DSP_DTMF信号的产生于检测

1、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 设计人员：李俊青 07214068 尹征 07212081 成绩：工程设计50报告20答辩30总分评语：指导教师签字： 日期：北京交通大学电工电子教学基地2009年1月18日目 录一、设计任务书1二、设计内容5三、设计方案、算法原理说明10四、程序设计、调试与结果分析15 五、设计（安装）与调试的体会25 六、参考文献26DTMF信号的产生及检测一、 设计任务：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

2、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。设计要求及目标基本部分：（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

3、上显示。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。二、设计内容本实验用C语言编写程序,用软件CCS5000编程实现，并用两块TMS320C52X的DSP板连接实现DTMF信号的发生和检测。三、设计方案及算法原理说明1、DTMF（双音多频）信号简介双音多频DTMF(Dual Tone MultiFrequency)信令是音频电话的拨号信号。由美国AT&T贝尔实验室开发。这种拨号方法取代了脉冲拨号，DTMF编解码器在编码时将击键或数字信息转换成双音信号(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

4、决定)并发送，解码时在收到的DTMF信号中检测击键或数字信息的存在性。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机各种动作，如播放留言、语言信箱等这些功能的实现离不开DTMF信号的正确产生和检测,而本实验所要实现的就是使用TMS320C52X来制作DTMF发生器和检测器。频率1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123A770Hz456B852Hz789C941Hz*0#D图1 击键相应的DTMF信息2、发送部分原理DTMF编码器基于两个二阶数字正弦波振荡器(如图2)，一个用于产生行

5、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，我们们在实验中所选取的频率(如图(1)所示)最大频率为1633HZ,为满足抽样不失真的条件,选取8000Hz作为采样频率。AA-1-1DTMF 输出 +列频率行频率Z(-1)Z(-1)Z(-1)Z(-1)图2 DTMF发生算法原理框图由上图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为：y(n)=-a1y(n-1)-a2y(n-2)其中al=-2cos0，a2=1，0=2*f0fS，fS为采样频率,0为归一化数字频率.f0为输出正弦波的频率

6、，A为输出正弦波的幅度。该式初值为y(-1)=0，y(-2)=-Asin(0)，其中需要根据不同频率确定其初始化参数a1=-2cos0与y(-2)=-Asin0。下面以770Hz为例，详细说明方程中系数的计算方法：f/fs=770/8000，0 =2*pi*f/fs cos，0 =0.8226，sin0=-0.5686。f/HZa1Y(-1)Y(-2)/A6970.853820-0.520477700.822630-0.568578520.784330-0.620339410.739110-0.6735812090.582060-0.8131413360.498200-0.8670614470

7、.399320-0.9168016330.284240-0.95874图3 DTMF系数表为分辨出发送数字，数字之间必须有适当长度的静音，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。每个任务结束后，启动下一个任务前(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。在静音任务结束后，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=-2cos0 与y(-2)=-Asin0。另外,需要注意的是,由于本实验需要用到DSK板上的CODEC模块,因此在编写的程序中还需要写入ADDA转换部分

8、。程序流程图开始 DSK板初始化流水灯亮两次初始化CODEC发送静音信号循环取出0#，并查表得到行频和列频计算256点样点值将样点数转换为Q15的数据格式如果D/A转换器准备好发送数据，则将双音频样点值写到D/A转换器DTMF样点发送完否送完否Y用C语言编写实现该流程。由该图可知，编程时需要完成两个任务，即双音任务和静音任务。双音任务的作用是产生双音频采样值，静音任务的作用是产生静态采样值。经过一段时间后，两个任务需要进行互换。整个程序与接收中断服务同步。当程序结束或暂停时，接收端同时停止工作。3、接收部分原理DTMF信号包含两组音频信号，解码器的任务是通过数学变换把它从时域转换到频域，然后得

9、出对应的数字信息由于DSP芯片处理的是数字信号，所以必须把输入信号数字化，再用DSP芯片进行处理频率检测时，检测出DTMF信号的基波及二次谐波，DTMF信号只在基波上有较高能量，而话音信号则在基波上叠加有较强的二次谐波，检测二次谐波的作用是用来区分DTMF信号与语言和音乐信号,其中信号基波与二次谐波在N=205时系数如图5。1st Harmonics(N=205) fs=8ksps2nd Harmonics(N=205) fs =8kspskfrequency(k/N)fs/Hzcoefficientcos(2pi k/N)kfrequency(k/N)fs/Hzcoefficientcos(

10、2pi k/N)187020.851623513930.45886207800.817933915520.34445228580.781154317110.22470249360.741424718710.101413112100.58157612428-0.329743413260.50442672667-0.500003814830.39505742945-0.676064216390.27972823264-0.83740 图5 N=205时,基波与二次谐波对应系数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。（1）Goertzel

11、算法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信号只用关心其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)。Goertzel算法实质是一个两极点的IIR滤波器，离散傅立叶变换值，快速有效的提取输入信号的频谱信息,如图6。yk(n)vk(-1)= vk(-2)=0x(n)x(N)=0-12cos(2k/N)-e(-j*2k/N)ZZ+vk(n)图6 Goertzel算法原理框图如图可知，DFT计算可以等价为：Vk(

12、n)=x(n)+2cos(2k/N)Vk(n-1)-Vk(n-2), 0nN x(k)=yk(N)=Vk(N)-e-j2k/NVk(N-1) 由于在DTMF检测中，输入的信号是实数序列，并不需要检测出8个行频列频的相位，只需要计算出其幅度平方即可。对于实序列x(n)，Goertzel算法所需的内部变量Vk(n)也为实数。因此计算/X(k)/2如下：|x(k)|2=|yk(N)|2=Vk2(n)+Vk2(n-1)-2cos(2k/N)Vk(N)Vk(N-1) 用上式的计算取代式(3)即可完全避免复数运算。（2）DTMF信号的有效性检测得到了DTMF信号的基波及二次谐波的频谱平方幅度信息后，需要通

13、过一系列检测才能确定信号的有效性：a、DTMF信号的强度是否足够大，行列频率分量平方幅度和是否高于规定的门限值。b、如果DTMF信号存在，比较行列频率的最大频率分量差值，因为电话线具有低通特性，列频比行频衰减得要厉害，因此要设置一门限值。c、分别在行列频率组比较频谱分量，最强的谱线至少要比其他音频信号高一个门限值。d、二次谐波分量是否小于某个值。e、判断DTMF信号是否包含稳定的数字信息，只有数字信息被连续检测到两次，才认为数字信息是稳定的。f、最后要检测数字信息之后是否有停顿状态，只有这样才将当前的数字作为有效数字。在每一个接收中断到来时，表明采到一个新样点。样点值代入式，迭代计算8个行频列

14、频的中间变量v (n)(k为8个行频列频分别对应的数字频率)，直到采到N=125个样点(在8kHz采样频率下，约为15ms)。此时再按式计算8个行频列频的幅度平方|X(k)|2 。接下来将|X(k)|2与门限作比较，并作二次谐波检测，判决出有效的音频信号。将音频信号映射为数字信号后，再与上一个检测到的数字信号比较，最终判决出有效的数字信号,如图7。 与发生部分原理相似,我们们也需要在检测程序中加入AD/DA转换部分。NNYYYNNY采样开始采到新样点？对8个行/列频分别计算Vk (n)= x(n)+2cos(2k/N)Vk(n-1)-Vk(n-2)采到N个样点？对8个行/列频分别计算|x(k)

15、|2=|yk(N)|2=Vk2(n)+ Vk2(n-1)-2cos(2k/N)Vk(N)Vk(N-1)中间变量清零N样点标志=0幅度峰值大于门限？无二次谐波？成功检测到数据返回并检测静音有静音则进入下一次检测图7 DTMF检测流程图四、程序设计、调试与结果分析一程序设计1.发送程序#include <stdio.h>#include <math.h>#include <type.h> /数据类型头文件 #include <board.h> /DSK板头文件#include <codec.h> /AD50C头文件 #include &l

16、t;mcbsp54.h> /多通道缓冲串口头文件/子函数声明void delay(int period);void send(int num);/全局变量定义HANDLE hHandset;/McBSP句柄s16 out_buffer256;float buffer256;/定义一个个的变量和缓冲数组 s16 n=0;int c=0,t=0,m=0,p=-1;char s;s16 tele_number16='0','1','2','3','4','5','6','7&

17、#39;,'8','9','A','B','C','D','*','#'/dtmf按键缓冲区float pi=3.1415926;void main() int cnt=2; if(brd_init(100) return;/DSK初始化失败则返回 SWWSR=0X7249; /流水灯 while (cnt-)brd_led_toggle(BRD_LED0);/brd_delay_msec(500)delay(500);brd_led_toggle(BRD_LED1)

18、;/brd_delay_msec(500)delay(500);brd_led_toggle(BRD_LED2);/brd_delay_msec(500)delay(500);/初始化codec /* 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,C

19、ODEC_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 send(n); fflush(stdin);/清空输入缓冲区，确保不影响后面的数据读取vo

20、id send(int n)int k=0;int i;int pp;float f1,f2,ff; ff=2*pi/8000; i=k; while(1) while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC) ;/等待接收handset处的采样数据 *(volatile u16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC)=bufferi;/从handset处发送采样数据 i+; if(i=256) i=0; c+; if(c=15) pp=400; while(pp-) while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC) ;/等待接收handset处的采

21、样数据 *(volatile u16*)DXR1_ADDR( HANDSET_CODEC)=0;/从handset处发送采样数据 fflush(stdin);/清空输入缓冲区，确保不影响后面的数据读取 c=0; p+; s=tele_numberm; m+; if(m=16) m=0; switch (s) case '0' : f1=ff*941; f2=ff*1336; break; case '1' : f1=ff*697; f2=ff*1209; break; case '2' : f1=ff*697; f2=ff*1336; break

22、; case '3' : f1=ff*697; f2=ff*1477; break; case '4' : f1=ff*770; f2=ff*1209; break; case '5' : f1=ff*770; f2=ff*1336; break; case '6' : f1=ff*770; f2=ff*1477; break; case '7' : f1=ff*852; f2=ff*1209; break; case '8' : f1=ff*852; f2=ff*1336; break; case

23、 '9' : f1=ff*852; f2=ff*1477; break; case 'A' : f1=ff*697; f2=ff*1633; break; case 'B' : f1=ff*770; f2=ff*1633; break; case 'C' : f1=ff*852; f2=ff*1633; break; case 'D' : f1=ff*941; f2=ff*1633; break; case '*' : f1=ff*941; f2=ff*1209; break; case '

24、#' : f1=ff*941; f2=ff*1477; break; for(k=0;k<256;k+) bufferk=(0.65*sin(f1*k)+0.8*sin(f2*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 void delay(int period) int i, j; for(i=0; i<period; i+) for(j=0; j<period>>1; j+); 2.检测程序#include <stdio.h>#include <

25、math.h>#include <type.h>#include <board.h>#include <codec.h>#include <mcbsp54.h>HANDLE hHandset; float buffer205;/定义一个个的变量和缓冲数组 float pi=3.1415926; s16 test205; s16 dacdata; int k=0,l=0; int dtmf_flag=0; int result32=0;void delay(s16 period);/延时声明void detect();u16 m=0,n=0,

26、c1=0;void main() s16 cnt=2; if(brd_init(100) return; SWWSR=0X7249; while ( cnt- )brd_led_toggle(BRD_LED0);/首先让流水灯亮两遍以示程序运行/* brd_delay_msec(500); */delay(500);brd_led_toggle(BRD_LED1);/* brd_delay_msec(500); */delay(500);brd_led_toggle(BRD_LED2);/* brd_delay_msec(500); */delay(500); /* 公式vk(n) = 2*c

27、oef*vk(n-1) - vk(n-2) + x(n) 基波系数 为 w8 x(n) 为 in buffer256 vk(n-2) 为 ai0 vk(n-1) 为 ai1 . vk(n) 为 ai2 */ hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC); /* Acquire handle to codec */ codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT); /* DAC in 15-bit mode */ codec_adc_mode(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); /* ADC in 15-bit

28、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) ; /等待数据接受，判断是不是有数

29、据来了 dacdata = *(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC);/接数据 bufferk=dacdata/16384.0;/把接收到的数据赋值给缓冲数组 k+; if(k=205)/取205点 k=0; detect();/检测收到的是什么数据，进入检测子程序 void detect() /检测子程序 int i,j,x,y,c;char s;/定义变量 float w8,a83,amp8;/定义数组 w0=2*cos(2*pi*18/205);/分别把求方值的系数赋值给数组w1=2*cos(2*pi*20/205);w2=2*cos(2*pi*2

30、2/205);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+)/利用格策尔算法的八重循环，因为一共有八个基波系数ai0=0;ai1=0;for(j=1;j<=205;j+)/格策尔算法的一次谐波的样点数ai2=wi*ai1-ai0+bufferj-1;/公式vk(n) = 2*coef*vk(n-1) - vk(n-2) + x(n)ai0=ai1;ai1=ai2;ampi=ai1

31、*ai1+ai0*ai0-wi*ai1*ai0;/计算收到的其平方值给数组 j=0; m=x; n=y; c1=10*m+n;for(i=0;i<8;i+) /此处循环只是为了记录下面的检测到的第一个频率是第几个频率（一共八个) if(ampi>1500)/门限定义为1500，看信号的能量强弱,大于门限才算是能接收j+;if(j=1)/判断门限后的基波（相当于第一个频率）否？有信号就一定会有第一个频率x=i;else if(j=2)/判断二次谐波的存在与否（相当于第二个频率）的到来y=i; c=x*10+y;s='/' if(dtmf_flag=0)if(j=2)/

32、如果是二次谐波存在就通过判断接收的是什么信号，若不存在就返回。 if(c!=c1) m=x;n=y; c1=10*m+n; switch(c1)/；判断收到的赋值c，通过x,y便能知道行频多少和列频多少，确定按键值 case 4:s='1'break; /八个频率都是从小到大为0到7，0到3为x，4到7为y case 5:s='2'break; case 6:s='3'break; case 14:s='4'break; case 15:s='5'break; case 16:s='6'break;

33、 case 24:s='7'break; case 25:s='8'break; case 26:s='9'break; case 35:s='0'break; case 7:s='A'break; case 17:s='B'break; case 27:s='C'break; case 37:s='D'break; case 34:s='*'break; case 36:s='#'break; if(s!='/') r

34、esultl=s;l+; /printf("收到的数字为 %c.rn ",s);if(l=32) for(l=0;l<32;l+) printf("The number received is %c.rn ",resultl); l=0; dtmf_flag+; / dtmf_flag=0;else if (j=0)dtmf_flag=0; void delay(s16 period)/延时子程序 int i, j; for(i=0; i<period; i+) for(j=0; j<period>>1; j+); 二程序调

35、试，结果分析 1、编写、编译程序。（1）编写程序在实验中主要需要编写的程序就是用C语言实现所需的公式，其他的如ADDA部分，CMD部分可以参考老师在课件中给的程序。（2）建立工程建立工程步骤如下：a、 创建一个新的工程：ProjectNew；b、 建立.c、.asm、.cmd程序：FileNewSource File；c、 添加库文件：ProjectBuild Options；C程序运行支持库: rts.lib，在C:tic5400cgtoolslib目录下，将.h文件的路径填入所示方框第一行。如图8：图8 DSK板库文件: drv5402.lib和dsk5402.lib，在C:tic5400

36、dsk5402lib 目录下。选择Preprocessor这一项，在出现的界面中将头文件的路径添加在图9所示界面的第一行。如图9：图9d、 建立链接命令文件.pjt：FileNewSource File；e、 添加有关文件到工程：ProjectAdd Files to Project；f、 编译链接产生.out文件：ProjectRebuild All或点击；g、 加载.out文件：FileLoad Program；h、 运行程序：DebugRun或点击。2、程序运行结果显示 （1）编译成功后，选择File菜单中的Load Program选项，将程序加载到DSK板中，为软件仿真结果的观测做准备

37、。（2）图形显示参数设置：选择View中的Graph的第一项，在如图所示的对话框中修改相关参数以观察输出信号的时域（Single Time）和频域（FFT Magnitude）波形图。 图10 图形显示参数设置（3）运行结果显示：发送部分：时域（Single Time）波形图：频域（FFT Magnitude）波形图：接收部分：频域（FFT Magnitude）波形图（收到1时）：说明：可以看见在发送端的频谱是很清晰的两个尖峰，而接收端有很多杂质信号，但是两个峰值信号还是基本可以检测到的。五、设计（安装）与调试的体会在开始做DTMF的试验时，我们去图书馆借了几本关于DSP的书，有很多关于DTMF信号产生与检测的研究，通过阅读这些书以及查阅了几篇论文后，我们对DTMF信号有了大概的了解，所谓DTMF信号产生与检测的过程，实际是由模拟信号的产生，抽样产生数字信号并D/A变换成模拟信号传输，在接收端将模拟信号抽样成数字信号，并检测出所对应的模拟频率的过程，在开始，我们对整个信号处理的过程很迷茫，通过阅