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1、DSP 课程设计实验报告DTMF 信号的产生及检测院（系）：电子信息学院通信 07级设计人员：贾 勇学号： 07211168 设计人员：李 昂学号： 07211170 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：一、 设计任务书双音多频 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、
2、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
3、越好。2 设计思路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。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，。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。
4、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。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。二、 设计内容
5、（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。三、 设计方案、算法原理说明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
6、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（Nyquist 定理：为了正确判定信号频率，信号在一个周期内至少被采样两次）。具体来说DTMF 编码是将拨号盘上的数字09，字母 AD，*E、#F，共 16个字符，用音频范围 ( 小于 3 400 Hz) 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2 组，分别作为列频组和行频组，总共可构成4 4 共 16 种不同组合，代表16 个符号。具体表示方法如图1 所示。 DTMF 双音频可以由2 个可编程的二阶数字正弦振荡器产生，如图 2 所示，分别用于产生行音频和列音频。由于 DTMF 频率范
7、围在6971 633 Hz 之间，根据Nyquist定理可知，用8kHz 速率抽样对DTMF信号没有影响。 及所以 8000HZ这样的频率抽样对DTMF 信号没有影响。（其中在100ms内采样 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。）DTMF 信号的检测：DTMF 信号的检测要比产生复杂得多，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，而软件解码主要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。
8、解码一般有2 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。在检测端对DTMF信号解码时从输入信号中搜索出有效的行频和列频。进行解码可以采用 2 种算法： FFT和 Goertzel算法。 FFT可用来计算点频率处的频谱值，但他不能按逐个样点的方式处理，不利于实时实现，且为了保证频率分辨率，FFT的点数需取得较大。当计算的频率点较少时，Goertzel算法是计算DFT的有效算法，比FFT更快。在本实验系统中，只需关心其8 个行频列频及其二次谐波信息即可，因此，选用了Goe
9、rtzel算法，利用二极点的IIR 滤波器计算离散傅里叶变换值，能够快速高效地提取输入信号的频谱信息。Goertzel算法实质是一个两极点的IIR 滤波器。 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，。Goertzel 算法原理框图在实际的 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。XkyNyNvNvNk vNvNkkkkNkk()()(
10、)()()cos()()()222222121（2）其中 k 的取值可由下表得到：1st Harmonics (N = 205) fs = 8 ksps 2nd Harmonics (N=201) fs = 8 ksps k frequency (k/N)fs/Hz coefficient cos(2pi k/N) k frequency (k/N)fs/Hz coefficient cos(2pi k/N) 18 697 0.85162 35 1393 0.45886 20 770 0.81793 39 1552 0.34445 22 852 0.78115 43 1711 0.22470
11、24 941 0.74142 47 1871 0.10141 31 1209 0.58157 61 2428 -0.32974 34 1336 0.50442 67 2667 -0.50000 38 1477 0.39505 74 2945 -0.67606 42 1633 0.27972 82 3264 -0.83740 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THR_SIG 。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
12、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是哪个数据。四、 程序设计、调试与结果分析我们设计的总体思路是将DTMF 信号的产生与检测分别建立工程，期望在两个DSK 板可以实现双机通信。DTMF 信号的发送程序：程序流程包含两个任务，即音频任务和静默任务。在一段时间间隔后两个任务需要进行互换。 音频任务的作用是产生双音频采样值，静默任务的作用是产生静默采样值。每个任务被分配一定的持续时间。发送源程序
13、：#include #include #include #include #include HANDLE hHandset; s16 data; s16 buffer400; #define PI 3.1415926 float fs=8000; s16 tele_number16=1,2,3,4,5,6,7,8,9,0,A,B,C,D,*,#; float dtmf_freq162= 941,1336,/0 697,1209,/1 697,1336,/2 697,1477,/3 770,1209,/4 770,1336,/5 770,1477,/6 852,1209,/7 852,1336,
14、/8 852,1477,/9 697,1633,/a 770,1633,/b 852,1633,/c 941,1633,/d 941,1209,/* 941,1477/# ; f32 row_freq162=0; /各键值行频系数和初始条件f32 column_freq162=0;/各键值列频系数和初始条件f32 ax1,ay1; f32 x_n,x_n_1,x_n_2; f32 y_n,y_n_1,y_n_2; f32 z_n; void delay(s16 period); /*DTMF发送主程序 */ void main() s16 cnt=2; f32 f0; s16 num; s16
15、 i=0,n=0;/,i1=0 if(brd_init(100)/initial dsk board return; /*LED flick twice ,board works */ while(cnt-) brd_led_toggle(BRD_LED0); delay(1000); brd_led_toggle(BRD_LED1); delay(1000); brd_led_toggle(BRD_LED2); delay(1000); /*open codec,get handle*/ hHandset=codec_open(HANDSET_CODEC); /*setting D/A co
16、verter initial parameter*/ codec_dac_mode(hHandset,CODEC_DAC_15BIT); /D/A works in 15-bit mode codec_aout_gain(hHandset,CODEC_AOUT_MINUS_6dB);/analog output gain is -6dB codec_sample_rate(hHandset,SR_8000); /D/A slew-rate is 8KHz /*Calculate the value of each line_freq of the frequency coefficient COS(2*PI*F0/FS)and Initial co
