-.z雙音多頻DTMF技術(shù)在DSP系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)小組成員：郭亮寧憲李創(chuàng)*恒宇*明超王卓墨書銘莫磊2011-4-5目錄雙音多頻DTMF技術(shù)在DSP系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 1abstract 3雙音多頻 4DDTMF在VOIP中的解決方案 4OutofBandDTMF(RFC2833) 51、DTMF信號(hào)的產(chǎn)生 72DTMF信號(hào)的檢測(cè) 82.2DTMF檢測(cè)器流程 83性能分析 8參考 9abstractDualtonemulti-frequencysignals(DTMF),telephonesystem,telephoneandtheswitchsignalingbetweenauser,usuallyusedtosendthecallednumber.Intheuseofdualtonemulti-frequencysignalbeforethetelephonesystemusingaseriesofintermittentpulsestotransmitthecallednumber,knownaspulsedialing.Sentsimultaneouslytothetwotelephoneswitchfrequencysignal,sendingkeymessages.Atotalofeightfrequencyaudiosignalisdividedinto2groupsof4,anytwobinationscanrepresentatotalof16keys,eachrepresenting0-9,*,*,etc.buttons.雙音多頻雙音多頻DTMF〔DualToneMultiFrequency〕信令，逐漸在全世界*圍內(nèi)使用在按鍵式機(jī)上，因其提供更高的撥號(hào)速率，迅速取代了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤式機(jī)使用的撥號(hào)脈沖信令。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、銀行和ATM終端等。通過(guò)軟件產(chǎn)生與檢測(cè)DTMF信令，是一項(xiàng)較有價(jià)值的工程應(yīng)用。這是一種技術(shù)，就是現(xiàn)在的機(jī)和交換機(jī)之間通訊時(shí)采用的，簡(jiǎn)稱DTMF，就是機(jī)上的一個(gè)按鍵按下去時(shí)，機(jī)向交換機(jī)同時(shí)發(fā)送兩個(gè)頻率的信號(hào)，告訴交換機(jī)按的是哪個(gè)按鍵，以前采用脈沖方式，速度慢，一共有8個(gè)頻率的音頻信號(hào)，分為2組，每組4個(gè)，兩兩組合共可以代表16個(gè)按鍵，分別代表0-9、*、*等按鍵這是一種技術(shù)，就是現(xiàn)在的機(jī)和交換機(jī)之間通訊時(shí)采用的，簡(jiǎn)稱DTMF，就是機(jī)上的一個(gè)按鍵按下去時(shí)，機(jī)向交換機(jī)同時(shí)發(fā)送兩個(gè)頻率的信號(hào)，告訴交換機(jī)按的是哪個(gè)按鍵，以前采用脈沖方式，速度慢，一共有8個(gè)頻率的音頻信號(hào)，分為2組，每組4個(gè)，兩兩組合共可以代表16個(gè)按鍵，分別代表0-9、*、*等按鍵雙音多頻打個(gè)比方，你查費(fèi)的時(shí)候會(huì)用到，有發(fā)送和不發(fā)送兩個(gè)選項(xiàng)，發(fā)送翻開(kāi)，你通話過(guò)程中按鍵會(huì)發(fā)送出去，關(guān)閉則發(fā)送不出去，即你按提示音操作沒(méi)反響。雙音多頻DTMF〔DualToneMulti-Frequency〕信令雙音多頻DTMF〔DualToneMulti-Frequency〕信令，逐漸在全世界*圍內(nèi)使用在按鍵式機(jī)上，因其提供更高的撥號(hào)速率，迅速取代了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤式機(jī)使用的撥號(hào)脈沖信令。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、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。DDTMF在VOIP中的解決方案由于在IP網(wǎng)中的通信傳輸是采用包交換〔packetswitch〕而不是傳統(tǒng)領(lǐng)域中的線路交換〔circuitswitch〕以及IP網(wǎng)的不穩(wěn)定的特性，DTMF在VOIP中應(yīng)用的解決方案和傳統(tǒng)有所不同，并且暫時(shí)還未統(tǒng)一，有多種解決方案。下面簡(jiǎn)單介紹現(xiàn)有的各種方案。用SIP信令的INFO方法攜帶DTMF信號(hào)。該方法是用SIP信令的INFO方法來(lái)明文定義來(lái)代表DTMF信號(hào)。該種方法還在研究討論當(dāng)中，有專家認(rèn)為其并不適用，主要缺陷是因?yàn)镾IP控制信令和媒體傳輸〔RTP〕是分開(kāi)傳輸，很容易造成DTMF信號(hào)和媒體包不同步。簡(jiǎn)單舉個(gè)例子，在VoiceMail應(yīng)用中，用戶根據(jù)提示音輸入一個(gè)DTMF信號(hào)，隨后開(kāi)場(chǎng)留言。Server是在承受到該DTMF信號(hào)后開(kāi)場(chǎng)保存用戶的留言。然而由于DTMF信號(hào)是通過(guò)SIP信令來(lái)傳輸?shù)?，而媒體流是通過(guò)RTP來(lái)傳輸?shù)?，有可能用戶留言的RTP包先到，而該DTMF信號(hào)的INFO消息延遲，導(dǎo)致Server不保存用戶的語(yǔ)音留言直至承受到INFO消息。在RTP媒體傳輸中攜帶DTMF信號(hào)。該方法是將DTMF信號(hào)和媒體流一樣，用RTP包來(lái)傳輸，因而沒(méi)有DTMF信號(hào)和媒體流不同步的問(wèn)題，使用H323信令的VOIP就是采用該種方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)比擬成熟。而其中又分Inband和Outofband〔RFC2833〕兩種。InBandDTMF是指直接將DTMF的音頻數(shù)字信號(hào)不經(jīng)任何處理直接打成RTP包在IP網(wǎng)中傳輸。其中可能和用戶的語(yǔ)音媒體流混合〔mi*〕在一起傳輸。程序要獲知哪個(gè)包有DTMF信號(hào)，是什么DTMF信號(hào)，必須實(shí)時(shí)檢查每個(gè)RTP包里面的媒體流數(shù)據(jù)，分析它的頻域。OutofBandDTMF(RFC2833)OutofBandDTMF是DTMF信號(hào)用專門的RTP包進(jìn)展標(biāo)識(shí)，在RTP包的頭域中就可得知該包是DTMF包，并且知道是什么DTMF信號(hào)。RFC2833專門對(duì)此有定義。動(dòng)態(tài)生成DTMF音頻信號(hào)當(dāng)程序需要產(chǎn)生一個(gè)DTMF音頻數(shù)字信號(hào)時(shí)，當(dāng)然可以讀取已經(jīng)錄制好的文件。在這里介紹如何利用算法程序動(dòng)態(tài)產(chǎn)生單個(gè)DTMF音頻數(shù)字信號(hào)。前面介紹過(guò)DTMF信號(hào)的原理是兩個(gè)不同頻率的正弦波疊加。簡(jiǎn)單的生成正弦波的公式：sample=sin(n*2*PI*f/samplerate)n：采樣序數(shù)，由0開(kāi)場(chǎng)遞增f：正弦波的頻率samplerate：采樣頻率sample：序數(shù)n時(shí)的得出的采樣值如果要生成一個(gè)采樣頻率是8000hz，采樣位是8bit的DTMF信號(hào)，則公式：sample(n)=128+63*sin(n*2*pi*f1/8000)+63*sin(n*2*pi*f2/8000)f1和f2分別是該DTMF信號(hào)的兩個(gè)正弦波頻率其中128=256/263=128/2–1同樣地，如果要生成16bit的DTMF信號(hào)，則公式：sample(n)=32768+16383*sin(n*2*pi*f1/8000)+16383*sin(n*2*pi*f2/8000)計(jì)算DTMF信號(hào)是一個(gè)消耗資源的過(guò)程，你可以通過(guò)不同途徑去優(yōu)化你的代碼，最簡(jiǎn)單的是預(yù)先計(jì)算好2*pi*f1和2*pi*f2的值，減少CPU的計(jì)算時(shí)間。關(guān)于DTMF信號(hào)的時(shí)間間隔，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，以便區(qū)別連續(xù)的兩個(gè)按鍵信號(hào)。根據(jù)RTP包中的音頻信號(hào)檢測(cè)DTMF信號(hào)在輸入信號(hào)中檢測(cè)DTMF信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的數(shù)字，這一解碼過(guò)程本質(zhì)是連續(xù)的過(guò)程，需要在輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)流中連續(xù)地搜索DTMF信號(hào)頻譜的存在。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程分兩步：首先采用Goertzel算法在輸入信號(hào)中提取頻譜信息；接著作檢測(cè)結(jié)果的有效性檢查Goertzel算法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。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。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(hào)并發(fā)送，解碼時(shí)在收到的DTMF信號(hào)中檢測(cè)擊鍵或數(shù)字信息的存在性。機(jī)鍵盤上每一個(gè)鍵通過(guò)由圖1所示的行頻與列頻唯一確定。DTMF的編解碼方案無(wú)需過(guò)多的計(jì)算量，可以很容易DSP系統(tǒng)里與其他任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。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)。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，解碼時(shí)DSP則采用改良的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TMS320C54*〔以下簡(jiǎn)稱為C54*〕系列上的實(shí)現(xiàn)。1、DTMF信號(hào)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(hào)。典型的DTMF信號(hào)頻率*圍是700～1700Hz，選取8000Hz作為采樣頻率，即可滿足Nyquist條件?？梢缘玫皆摱A系統(tǒng)函數(shù)的差分方程為：y(n)=-a1y(n-1)-a2y(n-2)(1)其中a1=-2cosω0a2=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(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，以便區(qū)別連續(xù)的兩個(gè)按鍵信號(hào)。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(zhǎng)度的靜音，因此編碼器有兩個(gè)任務(wù)，其一是音頻信號(hào)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)完畢后，啟動(dòng)下一個(gè)任務(wù)前〔音頻信號(hào)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)完畢后，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(hào)所對(duì)應(yīng)的行頻和列頻信號(hào)，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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，雙音信號(hào)的產(chǎn)生則由54*匯編代碼實(shí)現(xiàn)。整個(gè)程序作為C54*的多通道緩沖串口〔McBsp〕的發(fā)射串口中斷效勞子程序，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(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出DTMF信令信號(hào)。2DTMF信號(hào)的檢測(cè)在輸入信號(hào)中檢測(cè)DTMF信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的數(shù)字，這一解碼過(guò)程本質(zhì)是連續(xù)的過(guò)程，需要在輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)流中連續(xù)地搜索DTMF信號(hào)頻譜的存在。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程分兩步：首先采用Goertzel算法在輸入信號(hào)中提取頻譜信息；接著作檢測(cè)結(jié)果的有效性檢查。2.1Goertzel算法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。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，其算法原理框圖如圖4。由于在DTMF檢測(cè)中，輸入的信號(hào)是實(shí)數(shù)序列，并不需要檢測(cè)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。2.2DTMF檢測(cè)器流程檢測(cè)流程可參照?qǐng)D5，把檢測(cè)程序作為C54*的McBsp接收中斷效勞子程序，在每一個(gè)接收中斷到來(lái)時(shí)，說(shuō)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(duì)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｜*(k)｜2。接下來(lái)將｜*(k)｜2與門限作比擬，并作二次諧波檢測(cè)，判決出有效的音頻信號(hào)。將音頻信號(hào)映射為數(shù)字信號(hào)后，再與上一個(gè)檢測(cè)到的數(shù)字信號(hào)比擬，最終判決出有效的數(shù)字3性能分析基于上述原理與算法代碼，在TI公司的DSP開(kāi)發(fā)環(huán)境CodeposerStudio(CCS)下，分析上述整個(gè)DTMF信令的產(chǎn)生與檢測(cè)方案的性能?！?〕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(cè)〔de_dtmf.obj〕這兩段核心代碼分別占用3e6H和1e0H個(gè)字(16bitword)，即約占1K字的存儲(chǔ)器空間，消耗系統(tǒng)資源極低；〔2〕DTMF信令的產(chǎn)生與檢測(cè)程序均放置于C54*的McBSP中斷效勞子程序內(nèi)，由CCS的代碼剖析工具分析代碼執(zhí)行時(shí)間，當(dāng)C54*運(yùn)行在主頻100MHz時(shí)，DTMF產(chǎn)生中斷效勞子程序interrupttransmit()最大消耗283個(gè)時(shí)鐘周期，即2.83μs，DTMF檢測(cè)中斷效勞子程序interruptreceive()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(cè)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。參考[1]“GeneratingDTMF