEFROMANDWRITEBACKTOHANDSETCODEC/DATAIVOLATILEU16DRR1_ADDRHANDSET_CODEC/采样128个样点/对八个频谱分别计算02COS212程序设计FORJ0J3500Z1AK23500Z3AK4INCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEVOIDDELAYS16PERIODCHARTESTVOIDFLOATFIND1CHARNFLOATFIND2CHARNINTFIND3CHARNINTFIND4CHARNHANDLEHHANDSETFLOATD0708538689,08226405,07843439,07391022,0582052,0498185,03993091INTD174264,4658,5082,5518,6661,7103,7510CHARC431,2,3,4,5,6,7,8,9,0,INTA14SIGNEDSHORTDATA1128SIGNEDSHORTDATA128VOIDMAINFLOATA,BINTBUF1128,BUF2128INTI,J,TASK,TIMER,Y1,Y2,CNTCHARN1,NCHARM121,2,3,4,5,6,7,8,9,0,；CNT2TIMER45TASK0IFBRD_INIT100/初始化DSK板/RETURNWHILECNTBRD_LED_TOGGLEBRD_LED0/BRD_DELAY_MSEC1000/DELAY1000BRD_LED_TOGGLEBRD_LED1/BRD_DELAY_MSEC1000/DELAY1000BRD_LED_TOGGLEBRD_LED2/BRD_DELAY_MSEC1000/DELAY1000HHANDSETCODEC_OPENHANDSET_CODEC/ACQUIREHANDLETOCODEC/CODEC_DAC_MODEHHANDSET,CODEC_DAC_15BIT/DACIN15BITMODE/CODEC_ADC_MODEHHANDSET,CODEC_ADC_15BIT/ADCIN15BITMODE/CODEC_AIN_GAINHHANDSET,CODEC_AIN_6DB/6DBGAINONANALOGINPUTTOADC/CODEC_AOUT_GAINHHANDSET,CODEC_AOUT_MINUS_12DB/12DBGAINONANALOGOUTPUTFROMDAC/CODEC_SAMPLE_RATEHHANDSET,SR_8000/16KHZSAMPLINGRATE/FORJ0J127BREAK/将DATAI输出到D/A/WHILEMCBSP_XRDYHANDSET_CODEC/WRITESAMPLETOHANDSETCODEC/VOLATILEU16DXR1_ADDRHANDSET_CODECDATAITIMERTIMER1WHILETIMER0TASK1AFIND1N/寻找产生DTMF的初始条件/BFIND2N/寻找产生DTMF的初始条件/Y1FIND3N/寻找产生DTMF的初始条件/Y2FIND4N/寻找产生DTMF的初始条件/TIMER45/恢复初值/WHILETASK1BUF10Y1BUF20Y2BUF11AY12BUF21BY22DATA0BUF10/2BUF20/2DATA1BUF11/2BUF21/2FORI2I1JCHARTESTVOIDINTI,J,M,N,K1,K2,K3,K4,Z4CHARN1FLOATD1408538