DTMF信号的产生与检测-实验报告

DSP课程设计实验报告

DTMF信号的产生与检测

指导老师： 申艳老师 时 间： 2014年7月18日

DTMF信号的产生与检测

1 设计任务书

双音多频DTMF（Dual Tone Multi Frequency）信号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，据CCITT的建议，国际上采用的这些频率为697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz等8种。在每组频率中分别抽出一个频率进行组合就可以组成16种DTMF编码，从而代表16种不同的数字或功能键，分别记作0~9、*、#、A、B、C、D。如下图所示。

图1-1 双音多频信号编码示意图

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。

1.1 实验目的

掌握DTMF信号的产生和检测的DSP设计可使学生更加透彻的理解和应用奈奎斯特采样定理，与实际应用相结合，提高学生系统地思考问题和解决实际问题的能力。通过对DSP信号处理器及D/A和A/D转换器的编程，可以培养学生C语言编程能力以及使用DSP硬件平台实现数字信号处理算法的能力。

1.2 技术指标及设计要求

1.2.1 基本部分

1) 使用C语言编写DSP下DTMF信号的产生程序，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DSP下DTMF信号的检测程序，检测到的DTMF编码在CCS调试窗口中显示，要求既不能漏检，也不能重复检出。

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DTMF信号的产生与检测

3) DTMF信号的发送与接收分别使用不同的实验板完成。

1.2.2 发挥部分

1) 使用一个DSP工程同时实现DTMF信号的发送和检测功能。

2) 改进DTMF信号的规定指标，使每秒内可传送的DTMF编码加倍。

3)发送的DTMF信号的幅度在一定范围内可调，此时仍能完成DTMF信号的正常检测。

1.3 方案完成情况

在实现基本要求的基础上，我们又完成了发挥部分的全部要求：能够实现在一个DSP实验箱上同时实现自发自收，基本能实现无差错传输。通过改变处理信号的点数N的数值实现了DTMF信号编码加倍，能够在一秒内传送够多的数据。通过gel添加滑动条的方法实现输入信号幅度可调，并实现判决门限的自适应处理，能随着幅度的变化自动调整门限的值，进而了判决传输信号的正确性。

2 设计内容

2.1 DTMF信号的的定义

双音多频(DTMF)信号是由两个不同频率的信号叠加而成,设V(t)为DTMF信号、VH?t?和VL?t?分别为构成V(t)的两个信号,则它们应满足关系式(1)。

V(t)= VH?t?+VL?t?

(1)

根据CCITT建议,国际上采用697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz、1633Hz8个频率,并将其分成两个群,即低频群和高频群。从低频群和高频群中任意抽出一个频率进行叠加组合,具有16种组合形式,让其代表数字和功率,如表3-1所列,则有关系式(2)。

V(t)=Asin?Ht+Bsin?Lt

(2)

其中Asin?Ht为低频群的值,Bsin?Lt为高频组的值,A、B分别为低频群和高频群样值的量化基线，具体见表2-1。

fL fH 697 770 1209 1 4 1336 2 5 1477 3 6 1633 A B

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852 941 7 * 8 0 表2-1 DTMF频率及其对应的键值

9 # C D 2.2 DTMF信号生成方法

2.2.1 利用math.h采用数学方法产生DTMF信号

buffer[k]= sin(2*pi*k *f0/fs)+ sin(2*pi*k *f1/fs) （式2-1）

f0为行频频率，f1为列频频率，fs为8000采样频率，k为对信号的采样。

2.2.2 利用两个二阶数字正弦波振荡器产生DTMF信号（本课程设计实际采用方法）

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。由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

（式2-2）

其中a1=-2cosω0，a2=1，ω0=2πf0 /fs，fs为采样频率，f0 为输出正弦波的频率，A 为输出正弦波的幅度。该式初值为y(-1)=0，y(-2)=-Asinω0。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。编程的流程如图1所示，由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，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=-2cosω0 与y(-2)=-Asinω0。该流程图可采用C 语言实现，双音信号的产生则由54x汇编代码实现。整个程序作为C 5 4 x 的多通道缓冲串口（McBsp）的发射串口中断服务子程序，由外部送入的16000Hz串口时钟

触发中断，可实时处理并通过D / A 转换器输出DTMF 信令信号。

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图2-1 DTMF编码流程

2.3 DTMF信号的检测方法

DTMF信号的检测方法可以有多种。主要分为从信号时间域处理和从信号频率域处理两大类。

前一种方法包括：过零点位置检测法、信号峰值位置检测法、过零点位置及信号幅值检测法。其特点是实现简单，可以通过MT8880等芯片加上外围电路实现，易于集成化。缺点是易受干扰，对信噪比要求高。现在广泛应用于一般的脉冲拨号电话机。通过神经网络等辅助判别方法可以大大提高信号的识别率。

后一种方法包括：频率判断、能量判断两类。频率判断主要通过滤波器提取DTMF相应的频率信号进行比较判断，滤波器可以用窄带、低通、高通滤波器，应用方式可以有并联、级联、混合联接等方式。能量判断是直接对DTMF信号相应的能量进行计算，找出高、低频率群中最强的信号，进行判断，包括有DFT法（Discrete Fourier Transform）、FFT(Fast Fourier Transform)、Goertzel法等。

本次实验我们采用的是能量判断法，并采用了Goertzel算法。

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图 6-11 程序编译成功

图 6-12 将程序下载到实验箱

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图 6-13 程序运行

图 6-13 打开gel文件滚动条

6.2 实验结果及图像

本次实验中，我们通过一台电脑循环产生0——9、A、B、C、D、*、#，在另一台电脑上会循环显示检测到的DTMF信号，即循环显示0——9、A、B、C、D、*、#。 下面我们从时域和频域两个角度观察一下检测信号的波形：

6.2.1 使用CCS中Graph显示

发送端的时域图形参数设置及显示结果如下所示：

图 6-14 发送缓存区图形参数设置（时域及频域）

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图 6-15 发送缓存区时域图形显示

图 6-16 发送缓存区波形频谱显示

检测端的时域图形参数设置及显示结果如下所示：

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图 4-17 检测缓存区图形参数设置（时域及频域）

图 6-18 发送缓存区时域图形显示

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图 6-19 发送缓存区波形频谱显示

6.2. 2 使用虚拟仪器显示

图 6-20 发送端信号时域波形

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图 6-21 发送端信号频谱

7. 遇到的问题及解决方法

【问题一】

新建工程时头文件路径不匹配，文件编译出错。

解决方法：在菜单栏中选中Project-Build Options-Compiler-preprocessor-Include Search Path，添加正确路径即可。

【问题二】

数据类型定义不当导致cmd文件中，内存分配不足，文件编译出错。

解决方法：打开Debug中的.map文件，观察缓存溢出情况，修改cmd文件内存分配。

【问题三】

声卡抽样频率设置有误，导致虚拟仪器观察输出波形时，出现多余频谱分量。

解决方法：打开AIC23.c，更改波特率设置，即采样频率设置为8K后，输出信号频谱正常。

【问题四】

信号幅度控制与自适应阈值选取衔接有误。

解决方法：算法有误，后采取合理算法即原域值30%+0.7倍第二大频点的幅度平方值70% （thresh=thresh*0.3+0.7*(linshi[1]*0.5) ），信号检测正常。

【问题五】

阈值选取不当，无法正常检测输出信号。

解决方法：经过多次尝试并修改阈值，最终选取合理阈值，正常判决、检测以及显示结果。

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8. 心得体会

刘璐：

双音多频DTMF信号是在按键式电话机上广泛应用的的音频信号，由于我家里最早接触的就是固话，一开始对这个题目比较感兴趣，就选择了这个题目。

通过看课件与查阅资料逐渐懂得了DTMF信号产生与检测的原理，熟悉了利用CSS这款软件和DSK板调试的过程。刚开始只知道按部就班的把过程操作一遍，后来通过学习也渐渐知道添加的*.lib,*.h这些文件的意义所在，比如rts.lib(支持C语言运行的库)、dsk5402.lib、drv5402.lib（是使用dsk板所需的库），c5400/cgtools/include里面含有dsp通用头文件，与硬件无关，而c5400/dsk5402/include中是硬件专用头文件等等。还有关于C语言在DSP课程设计中的应用和以前大一所学习的简单常用的C语言还是很有些区别，要掌握好编程还需要学习和努力。还有一个体会就是最后几天要接到实验板实在很困难，早上起的很早可能也没法借到板子来调试。

这次实验收获很大，掌握了一些对于CCS的运用，学习了DTMF信号的产生与检测的原理，学习了C语言的编程在dsp中的应用，真正体会到了DSP芯片强大的运算和处理能力，并且这次的课程设计不仅仅让我们学会如何使用DSP芯片以及应用，更是给我们今后在实际解决或系统设计时提供了一种设计思路，可根据不同系统的设计要求采用性能要求不同的DSP处理芯片来解决实际问题，同时有效地锻炼和提高了我们的软件编程能力。

总之，此次的课程设计使我收获颇丰，不仅掌握了DTMF信号的相关知识与CCS的操作，更锻炼了我处理问题的实际能力和思考问题的方法，这也必将对日后的科研相关工作奠定积极的意义。最后感谢老师对我的耐心细致的指导，谢谢老师。

9. 参考文献

[1]高海林 钱满义编写《DSP技术及其应用》清华大学出版社 [2] 陈后金等 《信号分析与处理实验》 高等教育出版社

[3] DTMF Tone Generation and Detection:An Implementation Using the TMS320C54x. SPRA096a ,TI.Inc.2000

[4]唐达强.双音多频信号接收器的设计与实现（硕士学位论文）.北京：北方交通大学.1990 [5]陈通，曹小强. 基于NDFT Goertzel滤波器的DTMF信号检测的改进方法.西南大学学报.2008

[6]李义府. 双音多频信号检测在DSP中的实现.中南大学信息科学与工程学院.2006 [7]薛曼芳.基于改进的Goertzel算法的双音多频检测器的设计.甘肃：兰州工业高等专科学校.2008

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7ygr.html