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[導(dǎo)讀]  雙音多頻DTMF(Dual Tone Multi-Frequency)信令,逐漸在全世界范圍內(nèi)使用在按鍵式電話機(jī)上,因其提供更高的撥號速率,迅速取代了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤式電話機(jī)使用的撥號脈沖信令。近年來DTMF也應(yīng)用在交互式控制中,諸如語言菜

  雙音多頻DTMF(Dual Tone Multi-Frequency)信令,逐漸在全世界范圍內(nèi)使用在按鍵式電話機(jī)上,因其提供更高的撥號速率,迅速取代了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤式電話機(jī)使用的撥號脈沖信令。近年來DTMF也應(yīng)用在交互式控制中,諸如語言菜單、語言郵件、電話銀行和ATM終端等。將DTMF信令的產(chǎn)生與檢測集成到任一含有數(shù)字信號處理器(DSP)的系統(tǒng)中,是一項(xiàng)較有價(jià)值的工程應(yīng)用。

  DTMF編解碼器在編碼時(shí)將擊鍵或數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成雙音信號并發(fā)送,解碼時(shí)在收到的DTMF信號中檢測擊鍵或數(shù)字信息的存在性。電話機(jī)鍵盤上每一個(gè)鍵通過由圖1所示的行頻與列頻唯一確定。DTMF的編解碼方案無需過多的計(jì)算量,可以很容易的在DSP系統(tǒng)里與其他任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。

  


 

  圖 1

  由圖1可知,一個(gè)DTMF信號由兩個(gè)頻率的音頻信號疊加構(gòu)成。這兩個(gè)音頻信號的頻率來自兩組預(yù)分配的頻率組:行頻組或列頻組。每一對這樣的音頻信號唯一表示一個(gè)數(shù)字或符號。為了產(chǎn)生DTMF信號,DSP用軟件產(chǎn)生兩個(gè)正弦波疊加在一起后發(fā)送,解碼時(shí)DSP則采用改進(jìn)的Goertzel算法,從頻域搜索兩個(gè)正弦波的存在。本文即討論DTMF編解碼在TI公司定點(diǎn)DSP芯片TMS320C54x(以下簡稱為C54x)系列上的實(shí)現(xiàn)。

  1、 DTMF信號的產(chǎn)生

  DTMF編碼器基于兩個(gè)二階數(shù)字正弦波振蕩器,一個(gè)用于產(chǎn)生行頻,一個(gè)用于產(chǎn)生列頻。向DSP裝入相應(yīng)的系數(shù)和初始條件,就可以只用兩個(gè)振蕩器產(chǎn)生所需的八個(gè)音頻信號。典型的DTMF信號頻率范圍是700~1700Hz,選取8000Hz作為采樣頻率,即可滿足Nyquist條件。

  

 

  圖 2

  由圖2數(shù)字振蕩器對的框圖,可以得到該二階系統(tǒng)函數(shù)的差分方程為:

  y(n) = -a1y(n-1) - a2y(n-2) (1)

  其中a1=-2cosω0,a2=1,ω0=2πf0 /fs,fs為采樣頻率,f0為輸出正弦波的頻率,A為輸出正弦波的幅度。該式初值為y(-1)=0,y(-2)=-Asinω0。

  CCITT對DTMF信號規(guī)定的指標(biāo)是,傳送/接收率為每秒10個(gè)數(shù)字,即每個(gè)數(shù)字100ms。代表數(shù)字的音頻信號必須持續(xù)至少45ms,但不超過55ms。100ms內(nèi)其他時(shí)間為靜音,以便區(qū)別連續(xù)的兩個(gè)按鍵信號。

  

 

  圖 3[!--empirenews.page--]

  編程的流程如圖3所示,由CCITT的規(guī)定,數(shù)字之間必須有適當(dāng)長度的靜音,因此編碼器有兩個(gè)任務(wù),其一是音頻信號任務(wù),產(chǎn)生雙音樣本,其二是靜音任務(wù),產(chǎn)生靜音樣本。每個(gè)任務(wù)結(jié)束后,啟動下一個(gè)任務(wù)前(音頻信號任務(wù)或靜音任務(wù)),都必須復(fù)位決定其持續(xù)時(shí)間的定時(shí)器變量。在靜音任務(wù)結(jié)束后,DSP從數(shù)字緩存中調(diào)出下一個(gè)數(shù)字,判決該數(shù)字信號所對應(yīng)的行頻和列頻信號,并根據(jù)不同頻率確定其初始化參數(shù)a1=-2cosω0與y(-2)=-Asinω0。

  該流程圖可采用C語言實(shí)現(xiàn),雙音信號的產(chǎn)生則由54x匯編代碼實(shí)現(xiàn)。整個(gè)程序作為C54x的多通道緩沖串口(McBsp)的發(fā)射串口中斷服務(wù)子程序,由外部送入的8000Hz串口時(shí)鐘觸發(fā)中斷,可實(shí)時(shí)處理并通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出DTMF信令信號。

  2 DTMF信號的檢測

  在輸入信號中檢測DTMF信號,并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的數(shù)字,這一解碼過程本質(zhì)是連續(xù)的過程,需要在輸入的數(shù)據(jù)信號流中連續(xù)地搜索DTMF信號頻譜的存在。整個(gè)檢測過程分兩步:首先采用Goertzel算法在輸入信號中提取頻譜信息;接著作檢測結(jié)果的有效性檢查。

  2.1 Goertzel算法

  DTMF解碼即是在輸入信號中搜索出有效的行頻和列頻。計(jì)算數(shù)字信號的頻譜可以采用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)算得到信號所有譜線,了解信號整個(gè)頻域信息,而對于DTMF信號只用關(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信號與聲音信號區(qū)別開)。此時(shí)Goertzel算法能更加快速的在輸入信號中提取頻譜信息。

  

 

  圖 4

  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4。由于在DTMF檢測中,輸入的信號是實(shí)數(shù)序列,并不需要檢測出8個(gè)行頻/列頻的相位,只需要計(jì)算出其幅度平方即可。

  2.2 DTMF檢測器流程

  檢測流程可參照圖5,把檢測程序作為C54x的McBsp接收中斷服務(wù)子程序,在每一個(gè)接收中斷到來時(shí),表明采到一個(gè)新樣點(diǎn)。樣點(diǎn)值代入式(2),迭代計(jì)算8個(gè)行頻/列頻的中間變量vk(n)(k為8個(gè)行頻/列頻分別對應(yīng)的數(shù)字頻率),直到采到N=125個(gè)樣點(diǎn)(在8kHz采樣頻率下,約為15ms)。此時(shí)再按式(4)計(jì)算8個(gè)行頻/列頻的幅度平方|X(k)|2。接下來將|X(k)|2與門限作比較,并作二次諧波檢測,判決出有效的音頻信號。將音頻信號映射為數(shù)字信號后,再與上一個(gè)檢測到的數(shù)字信號比較,最終判決出有效的數(shù)字信號。

  

 

  圖 5

  按圖5所示流程得到DTMF信令檢測程序。整個(gè)程序作為C54x的McBsp接收串口中斷服務(wù)子程序,從而可以實(shí)時(shí)分析來自A/D轉(zhuǎn)換器的DTMF信令信號。

  3 性能分析

  基于上述原理與算法代碼,在TI公司的DSP開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio(CCS)下,分析上述整個(gè)DTMF信令的產(chǎn)生與檢測方案的性能。

  (1)由CCS給出的如下內(nèi)存印象文件報(bào)告,DTMF的產(chǎn)生(gen_dtmf.obj)與DTMF的檢測(de_dtmf.obj)這兩段核心代碼分別占用3e6H和1e0H個(gè)字(16bit word),即約占1K字的存儲器空間,消耗系統(tǒng)資源極低;

  (2)DTMF信令的產(chǎn)生與檢測程序均放置于C54x的McBSP中斷服務(wù)子程序內(nèi),由CCS的代碼剖析工具分析代碼執(zhí)行時(shí)間,當(dāng) C54x 運(yùn)行在主頻100MHz時(shí),DTMF產(chǎn)生中斷服務(wù)子程序interrupt transmit()最大消耗283個(gè)時(shí)鐘周期,即2.83μs,DTMF檢測中斷服務(wù)子程序interrupt receive()最大消耗6148個(gè)時(shí)鐘周期,約61μs。因此該方案能夠?qū)崟r(shí)產(chǎn)生與檢測DTMF信令,還可保證有時(shí)間冗余度,與其他程序在用戶系統(tǒng)中并發(fā)執(zhí)行。

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