1、洛阳理工学院毕业设计（论文） I 基于 DSP 的 DTMF 的信号检测与识别 摘 要 双音多频 DTMF（ Dual Tone Multi-Frequency）信令在全世界范围内得到广泛应用，将 DTMF信令的产生与检测集成到含有数字信号处理器（ DSP）的系统中，是一项较有价值的工程应用。本文给出一种实现方案，阐述 DTMF信令的产生与检测的基本原理 :用两个二阶数字数字正弦振荡器产生 DTMF信号，并通过 Goertzel算法实现 DTMF信号检测。本论文是在 TI公司定点 DSP芯片TMS320C54x系列中的实现 DTMF信号的检测，采用 DSP技术既增加了系统的功能、灵活性，又降低
2、费用，克服了硬件电路实现检测的缺点。 关键词：数字信号处理器 DSP 双音多频 DTMF 正弦波振荡器 Goertzel 算法 英文题目 洛阳理工学院毕业设计（论文） II ABSTRACT 【 从这里键入英文摘要内容 】 英文摘要须与中文摘要内容相对应 ， 英文摘要约 250 个实词；关键词要反映毕业设计说明书（论文）的主要内容，数量一般为 3-5 个。 KEY WORDS: 关键词 1，关键词 2，关键词 3，关键词 4，关键词 5 洛阳理工学院毕业设计（论文） 1 目 录 摘 要 . I 前 言 . 2 第 1 章 绪论 . 4 1.1 DTMF 介绍 . 4 1.2 方案对比 . 4
3、第 2 章 DTMF 信号的基本原理 . 6 2.1 双音多频 (DTMF)信号 . 6 2.2 DTMF 信号的硬件产生与检测 . 7 2.3 双音多频信号软件产生与检测 . 9 2.4 数字正弦波 振荡器原理 .10 2.5 数字匹配滤波器原理（ Geortzel 算法） .11 第 3 章 DTMF 信号接收电路及声卡 .14 3.1.1 声卡概述 .14 3.1.2 声卡的功能 .14 3.1.3 声卡的基本组成 .14 3.2. 音频编解码器 TLV320AIC23 .15 3.3.DTMF 信号输入电路 .18 3.3.1. M T 8 8 8 0 功 能 概 述 :.18 3.3
4、 .2 MT8880 应用电路 .19 第 4 章 DTMF 信号软 件介绍 .23 4.1 DTMF 信号检测的 DSP 软件设计 .23 4.2DTMF 信号检测的单片机软件设计 .25 第 5 章 DTMF 中的硬件设备及仿真 .29 5.1 单片机自举电路 .29 5.2 电源转换电路 .30 5.3.单片机串口电路 .31 5.4 仿真程序运行结果 .33 结 论 .36 谢 辞 .37 洛阳理工学院毕业设计（论文） 2 参考文献 .38 附 录 .39 外文资料翻译 .40 前 言 双音多频 (Dual Tone Multi Frequency， DTMF)信号产生起初是为了代替电
5、话机洛阳理工学院毕业设计（论文） 3 的脉冲拨号而使用的， DTMF 信号有一个高频信号和一个低频信号编码而成。它是最早由美国贝尔公司作为注册商标而在商业领域中使用， DTMF 信号的产生解决了脉冲拨号的不稳定性、传输速率慢和抗干扰能力差的特性，这样就使 DTMF 信号的使用扩展开来。DTMF 信号起先主要用于打电话时电话机的拨号和使用手机的其它功能，如播放语音信箱、查看邮件、阅读短信等。 DTMF 信号具有稳定性强、抗干扰性强等优点，但它是在硬件的基础上实现的。 DTMF 信号的稳定性 强就需要在编码时符合规定的标准，信号具有足够的强度和不能混入杂音， DTMF 信号的抗干扰能力强主要是它由
6、两个特定的音频组成，在接收时能很好的与其它信号区别开来。现在 DTMF 信号的产生和解码多依赖于专用的发生和解码芯片，但解码芯片是固化的程序或纯硬件，使用灵活性差，但遇到话音、音乐等其它杂声干扰时解码会出现一定的误差，而又不能改变其特性，而当专用芯片想用于其它非电话系统中时专用芯片就无用武之地了，因此 DTMF 信号的检测和识别只依靠专用芯片不是一个好的选择。 随着科技的发展将来的生活和工作将会越来越智能化、信息化 、数字化，但它的实现需要依靠处理芯片的发展，处理芯片相当于人的大脑，需要它来统筹整个系统的工作。处理器常常需要处理的是数字量，数字信号处理技术自然就成了将来的发展方向，而数字信号处
7、理器也会广泛的用到生活中的方方面面。通过几十年的发展， DSP芯片的处理速度越来越快，功耗越来越低，功能越来越多，而价格却越来越低，有很高的性价比，它们被广泛的运用到各个领域，如通信领域的移动电话，路由器，交换机， IP 电话等，医疗设备中的 B 超，成像仪器，核磁共振， CT 扫描仪等，军事领域中的导弹制导系统，自动火炮系统，卫星侦测系统，战 机系统等， 生 活中的 ATM 取款机、音箱设备、 MP4、 MP5，游戏机，摄录相机等，工业控制领域的检测、自动控制系统等，近来好多芯片为了增强功能，多加入了 DSP 协处理器，使处理图像、声音和视频时更加流畅，等等，此种种都表现出 DSP 的应用非
8、常广泛。 本课题采用 TI 公司生产的 TMS320VC5402 处理器，利用它的处理速度快、稳定性强和价格低等优势，来代替专用的芯片进行 DTMF 信号的检测与识别。通过此种方法，能降低检测的成本也能缩小硬件的体积，减小对专用芯片的依赖，充分利用了芯片的资源，同时也能方便的运用到除通信领域 的其它系统，如 ATM 取款机、便携手持仪器等。综上，用 DSP 芯片检测 DTMF 信号具有很大的商业工程应用价值。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 4 第 1 章 绪论 1.1 DTMF 介绍 电话中的 双音多频信号（ DTMF）有两种用途：一是用于双音多频信号的拨号，去控制交换机接通被叫的用户话机；二
9、是利用双音多频信号遥控电话机各种动作，如播放留言、语音信箱等，并可以通过附加一些电路来是实现遥控家电设备的开启关闭等智能功能。前者解决双音多频信号的发送和编码，后者是双音多频信号的接收和解码。这些 东西 都离不开 DTMF信号的正确检测。目前，大多数的 DTMF信号的检测均采用专用的发送、接收芯片，这种解码的原理都依赖于计算输入信号的过零率。但这种方法有很大的局限性，无法检测多路 DTMF信号，当混有语音和噪声时，专用芯 片检测往往出现误差，如果音频信号频率改变应用于别的系统时，专用的芯片就发挥不了作用。所以，用硬件实现 DTMF信号的检测并不是一种很好的选择。 信息化已经成为社会发展的大趋势
10、 ， 信息化是以数字化为背景的，而 DSP技术则是数字化最重要的基本技术之一。在过去的短短的二十来年里， DSP处理器的性能得到很大改善，软件和开发工具也得到相应的发展，价格却大幅度地下降，从而得到越来越广泛的应用。通信领域（移动通信的交换设备、基站和手机，网络的路由和交换设备，智能天线，软件无线电， IP电话等），雷达和声纳系统，巡航导弹、灵巧炸 弹及各种武器系统，自动测试系统，医疗诊断设备（ CT、核磁共振、 B超等），计算机及其外设，消费类电子设备（ VCD、 DVD、 HDTV、机顶盒、 MP3、家庭影院系统、数字照相机和摄象机等），机器人及各种自动控制系统，等等，应用范围不胜枚举。
11、1.2 方案对比 方案 1. 硬件实现：以往的 DTMF 信号的产生检测一般用的是模拟硬件电路实现的。前几年 DTMF编解码电路大量是使用 LC或者音叉振荡电路以产生 DTMF的 8个音频。而解码电路过去采用的是音叉滤波，后又改进为有锁相环检测集成电路和简单的滤波器组成，但需要八路。这些电路复杂，制造和调整麻烦。电路多属于 CMOS 集成电路，它一般包括 DTMF 分组滤波器和 DTMF 译码器，当 DTMF 信号经输入电路输入时，先进入高、低频滤波器滤波，经带通滤波后，不仅滤波后，不仅滤掉了信号中的噪声干扰，而且 DTMF 信号的高频信号（ fH ）和低频信号（ fL） 也被区分开来，然后这
12、两组信号分洛阳理工学院毕业设计（论文） 5 别进入过零检测，比较后，得到相应于 DTMF 的两路 fH 、 fL 信号的输出，该两路信号经译码、锁存、缓冲、恢复成对应于 16 种 DTMF 信号音频的 4 比特二进制码。 这种用硬件电路实现 DTMF 检测与软件处理数字信号比起来会有较大的缺陷。 1. 对于一个可编程的数字系统，改变下程序就可以改变对信号处理的方式，而对模拟系统的重新配置就意味着重新设计硬件。 2. 精度上的要求也决定了处理器的选择。 3. 数字信号可以很容易地存储在磁介质中而不会丢失 方案 2. 软件实现：曾经有人尝试用 DSP构成一个数字式带通 滤波器，其中心频率随着采样频
13、率的不同而改变。用顺序扫描的方式来检查每个频率，当某个频率超过给定的门限值时，将其记录，从而确定收到的是哪一个键的信号。然而该方法有一个严重的缺点：由于在给定的时间内只能检测 8个频率中的一个，而不是 8个同时检测，从而使检测的速度缓慢。 因此，本文基于 TMS320S54X 的 DTMF 信号的检测，是在频域解决了上述问题，使DTMF 的检测更加快捷、准确。下面详细介绍基于 DSP 的 DTMF 信号的检测。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 6 第 2 章 DTMF 信 号的基本原理 2.1 双音多频 (DTMF)信号 双音多频 (DTMF)信号就是用两个不同频率的音频信号的组合来传输信息的一
14、种通信信号形式，可以用数学式表示为 )2c os2(c os)( tftfAts LH （ 1） 式中 fH 和 fL 分别是高频组和低频组的两个信号频率。对这两个频率的要求是： 1、位于人而能够听到的音频频率范围内； 2、频率间隔近似为乐音音阶的频率间隔（按十二平均律，相邻各个音的频率呈等比关系，其比值约为 1.059463，例如 C3 130.8Hz，C4=261.7Hz， D4 293.7）。这种信号在电话线路上传输，而且声音悦耳。在电话系统中，高低频组的频率已经标准化，如图 1 所示。 图 1 DTMF 拨号频率标准 DTMF 最早应用是在电话通信系统中作为控制信令使用的。在电话通信系
15、统中，最早的控制信令是使用直流脉冲信号。脉冲拨号方式是由接在旋转拨盘位置上的开关或电子开关控制二线电路的通与断。每拨出一位数字，都有唯一一串电流脉冲相对应，图 2 中给出了数字 3 的电流脉冲序列。每个脉冲周期通常为 100ms，其中有 40%的占空时间，在人工控制条件下，两个相继数字的时间间隔可以从 0.5S 到数秒之间变化不等。由此可见，利用拨号脉冲拨号，发送一个 10 位长的号码大约需要 7 秒的时间。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 7 图 2 脉冲拨号示意图 当采用 DTMF 拨号方式时，号码的每一个数字用一对音频表示，话机中有 8 个单音频，分为两组，通过拨号盘选拨号码时，各位数字由
16、触键开关输入，其对应的某个频率对（高频和低 频）同时传输，图 3 所示为各频率对应位置。对 DTMF 信号所规定的指标为：传送速率为每秒 10 个数字，即每个数字 100ms。每个数字传送过程中，信号必须存在至少 45ms，且不得多于 55ms， 100ms 里其余时间是静音。另外 ITU (国际电信联盟 )还规定， DTMF 信号在每个频率点上允许有 1.5%的偏移，任何超出给定 3.5%的信号认为无效，拒绝承认接收。还规定，在最坏检测条件下，信噪比不得低于 15dB。显然。 DTMF 的拨号方式比双脉冲拨号方式可快至 10 倍，明显缩短了拨号时间。而且 DTMF拨号方式发出的信号抗干扰能力
17、大 大高于脉冲拨号方式。因此，目前普遍使用 DTMF 拨号方式。 采用 DTMF 信号，用话音频率发送数字，可以避免占用额外的信道，又比脉冲拨号方式节约时间。在通信、测量、控制、自动服务等领域有着广泛的应用。在基于电话的各种信息服务系统中，广泛使用了 DTMF 信号来传送按键操作信息。利用这种按键信息，人们可以直接通过电话查询所需要的信息以及进行各种远程控制。在实际系统中，首次拨号由程控交换机识别，完成主叫与被叫之间的接续；二次乃至多次拨号的识别以及操作由用户系统自己完成。 DTMF 信号还可以用来在话音信道上传送各种类型的控制指令，例如利用电话控制家用电器的启停，传送远方的状态监测信息。目前
18、 DTMF 信号已经不仅仅限于在电话系统中应用，在测量、控制、遥测遥控等各个领域都有应用。 由电话机键盘结构图可知，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来自两组预分配的频率组：行频组或列频组。每一对这样的音频信号唯一表示一个数字或符号。当使用电话拨号时，电话机产生两个正弦波叠加在一起后发送，解码时 Phone spy 采用改进的 Goertzel 算法，从频域搜索两个正弦波的存在。 2.2 DTMF 信号的硬件产生与检测 通常是用硬件产生和检测 DTMF 信号。已经有多种专用的产生和检测 DTMF 信号的集成电路器件。具有代表性的 DTMF 发送、接收器的型号
19、为 MT8860, MT8862, MT8870, 洛阳理工学院毕业设计（论文） 8 MT8872 等。 DTMF 信号发送器电路原理如图 3 所示，它主要包括： (1)晶体振荡器 外接晶体 (通常采用 3.58MHz)与片内电路构成振荡器、经分频产生参考信号。 (2)键控可变速率时钟产生电路 它是一种可变分频比的分频器，通常由 n 级移位寄存器与键控反馈逻辑单元组成。 (3)正弦波产生电路 它出正弦波编码器与 D A 变换器构成。通常可变速时钟信号先经过 5 位移位寄存器，产生 组 5 位移位代码，再由可编程逻辑阵列 (PLA)将其转换成二进制代码，送到 D A 变换器转换成台阶形正弦波。显
20、然台阶的宽度等于时钟频率的倒数，这样形成的正弦波频 率必然对应于时钟的速率和按键的号码。 (4)混合电路 将键盘所对应产生的行、列正弦波信号 (即低高群 fL、 fH 单音 )相加，混合成双音信号而输出。 (5)附加功能单元，如含有单音抑制、输出控制 (禁止 )、双键向按无输出等控制电路。 DTMF 接收器主要包括 DTMF 分组滤波器和 DTMF 译码器，其基本原理如图 4 所示。DTMF 接收信号先经高、低群带通滤波进行 fL/fH 区分，然后过零检测、比较，得到相应于 DTMF 的两路 fL/fH 信号输出。该两路信号经译码、锁存、缓冲，恢复成对应于 16 种DTMF 信号音对的 4 比特二进制码 (L1 一 L4 )。 图 3 DTMF 信号发送器电路原理
