dmf信号的数据解释技术

dmf信号的数据解释技术

1信号解码dtmf通信系统中的双音多频信号和检测广泛应用于现代通信系统。家庭电话、移动电话和公共可控交换机（pbx）通常通过ddmf信号发送接收序列。用话音频率发送数字,可以避免占用额外的信道,又比脉冲方式节约时间。另外,用MCU进行DTMF检波实现来电显示(Caller—ID),具有很强的实用性。本文主要探讨的是DTMF解码的问题。解码的方案多种多样,关键是如何用最小的硬件损耗实时地接收处理,同时又满足传输的各项指标。这里分析了多种解码实现方法,并对每种方法的优劣进行了总结。2信号编码和信号表达DTMF编码,是将拨号盘上的数字0～9,字母A～D,及*/E、#/F,共16个字符,用音频范围(小于3400Hz)的8个频率表示出来。具体来说,将8个频率分为高频群和低频群两组,分别作为列频和行频。每一个键的频率模式由来自于列频和行频的两个频率叠加而成,8个频率,两组,每组4个,总共构成4×4=16种不同组合,代表16个符号。具体表示方法如图1所示。对DTMF信号所规定的指标是:传送/接收率为每秒10个数字,或每个数字100ms。每个数字传送过程中,信号必须存在至少45ms,且不得多于55ms,100ms里的其余时间是静声。另外,国际电信联盟(ITU)对DTMF信号规定,在每一个频率点上允许有±1.5%的偏移,任何超出给定频率±3.5%的信号,均被认为是无效的,拒绝承认接收;ITU还规定,最坏的检测条件下,信噪比不得低于15dB。3dsp编程方式DTMF拨号音的发生,就是将两个单音频的正弦信号叠加输出。具体的实现方式可用DSP编程;由于信号发生并不复杂,也可直接在微控制器上用汇编语言编写。由于DTMF信号是模拟信号,用微控制器时不可能完全只用数字的方式产生,数字信号必须通过数模转换,或者滤波器,转化成所希望的正弦波。3.1输出数字滤波器用DSP产生DTMF信号是比较容易的。用两个数字正弦振荡器把输出合成起来,建立所希望的双音频。振荡器的原理主要是利用正弦波sin(kωT)的指数形式进行Z变换,得到幅值为1、相角为ωT的一对极点。幅值为1的极点对应一个数字振荡器,其频率由极点的系数决定。然后进行反Z变换,得到编码器的差分方程:Y(n)=2cos(coef)*Y(n-1)+(-1)*Y(n-2)+[sin(coef)*X(n-1)](1)式中,coef=360×频率/取样率,并使用以下初始值,Y(0)=0;Y(1)=sin(x);X(1)=1;X(n)=0。振荡器实现过程中,首先将每个频率的常数存在一个表中,用来初始化给定键的振荡器;再按照(1)式的算法迭代计算,就得到正弦序列的输出;将两个这样的输出叠加即可得到双音频的输出。每一个数字输出的样本数取决于数字速率与采样速率。双音频中的每一个音调之后是同样长度的无音周期,从而可以检测到按键的释放。3.2dtmf信号可以在微控制器上用软件模拟双音多频,通过微控制器产生方波再附加硬件滤波器滤除二次以上的谐波,产生DTMF信号;或者直接编程输出正弦信号,软件部分可由键检查程序、键输入程序及查找表(将音频数据编制成表)组成,查表所得的数值通过D/A转换产生模拟信号经过滤波输出至电话线。4语音信号检验要实现来电显示,就必须正确检出DTMF信号,无论是在杂音,或者语音信号出现的时候,都要正确检出。DTMF信号的检测要比发生复杂得多,一方面,解码的算法相对复杂;另一方面,对解码的实时性,即解码速度,要求较高。不同的软硬件有不同的实现方法。4.1dtmf收缩电路接收器主要由DTMF检波系统构成,可用模拟或者数字滤波器实现。模拟DTMF检波首先用预处理器对模拟输入信号滤波,滤除杂音和语音,然后加到两个分带滤波器上,每个滤波器通过一个单音组而截止另一个单音组,这些滤波器输出被零交叉检测器严格限幅,用方波来代替单音信号。每组滤波器通过四个带通滤波器得到高输出信号,组成有效音频对,解码输出数字。数字检波由频带分离和数字计数两部分组成,前者完成输入放大、滤波,后者主要用数字计数器确定限幅后音频的频率。专用的DTMF收发器和CPU接口,如MITEL公司的MT8880,片上集成了完整的DTMF收发电路,功耗很低,具有中断接收和发送功能、有多种工作模式和可编程特点。另外,在某些场合,还可以考虑专用ASIC集成电话控制的所有功能。4.2f信号解码过程软件解码是指用一些通用的硬件模块,以合适的算法对接收进来的DTMF信号进行解码。软件解码一般有两个过程:变换和确认。变换是指把输入的时域信号变换成易处理的频域信号,得到有效频率组成的数字;确认是指对检出的数字是否有效,即判断是否符合各项参数规定和信号指标的要求。4.2.1gl[n]算法离散傅立叶变换(DFT)是大家熟知的一种变换,如何在实现中尽可能地减少计算量是这种方法的核心。非归一化离散傅立叶变换(NDFT)对长度为N的序列x[n]定义为:X(zk)=Ν-1∑n=0x[n]z-nk‚k=0‚1‚⋯‚Ν-1(2)式中,z0,z1,…,zN-1是Z平面内任意分立的点。这是一个由时域向频域的变换,决定DTMF信号的频率能量问题即等效于计算8个DTMF频率的NDFT样本,这一过程可以通过Goertzel算法实现,以减少计算。而SB—NDFT是为进一步减少计算量而提出的。把x[n]分为长度为N/2的两个子序列:x[2n]=gL[n]+gH[n],x[2n+1]=gL[n]+gH[n],n=1,2,…,N/2-1(3)因而,可以将序列表达为:gL[n]=12{x[2n]+x[2n+1]}‚gΗ[n]=12{x[2n]-x[2n+1]}‚n=1‚2‚⋯‚Ν/2-1(4)把方程(4)的结果带入表达式(1)中,得到X(zk)=Ν/2-1∑n=0x[2n]z-2nk+Ν/2-1∑n=0x[2n+1]z-(2n+1)k=(1+z-1k)GL(z2k)+(1-z-1k)GΗ(z2k)(5)式中,GL(zk2)和GH(zk2)是gL[n]和gH[n]在z=zk2的NDFT。从(5)式可以看到,序列x[n]的在z=zk的NDFT,可以用更小的序列gL[n]和gH[n]在z=zk2处计算得到。用于电话线上的采样频率是fs=8kHz,所有的DTMF频率都位于采样频率的低频段(0<f<fs/4),因此可以去掉高频响应部分,近似得到NDFT:ˆX(zk)=(1+z-1k)GL(z2k)(6)去掉高频部分所引起的偏差可以通过下式补偿:ˆX(zk)12(1+cosθ)X(zk)-j2sinθX(-zk)(7)由(6)式和(7)式综合,可得:X(zk)=2ˆX(zk)1+cos˜ωk(8)进而得到:|X(zk)|2=4|X(zk)|2(1+cos˜ωk)2=8|GL(z2k)|21+cos˜ωk(9)此式即DTMF利用SB-NDFT算法的实现,如图2所示。式中,ak=2cos2ωk,bk=1/(1+cosωk)。该算法的实现可以归纳为三步:1)由输入样本获得gL[n]序列。这一步要求N/2个实数加法。2)对每一个DTMF音频,用Goertzel算法计算gL[n]序列在两倍音频处的NDFT的幅值平方。这要求(N/2+4)个实数乘法,和(N+2)个实数加法。3)对每一个DTMF音频平方后的幅值乘以bk规模因子,这只要一步乘法。得到频域信号后,进行识别判断。在高频组和低频组分别进行门限比较后找到最强的信号,如果小于规定的最小值,则不予处理,回到GoertzelDFT,继续采样处理;如果存在满足要求的最强信号,则比较行频和列频最强信号的比;此后,还要判断同组中最强和次强信号的衰减是否符合要求、与上次检测的数据是否一致,等等,最后才得到确认有效的数字。以上步骤,亦即判断逻辑判断。所谓判断逻辑(digitvalidation)后端,主要根据国际电信联盟对DTMF信号提出的标准来判断信号的有效性。4.2.2数据通道及后端判断逻辑这种方法的解码同样分为两个步骤:前端信号处理和后端判断逻辑。图3给出了DTMF解码的一个方案。假设输入信号的采样频率为8kHz,首先,将输入信号预处理,预处理部分包括对输入信号平滑,以减小噪声方差;由于微控制器的字长有限,对信噪比的表达也有限,所以,输入信号最好有个自增益过程;另外,在预处理中还可以做一点工作,过滤掉350Hz至440Hz的话音或杂音干扰。经过预处理后的信号,再通过高频、低频、及功耗检测三个数据通道,分别滤去低频组和高频组的音频,并正确检测出信号存在的时间,送给判断逻辑。数据通道的算法设计是能否在MCU上实现的关键。带通高/低频滤波器可以采用自适应陷波器,低/高频检测器的实现可以通过估测信号零点间样本个数,以获得输入信号的频率。低频检测器出来的信号是合成数字的两个音频中的低频分量,反馈给高频滤波器,使高频滤波器抑制低频分量,从而达到高通的目的,反之亦然。功耗估计及信号检测的作用是正确分辨拨号音数据段和噪音数据段,为判断逻辑提供判断的依据。后端判断逻辑假设以2kHz运行。为了检测延时标准,使用3个计数器。TC(timercount)用于判断音调中断是否超过10ms,初始化为20个样本(10ms);ST(signaltimer)是一个递增计数器,一旦上两个检测出的符号相同,ST自加1,即信号持续增加5ms,否则复零;CT(signaldurationtimer)计算DTMF信号出现期间的总样本数,即一个符号出现的总时间。用它们就可以完成后端判断逻辑。经验证,该解码方案可以在8位微控制器上实现。5软件实现的比较本文主要针对DTMF信号的发生和解码给出了不同的实现方法。一般而言,采用硬件实现,速度快,能满足实时处理来电信号,解码可靠性高。同时,可以集成许多其他的电话控制功能,但硬件成本高,专用芯片的适用面窄。对于软件实现,主要是速度。DSP处理相对快一些,一般能满足实时的要求,并且,对于PBX解码,DSP可以在花费较少的情况下增加功能,提高其性能和灵活性;另一方面,使用D