用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)DTMF信號譯碼

時(shí)間：2009-03-18 16:37:01

關(guān)鍵字：信號 DTMF 單片機(jī) 譯碼

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[導(dǎo)讀]引言 DTMF信號首先用于電話的撥號系統(tǒng)，在頻率編碼遙控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)編碼傳輸中的應(yīng)用也很普遍。目前的DTMF譯碼器中，大多采用通用集成器件（單音譯碼電路和組合門電路）或?qū)Ｓ肈TMF信號譯碼集成電路（如MC145436

引言

DTMF信號首先用于電話的撥號系統(tǒng)，在頻率編碼遙控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)編碼傳輸中的應(yīng)用也很普遍。目前的DTMF譯碼器中，大多采用通用集成器件（單音譯碼電路和組合門電路）或?qū)Ｓ肈TMF信號譯碼集成電路（如MC145436等）組成譯碼電路。在很多情況下，DTMF譯碼器輸出的數(shù)據(jù)仍需送入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算及處理，進(jìn)而控制其它各種設(shè)備的動作。因此，如果能找到一種基于單片機(jī)的DTMF信號的譯碼算法，再輔之以簡單的整形電路就可以，既可省去成套譯碼電路，又能達(dá)到簡化電路降低成本的目的。本文所要介紹的，就是這種構(gòu)想的初衷，結(jié)果通過計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)論證認(rèn)為完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1、DTMF信號頻率組成及整形前DTMF信號的幅值密度

在DTMF信號中，16個(gè)指令鍵均由兩個(gè)單音頻率信號組合（見表1）。單音頻率有兩組，高頻組為（1209Hz、1336Hz、1447Hz、1633Hz），低頻組為（697Hz、770Hz、852Hz、941Hz），每個(gè)指令鍵，對應(yīng)的都是一個(gè)高頻組的頻率和一個(gè)低頻組的頻率的組合。以“*”號指令鍵為例：其DTMF信號是由941Hz的低頻組信號和1209Hz的高頻組信號組成。圖1為其頻譜圖。

從圖1中可以看出，“*”號指令鍵的DTMF信號在941Hz和1209Hz處有譜線。在理想條件下，可計(jì)算出頻譜密度函數(shù)X（f）在f=941Hz和1209Hz時(shí)的模值為|X（941）|，|X（1209）|，即它們模值均不為零。也就是說，要是同時(shí)存在頻譜密度函數(shù)模值為|X（941）|，|X（1209）|，并且它們模值均不為零時(shí)，其表征的鍵號為“*”。以此類推（見表1），可分別計(jì)算出低頻組信號|X（697）|、|X（770）|、|X（852）|、|X（941）|和高頻組信號|X（1209）|、|X（1336）|、|X（1447）|、|X（1633）|的模值。如果高、低頻組中均各自有一個(gè)X（f）的模值不為零，則再通過f在表1查找出其表征的指令鍵。

表1 DTMF信號頻率組成表

在用單片機(jī)進(jìn)行X（f）運(yùn)算即離散傅立葉變換（DFT）時(shí)，只能對有限長的DTMF信號進(jìn)行分析與處理，即對有限時(shí)間Tp=NT內(nèi)的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅立葉變換（N為采樣點(diǎn)數(shù)，T為采樣時(shí)間間隔）。

根據(jù)DFT定義式：

同樣以“*” 指令鍵信號為例，在高頻率組f=1209 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)N=256，采樣時(shí)間間隔T=55×10-6 S時(shí)，由式K=f×N×T，可得K=17，即|X（17）|為DTMF信號在頻率為1209 Hz處的幅值密度其值為121.5。在低頻率組f=941 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)N=256，采樣時(shí)間間隔T=54×10-6 S時(shí)，由式K=f×N×T，可得K=13，即|X（13）|為DTMF信號在頻率為941 Hz處的幅值密度其值為123.6。同理，可計(jì)算出其它15個(gè)指令鍵的幅值密度，見表2（表2為對16個(gè)指令鍵的DTMF信號采用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算后的幅值密度）。

表2 整形前DTMF信號的幅值密度表

從表2看出：由于時(shí)域無限長DTMF信號被截?cái)嗨鸬男孤┬?yīng)，如“2”、“3”號鍵對應(yīng)的DTMF信號雖然不含有頻率為1209 Hz和941 Hz的信號成份，可是｜X（17）|、｜X（13）|不為零，理想時(shí)應(yīng)為零，也就是說存在一定的幅值密度誤差。但對于含有f=1209 Hz高頻組信號的DTMF信號（如“1”、“4”、“7”、“*”鍵），其｜X（17）|值遠(yuǎn)大于不含f=1209 Hz高頻組信號的DTMF信號的｜X（17）|值。同樣，對于含有f=941 Hz低頻組信號的DTMF信號的｜X（13）|值遠(yuǎn)大于不含f=941Hz低頻組信號的DTMF信號的｜X（13）|值，這樣就為實(shí)際DTMF信號譯碼識別提供了必要的條件。
　　因在實(shí)際DTMF信號譯碼應(yīng)用時(shí)，任一鍵號所對應(yīng)的DTMF信號的譯碼過程為：

2、整形后DTMF信號的幅值密度及其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析

　　為了把DTMF信號送入單片機(jī)進(jìn)行DTMF信號譯碼，還必須要對DTMF信號進(jìn)行整形，見圖2所示。DTMF信號經(jīng)比較限幅，整形為方波后。從DFT變換定義式看出：式中x（nT）的值只能為0或者1，因此計(jì)算｜X（k）｜的運(yùn)算量大大降低，表3即為通過整形后DTMF信號采用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算出的幅值密度。

圖2 DTMF信號比較限幅示意圖

表3 整形后DTMF信號的幅值密度表

對比表3和表2可以發(fā)現(xiàn)，整形為方波后的DTFM信號泄漏譜線的幅值密度有所增大，而有效譜線的幅值密度也相應(yīng)變小。例如7號指令鍵產(chǎn)生的泄漏譜線的幅值密度其值從14.09增大到22.38，而有效幅值密度其值從127.9減小到107.26。造成此類問題的主要原因是：

　?。?）由于N，T只能選擇整數(shù)，1/f不可能被N×T所整除，所以這必然會帶來柵欄效應(yīng)，此時(shí)計(jì)算所得的有效譜線的幅值密度必然小于實(shí) 際值。同時(shí) ，由于采樣時(shí)間Tp=NT有限長而引起的泄漏效應(yīng)，也必然會導(dǎo)致泄漏譜線的幅值密度增大。
　　（2）DTMF信號經(jīng)整形為方波后會產(chǎn)生了十分豐富的諧波干擾，這些干擾信號的頻率如果接近泄漏譜線的頻率，也會使泄漏譜線的幅值密度增大。

　　因此在譯碼過程中，如果有效譜線的幅值密度值變小，而泄漏譜線的幅值密度增大，當(dāng)泄漏譜線的幅值密度大于有效譜線的幅值密度時(shí)，就會引起錯(cuò)譯和漏譯現(xiàn)象。所以在N×T值選擇過小，或者與待測周期的整數(shù)倍相差過大，再加上整形為方波后諧波干擾，將有可能引起錯(cuò)譯和漏譯。

但是從表3中可見泄漏譜線的幅值密度最大值為22.38，而有效譜線的幅值密度最小值為87.92兩者相差近4倍，還存在較大的冗余量。例如：對于含有f=1209 Hz高頻組信號的DTMF信號（如“1”、“4”、“7”、“*”鍵），其｜X（17）|值仍遠(yuǎn)大于不含f=1209 Hz高頻組信號的DTMF信號的｜X（17）|值。同樣，對于含有f=941 Hz低頻組信號的DTMF信號的｜X（13）|值也遠(yuǎn)大于不含f=941Hz低頻組信號的DTMF信號的｜X（13）|值，二者仍可在排序中明顯區(qū)分出來，所以對DTMF信號整形后產(chǎn)生的一定幅值密度誤差增大，完全可以忽略不計(jì)，只要譯碼應(yīng)用程序設(shè)計(jì)得當(dāng),合理選取N、T值，不會出現(xiàn)錯(cuò)譯和漏譯現(xiàn)象。

在DTMF信號比較準(zhǔn)確或干擾較小的場合，甚至還可以通過減少N，T的值來提高運(yùn)算速度，減少譯碼時(shí)間。

3、重點(diǎn)參數(shù)的選取

為了能更好的確保用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)DTMF信號譯碼，避免出現(xiàn)錯(cuò)譯和漏譯現(xiàn)象，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)N，采樣時(shí)間間隔T，譜線系數(shù)K，是至關(guān)重要的參數(shù)，它們的選取應(yīng)遵循以下原則：

　?。?）N×T盡可能接近信號周期的整數(shù)倍。
　?。?）通過增大N×T，可有效提高分辨率，但N增大會導(dǎo)致運(yùn)算量增大，且N一般應(yīng)滿足N=2n，增大T時(shí)，一定需注意滿足香農(nóng)定理。
　?。?）K=f×N×T

　　表4為推薦的參數(shù)選擇表。
表4 推薦的參數(shù)選擇表

4、DTMF信號譯碼應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

4.1 DTMF信號譯碼記錄子程序流程圖

圖中DL1為運(yùn)行a、b、c、d、e、f、g所需時(shí)間，DL2為運(yùn)行c、d、e、f、g所需時(shí)間。

圖3 記錄子程序流程圖

4.2 DTMF信號譯碼主流程圖

圖4 DTMF信號譯碼算法主流程圖

5、結(jié)論

通過對DTMF信號譯碼算法的探討和計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)論證，認(rèn)為完全可使用單片機(jī)來進(jìn)行DTMF信號的譯碼，并且效果能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從而可省去成套譯碼電路，又能達(dá)到簡化電路降低成本的目的。