DTMF信号的产生及检测

DTMF信号的产生及检测

Last updated on the afternoon of January 3, 2021 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

设计人员：周钰哲学号：08211052

苗祚雨08212075

目录

一、设计任务书……………………………………………………………2

二、设计内容………………………………………………………………2

三、设计方案、算法原理说明……………………………………………3

四、程序设计、调试与结果分析…………………………………………6

五、设计（安装）与调试的体会…………………………………………16

六、参考文献………………………………………………………………16

一设计任务要求

双音多频DTMF（DualToneMultiFrequency）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0~9、*、#、A、B、C、D。如下图1所示。

图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。

1、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0~9、*、#、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编码在屏幕上显示。

2、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。

3、要求完成的任务 （1）编写C语言程序，并在CCS集成开发环境下调试通过。

（2）实现设计所要求的各项功能。

（3）按要求撰写设计报告。

二、设计内容

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。

在输入信号中检测DTMF信号，需要在输入的数据信号流中连续地搜索DTMF信号频谱的存在。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。Goertzel算法实质是一个两极点的IIR滤波器。

三、设计方案、算法原理说明

要用DSP产生DTMF信号，只要通过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。

（1）DTMF信号的产生

DTMF编码器基于两个二阶数字正弦波振荡器，一个用于产生行频，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700～1700Hz，选取8000Hz作为采样频率，即可满足Nyquist条件。

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，。

用sin函数产生离散的正弦值，生成DTMF的公式为：

buffer[t]=sin(t*2*pi*f1/fs)+sin(t*2*pi*f2/fs)

其中t为采样序数，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；buffer[t]为序数t时的得出的采样值。将这些数据转换为Q15格式然后通过codec发送出去。

CCITT对DTMF信号规定的指标是，传送/接收率为每秒10个数字，即每个数字100ms。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。我们使用8000Hz的采样频率（电话信号的典型抽样频率为samf=8kHZ），即1秒采样8000个点，则100ms采样800个点，我们设置800个点的缓存，其中用400个存产生的DTMF信号值，即音频信号必须持续50ms，另外400个存0值，即静音信号。

（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。它是一个比DTMF产生更加复杂过程。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，需要在输入的数据信号流中连续地搜索DTMF信号频谱的存在。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。

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。Goertzel算法实质是一个两极点的IIR滤波器。

Goertzel算法原理：

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。

完成时域到频域的变换可以用离散傅立叶变换(DFT)或快速傅立叶变(FFT)．FFT计算出所有点频率，而DFT可以只计算感兴趣的频率点．如果要计算的频率点数少于log2N(N为输入信号点数)，采用DFT的计算速度比FFT更快。

直接计算DFT，需要很多复系数，即使只计算一点的DFT也需要N个复系数．采用数字信号处理中的Goertzel算法，如图2，则可明显地提高速度。

图2Goertzel算法原理框图

𝑋(𝑘)=𝑦𝑘(𝑛)=𝑣𝑘(𝑛)−𝑒−𝑗2𝜋𝑁𝑘𝑣𝑘(𝑛−1)

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，滤波器输出伪DFT值vk（n），由vk（n）即可确定频谱的平方幅度。

其中k=f*N/fs，当N取值为125时，k的取值经计算如表1所示：

信号频率(Hz) 计算值k 取整值k 绝对误差 相对误差 697 11 %

770 12 %

852 13 %

941 15 %

1209 19 %

1336 21 %

1477 23 %

1633 25 %

表1

一旦得到行/列频率的频谱平方幅度信息，就可以通过一系列的判决来确定音频及数字结果的有效性。

首先，检测可能DTMF信号的强度是否足够大。行频率分量和列频率分量的平方幅度和应高于某一确定门限。注意与DTMF频率相符的正弦波的能量集中在频域内一段很窄的范围当中，所以门限取值应占动态范围的大部分。

第二，如果DTMF信号存在，由于构成DTMF信号的行频都低于列频，因此从小到大依次判断各个频率点的频谱幅度，得到的第一个达到门限要求的的频率点即为行频，第二个即为列频，综合行频和列频即可得出检测到的按键信息。

检测流程图：

图3检测流程图

四、程序设计、调试与结果分析

（1） 发送源程序代码如下：

/*****************************************************************/

/*DTMFsignal发送程序*/

/*****************************************************************/

#include<>

#include<>

#include<>

#include<>

#include<>

#include<>

voiddelay(intperiod);

voidgenerate(intnum);

HANDLEhHandset;

floatbuffer[800];

s16num=0; intcount=0;

floatfreq[16][2]={941,1336,..

*vk(n)isa[i][2]

*********************************************/

if(brd_init(100))

{return;}

r\n",i,amp[i]);

j++;

if(j==1)

{

x=i;

}

elseif(j==2)

{

y=i;

}

}

}

i=-1;

if(flag==0)

{

if(j==2)

{

if(x==0&&y==4)

{i='1';}

elseif(x==0&&y==5)

{i='2';}

elseif(x==0&&y==6)

{i='3';}

elseif(x==1&&y==4)

{i='4';}

elseif(x==1&&y==5)

{i='5';}

elseif(x==1&&y==6)

{i='6';}

elseif(x==2&&y==4)

{i='7';}

elseif(x==2&&y==5)

{i='8';}

elseif(x==2&&y==6)

{i='9';}

elseif(x==3&&y==5)

{i='0';}

elseif(x==0&&y==7)