DSP课程设计---DTMF信号的产生及检测

1、；.DSP课程设计实 验 报 告DTMF信号的产生及检测院（系）： 电子信息工程学院通信工程专业设计人员：宋佳阳 学号：08211042目录一、设计任务书- 3 -二、设计内容- 3 -三、设计方案、算法原理说明- 4 -1.DTMF信号的产生- 4 -2.DTMF信号的检测- 5 -四、程序设计、调试与结果分析- 7 -1.程序设计部分：- 7 -2.调试与结果分析部分：- 28 -五、设计（安装）与调试的体会- 33 -六、参考文献- 33 -一、 设计任务书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

2、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。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、C、D。如图2-1所示

3、。图2-1 DTMF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。三、 设计方案、算法原理说明1. 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作为采样频率，即可满足奈奎斯特定理。正弦波是任何波形构成的基本元素，产生正弦波的方法一般有：查表法和计算法（泰勒级数展开法或数字正弦振荡器法）。 这里我们使用计

4、算法产生正弦波，有以下两种方案：方案一：使用数字正弦振荡器计算法产生正弦波图3-1 DTMF数字振荡器对由图3-1所示数字振荡器对的框图，可以得到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 ， 。 其中，上面一个数字振荡器用于产生行频，下面一个数字振荡器用于产生列频，将行频信号和列频信号通过加法器进行叠加即可产生DTMF信号。方案二：使用sin函数产生正弦波直接利用sin函数生成离散的正弦值，其生成DTMF信号的方程为：yt=sin(t*2*pi*f1/fs)+sin(t*2*pi*f2/fs)其中t为采

5、样序数，由0开始递增；f1，f2为生成DTMF信号的两个正弦波的频率；fs为采样频率，由前面的分析可知，采样频率应该设定为8000Hz。将行频信号的采样值与列频信号的采样值进行叠加，即可得到序数为t时的采样值，即为yt。 将两种方案进行比较后，我们认为，使用正弦振荡器计算法这种方法计算时所需的计算量小，但是由于使用了迭代的方法产生样点值，所以当前时刻的输出序列需要反馈到输入端。在程序中实现，就需要不断对y（n-1)和y(n-2)的值进行更新。同时，当前时刻的输出序列也会影响下一时刻和下两个时刻的输出。因此，如果用这种方法来产生长时间连续的正弦信号和余弦信号，则累积误差较大。 直接使用sin函数

6、产生正弦波的方法，其计算时所需的计算量与方案一相当，并且也能达到误差要求。同时，由于使用方案二的方法产生正弦波，其当前时刻的输出序列只与当前时刻行频和列频的输入有关，所以不会产生累积误差，适合用来产生长时间连续的DTMF信号。 综上所述，我们使用方案二来产生DTMF信号。根据CCITT的规定，数字之间必须有适当长度的静音，因此编码器有两个任务，一是产生双音频信号的任务，二是静音任务。由于采样频率为8000Hz,所以DSP有足够的计算时间，可以使用查询模式通过D/A转换器输出DTMF信号。CCITT规定每秒传送/接收10个数字，即每个数字持续100ms。由于1秒采样8000个点，则每个数字采样8

7、00个点。由于代表数字的音频信号必须持续至少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。所以，需要设置800个点的缓存，其中400个点用于产生DTMF信号中的音频信号，另外400个点用于产生DTMF信号中的静音信号。根据这样的设计，音频信号的持续时间为50ms,在45ms和55ms之间，满足CCITT的规定。静音信号的持续时间为50ms。2. DTMF信号的检测DTMF检测是对进入解码端的信号进行检测，并把双音频信号转换成对应的数字信息。由于数据流是连续的，为了保证DTMF检测的实时性，因此要求检测过程必须是实时连续的。在输入信号中检测DTMF 信号，需

8、要在输入的数据信号流中连续地搜索DTMF 信号频谱的存在。检测过程有两部分的任务，一是在输入信号中提取频谱信息；二是检查检测结果的有效性。任务一：在输入信号中提取频谱信息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。Goert

9、zel 算法实质是一个两极点的IIR 滤波器，其算法原理框图如图3-2所示。图3-2 Goertzel算法原理框图 其传递函数为：DTMF检测器的核心是Goertzel算法。该算法利用二极点的IIR滤波器计算离散傅立叶变换值，能够快速高效地提取输入信号的频谱信息。由于IIR滤波器是一个递归结构，它利用只有一个实系数的差分方程进行操作，并不像DFT或FFT算法那样需要计算数据块，而是每输入一个样值就执行一次算法。DFT计算可以等价为：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）样值输入滤波器后，滤波器

10、输出伪DFT值vk（n），由vk（n）即可确定频谱的幅度平方。其中k=f*N/fs，f为输入信号的频率，N为样值的个数，fs为抽样频率。任务二：检查检测结果的有效性严格来讲，DTMF信号的有效性检验应该包括几项内容，在此不一一赘述。由于严格意义上DTMF信号有效性的检查实现起来比较困难，所以在这里我们只是进行了简单的有效性检测。 当得到频谱的幅度平方之后，将幅度平方与门限作比较。门限的设定，应该保证能够检测到DTMF发送信号，同时应该保证不产生误判漏判的情况。所以，门限的设定至关重要。在我们看来，门限的取值应该满足下面两点要求：一是门限的大小应该小于DTMF发送信号行频分量和列频分量的幅度平方

11、，这样才能够有效地检测到信号；二是门限的取值也不能太小，否则噪声会对判决产生很大的影响。同时，为了防止重复检测，下一个判决必须在检测到静音信号后才能有效。四、 程序设计、调试与结果分析 1.程序设计部分：DTMF信号产生流程图如图4-1所示。 开始DSK板初始化对DA转换和输入输出增益进行设置调用gets()函数键入要输入的字符调用send()判决函数对要发送的字符进行判定，返回num根据num，查表得要发送的行频列频将要发送的音频信号和400个点的静音信号存入buffer采足样点值后发送，将每个信号发送20次结束16个信号是否发完是否图4-1 信号产生流程图DTMF信号产生程序如下：#inc

12、lude /程序头文件#include #include #include #include #include void delay(int period); /延时子程序delayvoid send(int j); /判决子程序sendHANDLE hHandset; /codec句柄变量s16 out_buffer800; /输出缓冲区，数据类型为S16 float buffer800; /缓冲区，数据类型为floats16 num=0; /定义num，用于查询频率表int count=0; /定义count，用于控制发送的次数int k=0; /定义k，用于控制采样点数int i;int

13、 j;f32 x,y; /定义x和y，用于存放发送的行频和列频float fs=8000; /定义fs为抽样频率8000Hzfloat pi=3.1415926; /定义PI的值char telephonenumber18; /定义字符型数组telephonenumber/用于存放键入的字符float freq162= 941,1336, /定义16行2列的二维数组，第一列用于 697,1209,/存放行频，第二列用于存放列频 697,1336, 697,1477, 770,1209, 770,1336, 770,1477, 852,1209, 852,1336, 852,1477, 697,

14、1633, 770,1633, 852,1633, 941,1633, 941,1209, 941,1477 ; void main() /主程序main int cnt=3; /cnt=3控制亮灯的次数为3次 if(brd_init(100) /初始化DSK板 return; while ( cnt- ) brd_led_toggle(BRD_LED0); /LED0亮delay(1000); /延时1000个时间单位brd_led_toggle(BRD_LED1);/LED1亮delay(1000); /延时1000个时间单位brd_led_toggle(BRD_LED2);/LED2亮d

15、elay(1000); /延时1000个时间单位/ 打开codec，获取DAC的句柄hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC); /设置DAC的工作参数 codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT); /D/A工作在15bit模式codec_adc_mode(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); /A/D工作在15bit模式 codec_ain_gain(hHandset, CODEC_AIN_6dB); /模拟输入增益为6dBcodec_aout_gain(hHandset, CODEC_AOUT_MINU

16、S_12dB); /模拟输出增益为 /-12dBcodec_sample_rate(hHandset,SR_8000); /D/A转换频率为8kHz gets(telephonenumber); /gets函数，用于将键入的字符存入数组 j=0;send(j); /调用send函数对发送的第一个字符进行判定 x=freqnum0/fs;/查表得行频，并赋给x y=freqnum1/fs;/查表得列频，并赋给y for(k=0;k400;k+)/前400个点为音频信号，存入buffer bufferk=(0.65*sin(2*pi*y*k)+0.8*sin(2*pi*x*k)*16384; ou

17、t_bufferk=bufferk;/将float型强行转化为s16型 /后400个点为静音信号，存入buffer bufferk+400=0; out_bufferk+400=bufferk; /将float型强行转化为s16型 i=0; j=0; while(1)while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC) ;/等待D/A转换器准备好 /发送 *(volatile u16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC)=bufferi; i+; if(i=400) /采足400个样值点，完成第一次发送 i=0; count+; if(count=20) /控制每一

18、个数反复发送20次 count=0; j+; if(j=16) /如果发送完16个字符，则返回 return; send(j); /调用send函数，对发送的字符进行判定，返回num x=freqnum0/fs; /查表得行频，并赋给x y=freqnum1/fs; /查表得列频，并赋给y for(k=0;k400;k+) /前400个点为音频信号，存入buffer bufferk=(0.65*sin(2*pi*y*k)+0.8*sin(2*pi*x*k)*16384; out_bufferk=bufferk; /后400个点为静音信号，存入buffer bufferk+400=0; out_

19、bufferk+400=bufferk; void send(int j) /判决子程序send，输入j的值，输出num的值switch(telephonenumberj) 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:num=9;break; case A:num=10;break; case B:num=1

20、1;break; case C:num=12;break; case 0:num=0;break; case D:num=13;break; case *:num=14;break; case #:num=15;break; void delay(int period) /延时子程序delay，运用了指令循环的原理，延时 /时间的长短由输入period决定 int i, j; for(i=0; iperiod; i+) for(j=0; j1; j+); DTMF信号检测流程图如下：开始DSK板初始化设置A/D转换器和转换速率A/D转换器输出数据准备好？是是否否采集满256样点值？调用DTMF

21、_detect检测判决程序开始计算vk(n)的系数存入W8设置vk(n-2), vk(n-1)的值为0计算vk(n)的值,并对vk(n-2), vk(n-1)的值进行更新计算8个的值并存入数组result中是否有两个幅度达标的频率？返回是否显示接收到的值DTMF信号检测程序基本部分如下：#include /头文件#include #include #include #include #include HANDLE hHandset; /codec句柄变量float buffer256; /DTMF样点缓冲区，定义其容量为256float pi=3.1415926;s16 test256; /定

22、义数组tests16 data;int k=0;int detect_result256=0; /缓存DTMF检测结果int l=0;void delay(int period); /延时子程序delayvoid DTMF_detect(void); /检测子程序DTMF_detectvoid main() /主函数mainint cnt=3; /控制灯闪烁的次数为3次，如果灯循环 /亮三次，则程序运行正常 if(brd_init(100) /初始化DSK板return;while(cnt-)brd_led_toggle(BRD_LED0);delay(1000);brd_led_toggle

23、(BRD_LED1);delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED2);delay(1000); / 打开codec，获取ADC的句柄hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC);/设置D/A工作在15bit模式codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT);/设置A/D工作在15bit模式codec_adc_mode(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); /设置输入增益为6dB codec_ain_gain(hHandset, CODEC_AIN_6dB);/设置输出增益为-6dB co

24、dec_aout_gain(hHandset, CODEC_AOUT_MINUS_6dB); /设置取样频率为8000Hzcodec_sample_rate(hHandset,SR_8000);while(1)while (!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC) ;/等待A/D转换器输出数据data=*(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC);testk=data;将A/D的输出存入数组testbufferk+=data/16384.0;将16进制整数转化为浮点数存入数组bufferif(k=256) k=0; /当采集满256个样点值后，调

25、用DTMF_detect对采集DTMF_detect(); /到的信号进行判决void DTMF_detect(void) float w8,a83;/数组w8用于存放的系数 float result8; /数组result8用于存放判决后的输出结果 int i,j,x,y; /k=f*N/fs，N为DFT数据块的长度，这里取N=205，k的计算结果取整数w0=2*cos(2*pi*18/205); /f=697Hz，k=18w1=2*cos(2*pi*20/205); /f=770Hz，k=20w2=2*cos(2*pi*22/205); /f=852Hz，k=22w3=2*cos(2*pi

26、*24/205); /f=941Hz，k=24w4=2*cos(2*pi*31/205); /f=1209Hz，k=31w5=2*cos(2*pi*34/205); /f=1336Hz，k=34w6=2*cos(2*pi*37/205); /f=1477Hz，k=37w7=2*cos(2*pi*42/205); /f=1633Hz，k=42for(i=0;i8;i+) ai0=0; /vk(n-2)=0 ai1=0; / vk(n-1)=0 for(j=0;j205;j+) ai2=wi*ai1-ai0+bufferj;/对vk(n)的值进行计算ai0=ai1; /对vk(n-2)的值进行更新

27、ai1=ai2; /对vk(n-1)的值进行更新resulti=ai1*ai1+ai0*ai0-wi*ai1*ai0;/计算的值j=0;for(i=0;i1500) /判决门限设置为1500j+;if(j=1) /第一个大于门限的是行频信号x=i; /将行频信号的编号赋给xelse if(j=2) /第二个大于门限的是列频信号y=i; /将列频信号的编号赋给xi=-2; if(j=2) /利用行频信号的编号x和列频信号的y确定接收到的字 /符，并将其输出。 if(x=3 & y=5)i=0;else if(x=0 & y=4)i=1;else if(x=0 & y=5)i=2;else if(

28、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=0 & 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=

29、3 & y=7)printf(The DTMF signal is Dn);else if(x=3 & y=4)printf(The DTMF signal is *n);else if(x=3 & y=6)printf(The DTMF signal is #n);if(i!=-2)printf(The DTMF signal is %d.rn ,i); void delay(int period) /延时子程序 int i, j; for(i=0; iperiod; i+) for(j=0; j1; j+); CMD文件如下： MEMORY PAGE 0: VECS: origin = 0

30、080h, length = 0080h PRAM: origin = 7600h, length = 8000h PAGE 1: SCRATCH: origin = 0060h, length = 0020h DMARAM: origin = 0C00h, length = 0300h DATA: origin = 1100h, length = 0080h STACK: origin = 1180h, length = 0560h INRAM: origin = 1900h, length = 0100h HPRAM0: origin = 1A00h, length = 0002h HPR

31、AM1: origin = 1A02h, length = 0280h HPRAM2: origin = 1C82h, length = 0280h EXRAM: origin = 1F10h, length = 4000h 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 STACK PAGE 1 .trap SCRATCH PAGE 1 .

32、const EXRAM PAGE 1 .data EXRAM PAGE 1 .bss EXRAM PAGE 1 .cio EXRAM PAGE 1 .switch EXRAM PAGE 1 tables EXRAM PAGE 1 var EXRAM PAGE 1 svctab EXRAM PAGE 1 vctab EXRAM PAGE 1 uvctab EXRAM PAGE 1 cuvtab EXRAM PAGE 1 cdbktab EXRAM PAGE 1 logtab EXRAM PAGE 1 powtab EXRAM PAGE 1 hamtab EXRAM PAGE 1 lgwtab E

33、XRAM PAGE 1 acostab EXRAM PAGE 1 sqrtab EXRAM PAGE 1 acbtab EXRAM PAGE 1 pm03tab EXRAM PAGE 1 costab EXRAM PAGE 1 V23 INRAM PAGE 1 FSK INRAM PAGE 1 hpibuff0 HPRAM0 PAGE 1 hpibuff1 HPRAM1 PAGE 1 hpibuff2 HPRAM2 PAGE 1 dma_buff DMARAM PAGE 1DTMF信号检测程序发挥部分： 由于在做接收实验时，发现发送端每发送一个DTMF信号，接收端总会重复输出几次接收到的DTM

34、F信号。我希望能够对程序进行改进，使发送端每发送一个信号，接收端只对接收到的DTMF信号进行一次输出。 对基本检测程序的改动如下：（与基本检测程序相同的部分用省略号代替）char num_150;char num_216;int m=0;int n=0;if(j=2)if(x=0 & y=4) i=1; else if(x=0 & 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; els

35、e 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 & y=7) num_1m=A;m+;else if(x=1 & y=7) num_1m=B;m+ ;else if(x=2 & y=7) num_1m=C;m+ ; else if(x=3 & y=7) num_1m=D;m+ ; else if(x=3 & y=4) num_1m=*;m+;else if(x=3 & y=6) num_1m=#;m+; if(i!=-1) num_1m=i; m+ ; if(m=1) num_20

36、=num_10; /将num_1m中的第一个数送入 num_2n中。 n+; if(m1) if(num_1m-1!=num_1m-2) /将num_1m中的后一个元素与前一个元素比较 num_2n=num_1m-1; /若两者不相同，则将元素存入num_2n n+; for(n=0;n16;n+) /将num_2中的元素输出 printf(The DTMF signal is %s.rn ,num_2n); 由上述程序可以很容易看出，我们对于接收程序的输出进行了判别控制，将接收到信号先存入数组num_1m，再对数组num_1m中的元素进行比较。若num_1m+1与num_1m不相同，则将nu

37、m_1m+1中的元素送入num_2n；反之，则不进行操作。这样就能够保证接收到相同信号时只进行一次输出。但是，由此也带来一点点小的问题，就是如果发送端发送两个相同的信号时，接收端也只是输出一个信号，所以此时要求发送的前后两个信号不能相同，这会给实际应用带来一定的麻烦。2.调试与结果分析部分：调试步骤：1. 启动CCS软件；2. 新建工程；3. 向工程中添加源文件、cmd文件、库文件和头文件；4. 编译并运行程序；5. 待运行无错后，将第四步生成的.out文件下载到DSK板中，并点击run，开始在DSK板中运行程序。（注意在进行DTMF双机通信时，应该先运行接收程序，等待接收，然后再运行发送程序，这样才能保证完整接收到发送信号。）结果与结果分析：1.运行发送端程序后，发送端的LED灯循环亮三次，证明程序正常运行。之后，发送端电脑屏幕上出现如下所示的对话框，通过键盘输入要发送的按键信号，注意不要超过16位。2要观测发送端信号的时域波形，需要对CCS软件的Graph Property Dialog的参数进行如下图所示的设置。设置的具体含义如下，Single Time是指观察时域波形，out_buffer是发送程序的输出缓冲区，其数据类型为是s16，所以下面应该相应设定为16-bit signed intege