雙音多頻DTMF技術(shù)在DSP系統(tǒng)的實現(xiàn)

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，是一項較有價值的工程應(yīng)用。

DTMF編解碼器在編碼時將擊鍵或數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成雙音信號并發(fā)送，解碼時在收到的DTMF信號中檢測擊鍵或數(shù)字信息的存在性。電話機鍵盤上每一個鍵通過由圖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DTMF信號由兩個頻率的音頻信號疊加構(gòu)成。這兩個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數(shù)字或符號。為了產(chǎn)生DTMF信號，DSP用軟件產(chǎn)生兩個正弦波疊加在一起后發(fā)送，解碼時DSP則采用改進的Goertzel算法，從頻域搜索兩個正弦波的存在。本文即討論DTMF編解碼在TI公司定點DSP芯片TMS320C54x(以下簡稱為C54x)系列上的實現(xiàn)。

1、 DTMF信號的產(chǎn)生

DTMF編碼器基于兩個二階數(shù)字正弦波振蕩器，一個用于產(chǎn)生行頻，一個用于產(chǎn)生列頻。向DSP裝入相應(yīng)的系數(shù)和初始條件，就可以只用兩個振蕩器產(chǎn)生所需的八個音頻信號。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)定的指標是，傳送/接收率為每秒10個數(shù)字，即每個數(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)其他時間為靜音，以便區(qū)別連續(xù)的兩個按鍵信號。

圖 3

編程的流程如圖3所示，由CCITT的規(guī)定，數(shù)字之間必須有適當長度的靜音，因此編碼器有兩個任務(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。每個任務(wù)結(jié)束后，啟動下一個任務(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)時間的定時器變量。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語言實現(xiàn)，雙音信號的產(chǎn)生則由54x匯編代碼實現(xiàn)。整個程序作為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串口時鐘觸發(fā)中斷，可實時處理并通過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。計算數(shù)字信號的頻譜可以采用DFT及其快速算法FFT，而在實現(xiàn)DTMF解碼時，采用 Goertzel算法要比FFT更快。通過FFT可以計算得到信號所有譜線，了解信號整個頻域信息，而對于DTMF信號只用關(guān)心其8個行頻/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算法實質(zhì)是一個兩極點的IIR濾波器，其算法原理框圖如圖4。由于在DTMF檢測中，輸入的信號是實數(shù)序列，并不需要檢測出8個行頻/列頻的相位，只需要計算出其幅度平方即可。