PAGE20-DSP課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告DTMF信號(hào)的產(chǎn)生及檢測(cè)院（系）：電子工程信息學(xué)院設(shè)計(jì)人員：黃煒學(xué)號(hào)：07291039 曹磊 07211193成績(jī)：工程設(shè)計(jì)50報(bào)告20答辯30總分評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)教師簽字：日期：目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)…………1二、設(shè)計(jì)內(nèi)容……………5三、設(shè)計(jì)方案、算法原理說(shuō)明…………10四、程序設(shè)計(jì)、調(diào)試與結(jié)果分析………15五、設(shè)計(jì)（安裝）與調(diào)試的體會(huì)………25六、參考文獻(xiàn)……………26一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1)熟悉CCS的編程環(huán)境和基本試驗(yàn)調(diào)試流程和方法；(2)了解并掌握DTMF信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)遠(yuǎn)離核試驗(yàn)流程；(3)編寫C語(yǔ)言程序，并在CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下調(diào)試通過(guò)；(4)熟練使用軟件CCS5000對(duì)程序的完整調(diào)試過(guò)程。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：利用DTMF信號(hào)產(chǎn)生的原理合成數(shù)字信號(hào)并分析其時(shí)域波形和頻譜；生成各個(gè)按鍵信號(hào)；分析0~9，A~D，*、#幾個(gè)撥號(hào)信息的頻譜，觀察頻譜圖中的峰值點(diǎn)的幅值以及它們出現(xiàn)的位置。根據(jù)譜峰的幅值和位置，識(shí)別各DTMF信號(hào)所對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)的數(shù)字；編寫Goertzel算法的程序，識(shí)別各DTMF信號(hào)所對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)的數(shù)字。生成一串撥號(hào)音，例如8位電話號(hào)碼，進(jìn)行識(shí)別；三、實(shí)驗(yàn)原理及程序設(shè)計(jì):1、DTMF（雙音多頻）信號(hào)簡(jiǎn)介雙音多頻DTMF(DualToneMulti—Frequency)信號(hào)在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，將DTMF信號(hào)的產(chǎn)生與檢測(cè)集成到含有數(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。雙音多頻DTMF(DualToneMulti—Frequency)信號(hào)，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(hào)速率，迅速取代了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤式電話機(jī)使用的撥號(hào)脈沖信號(hào)。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信號(hào)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。CCITT（國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)）建議,國(guó)際上采用697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz、1633Hz12個(gè)頻率,并將其分成兩個(gè)群,即低頻群和高頻群。從低頻群和高頻群中任意抽出一個(gè)頻率進(jìn)行疊加組合,具有16種組合形式,讓其代表數(shù)字和功率,如下圖電話機(jī)鍵盤的頻率矩陣所列。本實(shí)驗(yàn)的目的是使用TMS320C52來(lái)制作DTMF發(fā)生器和檢測(cè)器。DTMF信號(hào)是音頻電話的撥號(hào)信號(hào)，這種撥號(hào)方法取代了脈沖撥號(hào)，每一個(gè)號(hào)碼由兩個(gè)音頻信號(hào)組成，該雙音頻由按鍵所在的行和列對(duì)應(yīng)的頻率決定(如圖所示)。電話中的雙音多頻信號(hào)(DTMF)有兩種作用：一是用于雙音多頻信號(hào)的撥號(hào)，去控制交換機(jī)接通被叫的用戶電話機(jī)；二是利用雙音多頻信號(hào)控制電話機(jī)各種動(dòng)作，如播放留言、語(yǔ)言信箱等。這些功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)DTMF信號(hào)的正確產(chǎn)生和檢測(cè)，專用數(shù)字處理信號(hào)芯片(DSP)的出現(xiàn)，使這個(gè)問(wèn)題得到輕松的解決。2、DTMF的產(chǎn)生DTMF的產(chǎn)生原理DTMF發(fā)生器基于兩個(gè)二階數(shù)字正弦振蕩器，一個(gè)用于產(chǎn)生行頻，一個(gè)用于產(chǎn)生列頻。DSP只要裝載相應(yīng)的系數(shù)和初始條件，就可以只用兩個(gè)振蕩器產(chǎn)生所需的八種音頻信號(hào)。典型的DTMF信號(hào)頻率范圍是700～1700Hz，選取8000Hz作為采樣頻率，即可滿足奈奎斯特定理。設(shè)x[k]為DTMF信號(hào)，產(chǎn)生方式為:x[k]=Asin(k)+Bsin(k)式中=2*pi*/和=2*pi*/分別表示高頻和低頻頻率，A、B分別為低頻群和高頻群樣值的量化基線。振蕩器實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，首先將每個(gè)頻率的常數(shù)存在一個(gè)表中，用來(lái)初始化給定鍵的振蕩器;再按照上式的算法迭代計(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。每一個(gè)數(shù)字搶出的樣本數(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。CCITT對(duì)DTMF信號(hào)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(hào)必須持續(xù)至少45ms，但不超過(guò)55ms。100ms內(nèi)其他時(shí)間為靜音(無(wú)信號(hào))，以便區(qū)別連續(xù)的兩個(gè)按鍵信號(hào)。下圖為DTMF頻率及其對(duì)應(yīng)的鍵值3、DTMF信號(hào)的識(shí)別常用的多頻信號(hào)檢測(cè)手段主要有FFT變換、濾波器組和線性濾波法三種。DTMF解碼即是在輸入信號(hào)中搜索出有效的行頻和列頻。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。Goertzel算法屬于線性濾波法，它可從DTFT和DFT中推導(dǎo)。通過(guò)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(kāi)）。此時(shí)Goertzel算法能更加快速的在輸入信號(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。如圖知，DFT計(jì)算可以等價(jià)為：在實(shí)際的DTMF檢測(cè)中，只需DFT的幅度（本算法為平方幅度）信息就足夠了。對(duì)于實(shí)序列x(n)，Goertzel算法所需的內(nèi)部變量vk(n)也為實(shí)數(shù)。因此計(jì)算如下在識(shí)別DTMF信號(hào)時(shí)，要求確定抽樣點(diǎn)數(shù)N，國(guó)際上通用N=205點(diǎn)或N=125點(diǎn)。下表列出了N=205點(diǎn)時(shí)，各個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的DFT結(jié)果X[m]中的序號(hào)m。N=205時(shí)頻率對(duì)應(yīng)的抽樣信息基頻準(zhǔn)確值m最近的整數(shù)m值兩點(diǎn)的絕對(duì)誤差69717.861180.13977019.731200.26985221.833220.16794124.113240.113120930.981310.019133634.235340.235147737.848380.152由于k的舍入誤差反映的是頻率的偏移，因此必須選擇k舍入誤差小的N值。同時(shí)還要兼顧每個(gè)頻率，每個(gè)頻率k舍入誤差都比較小，或者盡可能的都取“舍”或者都取“入”，這樣就會(huì)使偏移比較小或者都向同一個(gè)方向偏移。DTMF檢測(cè)C54x的MCBSP接收DTMF信號(hào)，每采到一個(gè)新樣點(diǎn)，樣點(diǎn)值代入式，迭代計(jì)算8個(gè)行頻/列頻的中間變量（k為8個(gè)行頻/列頻分別對(duì)應(yīng)的數(shù)字頻率），直到采到N＝205個(gè)樣點(diǎn)（在8kHz采樣頻率下，約為25ms）。此時(shí)再按式子計(jì)算8個(gè)行頻/列頻的幅度平方。接下來(lái)將與門限作比較，判決出有效的音頻信號(hào)。四、實(shí)驗(yàn)程序及注釋：#include"stdio.h"http://頭文件#include"math.h"#include"type.h"#include"board.h"http://函數(shù)原型voiddelay(intperiod);//定義延時(shí)子程序voidgenerate(floatdtmf[16*800],intstart,intnum[10],intm);//定義DTMF信號(hào)產(chǎn)生子程序voiddetect(floatdtmf[16*800],intstart);//定義DTMF檢測(cè)子程序intdata;floatfreq[16][2]={{941,1336},{697,1209},{697,1336},{697,1447}, {770,1209},{770,1336},{770,1447},{852,1209},{852,1336},{852,1447},{697,1633},{770,1633},{852,1633},{941,1633},{941,1209},{941,1477}};//按順序，每一行代表0~9,A~D,*,#對(duì)應(yīng)的數(shù)字頻率floatpi=3.1415926;intn;intnum[10];s16cnt=2;//主程序voidmain(){inti;intnum[10]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};//初始化數(shù)組num[10]floatdtmf[16*800];charch[22];//dsk板的初始化if(brd_init(100))return; while(cnt--)//循環(huán)閃燈 { brd_led_toggle(BRD_LED0); delay(1000); brd_led_toggle(BRD_LED1); delay(1000); brd_led_toggle(BRD_LED2); delay(1000); }//printf("請(qǐng)輸入要輸入字符的位數(shù)，要求小于等于8\r\n");scanf("%d",&n);printf("請(qǐng)輸入n個(gè)字符，0-9或A、B、C或D，或*，或#\r\n");n=2*n;for(i=0;i<n;i++)//輸入字符存放在數(shù)組ch[22]中{scanf("%c",&ch[i]);}for(i=1;i<n;i++,i++)//將輸入轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字存放在數(shù)組num[10]中，{if(ch[i]=='*')'{num[(i-1)/2]=14;'}elseif(ch[i]=='#')//14代表信號(hào)'*'，15代表信號(hào)'#'{num[(i-1)/2]=15;}elseif(ch[i]<='9'&&ch[i]>='0'){num[(i-1)/2]=(int)(ch[i])-48;//0~9代表信號(hào)'0'~'9'}elseif(ch[i]<='D'&&ch[i]>='A'){num[(i-1)/2]=(int)(ch[i])-65+10;//10~13代表信號(hào)'A'~'D'}}for(i=0;i<(n/2);i++)//循環(huán)產(chǎn)生所輸入字符的雙音信號(hào){generate(dtmf,i*800,num,i);}for(i=0;i<(n/2);i++){detect(dtmf,800*i);//信號(hào)的識(shí)別檢測(cè)} return;}//延遲子程序voiddelay(intperiod){inti,j;for(i=0;i<period;i++){for(j=0;j<period>>1;j++);}}//雙音信號(hào)產(chǎn)生子程序voidgenerate(floatdtmf[],intstart,intnum[],intm){ floatx=0,y=0,z=0; intj;//模擬數(shù)字頻率的轉(zhuǎn)換。 x=freq[num[m]][0]/8000*2*pi;//低頻音與采樣頻率之比。 y=freq[num[m]][1]/8000*2*pi;//高頻音與采樣頻率之比。 for(j=1;j<=400;j++)//設(shè)產(chǎn)生信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為100ms，所以j為400。 { z=sin(x*j)+sin(y*j);//DTMF信號(hào)為一個(gè)高頻音和一個(gè)低頻音的組合。dtmf[start+j-1]=z;//采樣值的裝入，前四百個(gè)點(diǎn)為雙音信號(hào)采樣值，dtmf[start+j-1+400]=0;//后四百個(gè)點(diǎn)為0（即靜音信號(hào)）。 }}//信號(hào)識(shí)別子程序voiddetect(floatdtmf[],intstart){inti,j,x,y;charch;floatw[8],b[8][3],result[8];w[0]=2*cos(2*pi*18/205); w[1]=2*cos(2*pi*20/205); w[2]=2*cos(2*pi*22/205); w[3]=2*cos(2*pi*24/205); w[4]=2*cos(2*pi*31/205); w[5]=2*cos(2*pi*34/205); w[6]=2*cos(2*pi*37/205); w[7]=2*cos(2*pi*42/205); for(i=0;i<8;i++)//i表示有8個(gè)頻率點(diǎn)。 { b[i][0]=0; b[i][1]=0; for(j=1;j<=205;j++) { b[i][2]=w[i]*b[i][1]-b[i][0]+dtmf[start+j-1];//DFT在8個(gè)頻率點(diǎn)的值 b[i][0]=b[i][1];//迭代算法 b[i][1]=b[i][2]; } result[i]=b[i][1]*b[i][1]+b[i][0]*b[i][0]-w[i]*b[i][1]*b[i][0];//每一段的8個(gè)頻率點(diǎn) }的幅度平方值 j=0;for(i=0;i<8;i++){if(result[i]>300)//對(duì)result中的值進(jìn)行檢測(cè),與300比較{//當(dāng)超過(guò)300時(shí)，判斷此頻率點(diǎn)上信號(hào)存在 j++; printf("dtmf[%d]:%f\r\n",i,result[i]); if(j==1)//j=1時(shí)i的值賦給x，代表低頻的信息 { x=i; } elseif(j==2)//j=2時(shí)i的值賦給y，代表高頻的信息 { y=i; }}}ch='e';if(j==2){ if(x==0&&y==4)//若x=0,y=4,則表示低頻為697Hz,高頻為1209Hz { ch='1';//這兩個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的數(shù)為1 } elseif(x==0&&y==5)//若x=0,y=5,則表示低頻為697Hz,高頻為1336Hz { ch='2';//這兩個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的數(shù)為2 } elseif(x==0&&y==6)//以下都依次類推 { ch='3'; } elseif(x==1&&y==4) { ch='4'; } elseif(x==1&&y==5) { ch='5'; } elseif(x==1&&y==6) { ch='6'; } elseif(x==2&&y==4) { ch='7'; } elseif(x==2&&y==5) { ch='8'; } elseif(x==2&&y==6) { ch='9'; } elseif(x==3&&y==5) { ch='0'; } elseif(x==3&&y==4) { ch='*'; } elseif(x==3&&y==6) { ch='#'; } elseif(x==0&&y==7) { ch='A'; } elseif(x==1&&y==7) { ch='B'; } elseif(x==2&&y==7) { ch='C'; } elseif(x==3&&y==7) { ch='D'; }}if(ch!='e')//滿足以上一種情況，則輸出檢測(cè)的信號(hào) { printf("TheDTMFsignalis\"%c\".\r\n",ch); }else//以上情況都不滿足，則輸出錯(cuò)誤信息提示{printf("Thenumberinputtediniswrong!\n");}}五、CCS5000程序調(diào)試1、編譯過(guò)程、工程架構(gòu)、編譯環(huán)境設(shè)置1）創(chuàng)建新的工程2）向工程中添加文件從Project/AddFilestoProject，分別選擇DTMF.c，5402.cmd（這個(gè)文件將片段映射到存儲(chǔ)器中），rts.lib（這個(gè)庫(kù)提供目標(biāo)DSP運(yùn)行時(shí)間支持(runtime-support)）等文件。.h文件將出現(xiàn)在ProjectView窗中的Libraries文件夾。頭文件不能手動(dòng)添加，自動(dòng)到：當(dāng)前目錄（源文件所在）或預(yù)編譯器的“includeSearchPath(-i)”option所指定的位置。顯示頭文件：Project—>showDependencies.右擊dtmf.pjt,選擇ScanAllDependencies.3）編譯與運(yùn)行程序選擇Project/RebuildAll或單擊（RebuildAll）菜單條按鈕，CCS重新進(jìn)行編輯、匯編、連接工程里的所有文件。得到結(jié)果：選擇File/LoadProgram.選中dtmf.out,并按Open。CCS將程序裝載到目標(biāo)DSP上，打開(kāi)顯示程序仿匯編指令的Disassembly窗口。選擇Debug/GoMain。從主程序開(kāi)始執(zhí)行程序執(zhí)行過(guò)程需輸入數(shù)據(jù)2、程序運(yùn)行結(jié)果及圖像：觀察信號(hào)時(shí)域圖觀察信號(hào)頻域圖信號(hào)檢測(cè)輸出六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)及感想：通過(guò)此次DSP課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)上課學(xué)過(guò)的知識(shí)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。DTMF信號(hào)是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常接觸到的，即電話撥