【正文】 信號(hào)的高頻信號(hào)（ fH ）和低頻信號(hào)（ fL）也被區(qū)分開來(lái)，然后這兩組信號(hào)分別進(jìn)入過零檢測(cè)，比較后，得到相應(yīng)于 DTMF 的兩路 fH 、 fL 信號(hào)的輸出，該兩路信號(hào)經(jīng)譯碼、鎖存、緩沖、恢復(fù)成對(duì)應(yīng)于 16種 DTMF 信號(hào)音頻的 4 比特二進(jìn)制碼。 這種用硬件電路實(shí)現(xiàn) DTMF 檢測(cè)與軟件處理數(shù)字信號(hào)比起來(lái)會(huì)有 較大的缺陷。 （ 1） 對(duì)于一個(gè)可編程的數(shù)字系統(tǒng)，改變下程序就可以改變對(duì)信號(hào)處理的方式，而對(duì)模擬系統(tǒng)的重新配置就意味著重新設(shè)計(jì)硬件。 （ 2） 精度上的要求也決定了處理器的選擇。 （ 3） 數(shù)字信號(hào)可以很容易地存儲(chǔ)在磁介質(zhì)中而不會(huì)丟失 方案 2. 軟件實(shí)現(xiàn)：曾經(jīng)有人嘗試用 DSP構(gòu)成一個(gè)數(shù)字式帶通濾波器，其中心頻率隨著采樣頻率的不同而改變。用順序掃描的方式來(lái)檢查每個(gè)頻率，當(dāng)某個(gè)頻率超過給定的門限值時(shí)，將其記錄，從而確定收到的是哪一個(gè)鍵的信號(hào)。然而該方法有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：由于在給定的時(shí)間內(nèi)只能檢測(cè) 8個(gè)頻率中的一個(gè)，而不是 8個(gè)同時(shí)檢測(cè)，從而使檢測(cè)的速度緩慢。 因此，本文基于 TMS320S54X 的 DTMF 信號(hào)的檢測(cè)，是在頻域解決了上述問題，使 DTMF 的檢測(cè)更加快捷、準(zhǔn)確。下面詳細(xì)介紹基于 DSP 的 DTMF信號(hào)的檢測(cè)。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 DTMF 信號(hào)的基本原理 雙音多頻 (DTMF)信號(hào) 雙音多頻 (DTMF)信號(hào)就是用兩個(gè)不同頻率的音頻信號(hào)的組合來(lái)傳輸信息的一種通信信號(hào)形式，可以用數(shù)學(xué)式表示為 )2c o s2( c o s)( tftfAts LH ?? ?? （ 1） 式中 fH 和 fL 分別是高頻組和低頻組的兩個(gè)信號(hào)頻率。對(duì)這兩個(gè)頻率的要求是： 位于人而能夠聽到的音頻頻率范圍內(nèi)； 頻率間隔近似為樂音音階的頻率間隔（按十二平均律，相鄰各個(gè)音的頻率呈等比關(guān)系，其比值約為，例如 C3 ， C4=， D4 ）。這種信號(hào)在電話線路上傳輸，而且聲音悅耳。在電話系統(tǒng)中，高低頻組的頻率已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，如圖 1所示。 圖 1 DTMF 撥號(hào)頻率標(biāo)準(zhǔn) DTMF 最早應(yīng)用是在電話通信系統(tǒng)中作為控制信令使用的。在電話通信系統(tǒng)中，最早的控制信令是使用直流脈沖信號(hào)。脈沖撥 號(hào)方式是由接在旋轉(zhuǎn)撥盤位置上的開關(guān)或電子開關(guān)控制二線電路的通與斷。每撥出一位數(shù)字，都有唯一一串電流脈沖相對(duì)應(yīng)，圖 2 中給出了數(shù)字 ’ 3’ 的電流脈沖序列。每個(gè)脈沖周期通常為 100ms，其中有 40%的占空時(shí)間，在人工控制條件下，兩個(gè)相繼數(shù)字的時(shí)間間隔可以從 到數(shù)秒之間變化不等。由此可見，利用撥號(hào)脈沖洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 撥號(hào)，發(fā)送一個(gè) 10 位長(zhǎng)的號(hào)碼大約需要 7 秒的時(shí)間。 圖 2 脈沖撥號(hào)示意圖 當(dāng)采用 DTMF 撥號(hào)方式時(shí)，號(hào)碼的每一個(gè)數(shù)字用一對(duì)音頻表示，話機(jī)中有 8 個(gè)單音頻，分為兩組，通過撥號(hào)盤選撥號(hào)碼時(shí)，各位數(shù)字由觸鍵開關(guān)輸入，其對(duì)應(yīng)的某個(gè)頻率對(duì)（高頻和低頻）同時(shí)傳輸，圖 3 所示為各頻率對(duì)應(yīng)位置。對(duì) DTMF 信號(hào)所規(guī)定的指標(biāo)為：傳送速率為每秒 10個(gè)數(shù)字，即每個(gè)數(shù)字 100ms。每個(gè)數(shù)字傳送過程中，信號(hào)必須存在至少 45ms，且不得多于 55ms，100ms 里其余時(shí)間是靜音。另外 ITU (國(guó)際電信聯(lián)盟 )還規(guī)定， DTMF 信號(hào)在每個(gè)頻率點(diǎn)上允許有 %的偏移，任何超出給定 %的信號(hào)認(rèn)為無(wú)效，拒絕承認(rèn)接收。還規(guī) 定，在最壞檢測(cè)條件下，信噪比不得低于 15dB。顯然。 DTMF的撥號(hào)方式比雙脈沖撥號(hào)方式可快至 10 倍，明顯縮短了撥號(hào)時(shí)間。而且 DTMF撥號(hào)方式發(fā)出的信號(hào)抗干擾能力大大高于脈沖撥號(hào)方式。因此，目前普遍使用 DTMF 撥號(hào)方式。 采用 DTMF 信號(hào)，用話音頻率發(fā)送數(shù)字，可以避免占用額外的信道，又比脈沖撥號(hào)方式節(jié)約時(shí)間。在通信、測(cè)量、控制、自動(dòng)服務(wù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在基于電話的各種信息服務(wù)系統(tǒng)中，廣泛使用了 DTMF 信號(hào)來(lái)傳送按鍵操作信息。利用這種按鍵信息，人們可以直接通過電話查詢所需要的信息以及進(jìn)行各種遠(yuǎn)程控制。在實(shí) 際系統(tǒng)中，首次撥號(hào)由程控交換機(jī)識(shí)別，完成主叫與被叫之間的接續(xù)；二次乃至多次撥號(hào)的識(shí)別以及操作由用戶系統(tǒng)自己完成。 DTMF 信號(hào)還可以用來(lái)在話音信道上傳送各種類型的控制指令，例如利用電話控制家用電器的啟停，傳送遠(yuǎn)方的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息。目前 DTMF 信號(hào)已經(jīng)不僅僅限于在電話系統(tǒng)中應(yīng)用，在測(cè)量、控制、遙測(cè)遙控等各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 由電話機(jī)鍵盤結(jié)構(gòu)圖可知，一個(gè) DTMF 信號(hào)由兩個(gè)頻率的音頻信號(hào)疊加構(gòu)成。這兩個(gè)音頻信號(hào)的頻率來(lái)自兩組預(yù)分配的頻率組：行頻組或列頻組。每一對(duì)這樣的音頻信號(hào)唯一表示一個(gè)數(shù)字或符號(hào)。當(dāng)使用電話撥號(hào)時(shí)，電 話機(jī)產(chǎn)生兩個(gè)正弦波疊加在一起后發(fā)送，解碼時(shí) Phone spy 采用改進(jìn)的Goertzel 算法，從頻域搜索兩個(gè)正弦波的存在 。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 DTMF 信號(hào)的硬件產(chǎn)生與檢測(cè) 通常是用硬件產(chǎn)生和檢測(cè) DTMF信號(hào)。已經(jīng)有多種專用的產(chǎn)生和檢測(cè) DTMF信號(hào)的集成電路器件。具有代表性的 DTMF 發(fā)送、接收器的型號(hào)為 MT8860, MT8862, MT8870, MT8872 等。 DTMF 信號(hào)發(fā)送器電路原理如圖 3 所示，它主要包括： (1)晶體振蕩器 —— 外接晶體 (通常采用 )與片內(nèi)電路構(gòu)成振蕩器、經(jīng)分頻產(chǎn)生參考信號(hào)。 (2)鍵控可變速率時(shí)鐘產(chǎn)生電路 —— 它是一種可變分頻比的分頻器，通常由 n 級(jí)移位寄存器與鍵控反饋邏輯單元組成。 (3)正弦波產(chǎn)生電路 —— 它出正弦波編碼器與 D— A 變換器構(gòu)成。通?？勺兯贂r(shí)鐘信號(hào)先經(jīng)過 5 位移位寄存器，產(chǎn)生 — 組 5 位移位代碼，再由可編程邏輯陣列 (PLA)將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼，送到 D— A 變換器轉(zhuǎn)換成臺(tái)階形正弦波。顯然臺(tái)階的寬度等于時(shí)鐘頻率的倒數(shù)，這樣形成的正弦波頻 率必然對(duì)應(yīng)于時(shí)鐘的速率和按鍵的號(hào)碼。(4)混合電路 —— 將鍵盤所對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的行、列正弦波信號(hào) (即低高群 fL、 fH 單音 )相加，混合成雙音信號(hào)而輸出。 (5)附加功能單元，如含有單音抑制、輸出控制 (禁止 )、雙鍵向按無(wú)輸出等控制電路。 DTMF 接收器主要包括 DTMF 分組濾波器和 DTMF 譯碼器，其基本原理如圖4 所示。 DTMF 接收信號(hào)先經(jīng)高、低群帶通濾波進(jìn)行 fL/fH 區(qū)分，然后過零檢測(cè)、比較，得到相應(yīng)于 DTMF 的兩路 fL/fH 信號(hào)輸出。該兩路信號(hào)經(jīng)譯碼、鎖存、圖 3 DTMF 信號(hào)發(fā)送器電路原理 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 緩沖，恢復(fù)成對(duì)應(yīng)于 16 種 DTMF 信號(hào)音對(duì)的 4 比特二進(jìn)制碼 (L1 一 L4)。 雙音多頻信號(hào)軟件產(chǎn)生與檢測(cè) 近年來(lái) DTMF 也應(yīng)用在交互式控制中，諸如語(yǔ)言菜單、語(yǔ)言郵件、電話銀行和 ATM 終端等。將 DTMF 信令的產(chǎn)生與檢測(cè)集成到任一含有數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)的系統(tǒng)中，是一項(xiàng)較有價(jià)值的工程應(yīng)用。 為了產(chǎn)生 DTMF 信號(hào)， DSP 用軟件產(chǎn)生兩個(gè)正弦波疊加在一起后發(fā)送，軟件具體實(shí)現(xiàn)方式可以有三種方法： （ 1）用軟件模擬 DSP 的方式產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)字正弦波振蕩器并把輸出合成起來(lái)，建立所希望的雙音頻。 （ 2）通過產(chǎn)生的某頻率的方波后再附加濾波器濾出二次以上的諧波，產(chǎn)生 DTMF 信號(hào)。 （ 3）查表輸出產(chǎn)生 DTMF 信號(hào)。 軟件檢測(cè) DTMF 信號(hào)主要有以下方法： （ 1）利用離散傅立葉變換 (DFT)及其快速算法 (FFT)，求取 DTMF 信號(hào)頻譜的峰值點(diǎn)，進(jìn)而利用峰值點(diǎn)的頻率判斷發(fā)送的數(shù)字。這種方法的缺點(diǎn)是計(jì)算量大，不利于實(shí)時(shí)處理。但是如果使用 MATLAB 軟件仿真則可以用很簡(jiǎn)單的幾條語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。 （ 2）對(duì)于 DTMF 信號(hào)的波形，波形過零點(diǎn)數(shù)量決定了低頻信號(hào)的頻率，圖 4 硬件接收 DTMF 信號(hào)的電路原理 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 而極值點(diǎn)數(shù)量決定了高頻信號(hào)的頻率。因此通過軟件分別計(jì)算出高頻頻 率和低頻頻率，從而實(shí)現(xiàn) DTMF 的解碼。 這里選擇采樣頻率為 8K，已知每一個(gè)信號(hào)的頻率至少持續(xù) 40ms 的時(shí)間，我們對(duì) DTMF 采樣 160 個(gè)點(diǎn)，即 20ms，這樣總會(huì)有一個(gè) 20ms 的采樣點(diǎn)全部落在 40ms 的發(fā)送范圍內(nèi)，對(duì)采樣的點(diǎn)進(jìn)行 6 次求和取平均，去掉噪聲成分，然后分別計(jì)算過零點(diǎn)的數(shù)目 a 和極值點(diǎn)的數(shù)目 b，對(duì)應(yīng)頻率可以計(jì)算為： afL *50? bfH *50? 既然可以求出 DTMF 信號(hào)的一組頻率值， 那么就可以得出對(duì)應(yīng)電話號(hào)碼值。這種算法比較適合于單片機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)，但是其抗噪聲性能較差。 （ 3）計(jì)算接收到的 DTMF 信號(hào)在 8 個(gè)既定頻率的能量，進(jìn)而確定是否有 DTMF 信號(hào)到達(dá)以及收到的是哪一對(duì)信號(hào)，此外通過計(jì)算接收信號(hào)的總能量來(lái)防止誤判。采用 Geortzel 算法可進(jìn)一步提高計(jì)算效率， Goertzel 算法實(shí)質(zhì)是一個(gè)兩極點(diǎn)的 IIR濾波器，對(duì)應(yīng)每一個(gè)頻點(diǎn)有一個(gè)匹配濾波器，在抽樣時(shí)刻檢測(cè)。這種方法理論上屬于最佳接收方法，而且算法有利于用 DSP實(shí)現(xiàn)。在本次課程設(shè)計(jì)中要求使用這種方法。 DTMF 解碼即是在輸入信號(hào)中搜 索出有效的行頻和列頻。 數(shù)字正弦波振蕩器原理 數(shù)字正弦波振蕩器的功能是利用數(shù)字信號(hào)處理的方法產(chǎn)生正弦波信號(hào))cos( t? 的抽樣序列 ? ?)cos( nT? 。基本原理是： 設(shè)數(shù)字正弦波振蕩器要產(chǎn)生的波形為 )()(21)()c o s ()( nTueenTunTny nTjnTj ??? ???? （ 1） 則其 Z 變換為 ???? ?? ?? ?????? ? 0 )(21)()( n nnTjnTjn n zeeznyzY ?? 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 1c os2 )c os(21 2 ?? ???????? ??? ? Tzz Tzzez zez z nTjnTj ???? 上式的分子與分母同時(shí)乘以 2?z 211c os21 c os1 ????? ?? zTz Tz ? ? y(n)可以看作是一個(gè)單位沖擊函數(shù)激勵(lì)了一個(gè)線性系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)。這個(gè)線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)就是 Y(z)。由 Y(z)可以寫出該線性系統(tǒng)的差分方程： )1()c o s ()()2()1()c o s (2)( 00 ??????? nxnxnynyny ?? 式中 ss ffT /20 ??? ?? 為數(shù)字角頻率。 令輸入 x(n)為單位沖擊函數(shù)，即 ??? ???? 00 01)()( nnnnx ? 則可以得到下面的遞推方程 當(dāng) n0 時(shí)， y(n)=0 當(dāng) n=0 時(shí)， y(0)=0 當(dāng) n=1 時(shí)， )c o s ()1()c o s ()0()c o s (2)1( 000 ??? ??? xyy 當(dāng) n=2 時(shí)， )0()1()c o s (2)2( 0 yyy ?? ? 當(dāng) n2 時(shí)， )2()1()c o s (2)( 0 ???? nynyny ? (2) 實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先將每個(gè)頻率常數(shù)存在一個(gè)表中，用來(lái)初始化給定鍵的振蕩器；再按照 (2)進(jìn)行迭代計(jì)算，就得到正弦序列的輸出；將兩個(gè)這樣的輸出疊加即可得到雙音頻的輸出。每個(gè)數(shù)字輸出的樣本數(shù)取決于數(shù)字速率與采樣速率。雙音頻中的每一個(gè)音調(diào)之后都是同樣長(zhǎng)度的無(wú)音周期，從而可以檢測(cè)到按鍵的釋放。 數(shù)字匹配濾波器原理（ Geortzel 算法） 計(jì)算接收到的 DTMF 信號(hào)在 8 個(gè)既定頻率的能量，進(jìn)而 確定是否有 DTMF信號(hào)到達(dá)以及收到的是哪一對(duì)信號(hào)，此外通過計(jì)算接收信號(hào)的總能量來(lái)防止洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 誤判。為滿足檢測(cè) 8 個(gè) DTMF 頻點(diǎn)（偏差 %），需計(jì)算 256 點(diǎn) FFT，因只對(duì)8個(gè)頻點(diǎn)感興趣，故可以直接計(jì)算 8 個(gè)頻點(diǎn)附近的 DFT ????? 10/2)()( NnNknjenxkX ?, 87654321 ,, kkkkkkkkk ? 計(jì)算數(shù)字信號(hào)的頻譜可以采用 DFT 及其快速算法 FFT，而在實(shí)現(xiàn) DTMF 解碼時(shí)，采用 Goertzel 算法要比 FFT 更快。通過 FFT 可以計(jì)算得到信號(hào)所有譜線，了解信號(hào)整個(gè)頻域信息，而對(duì)于 DTMF 信號(hào)只用關(guān)心其 8 個(gè)行頻 /列頻及其二次諧波信息即可（二次諧波的信息用于將 DTMF 信號(hào)與聲音信號(hào)區(qū)別開）。此時(shí) Goertzel 算法能更加快速地在輸入信號(hào)中提取頻譜信息。 Goertzel算法實(shí)質(zhì)是一個(gè)兩極點(diǎn)的 IIR 濾波器，其算法原理框圖如圖 5。 圖 5 Geortzel 算法信號(hào)流圖 對(duì)應(yīng)每一個(gè)頻點(diǎn)有一個(gè)匹配濾波器，第 k 個(gè)頻 率匹配濾波器的傳遞函數(shù)為 )()(c os21 1)( 2121 1 zHzHzz zWzH kkkkNK ??? ?? ???? 其中 211