雙音多頻DTMF(Dual Tone Multi-Frequency)信令，逐漸在全世界范圍內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)轉盤式電話機使用的撥號脈沖信令。近年來DTMF也應用在交互式控制中，諸如語言菜單、語言郵件、電話銀行和ATM終端等。將DTMF信令的產生與檢測集成到任一含有數字信號處理器 (DSP)的系統(tǒng)中，是一項較有價值的工程應用。

DTMF編解碼器在編碼時將擊鍵或數字信息轉換成雙音信號并發(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成。這兩個音頻信號的頻率來自兩組預分配的頻率組：行頻組或列頻組。每一對這樣的音頻信號唯一表示一個數字或符號。為了產生DTMF信號，DSP用軟件產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。

1、 DTMF信號的產生

DTMF編碼器基于兩個二階數字正弦波振蕩器，一個用于產生行頻，一個用于產生列頻。向DSP裝入相應的系數和初始條件，就可以只用兩個振蕩器產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數字振蕩器對的框圖，可以得到該二階系統(tǒng)函數的差分方程為：

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個數字，即每個數字100ms。代表數字的音頻信號必須持續(xù)至少45ms，但不超過55ms。100ms內其他時間為靜音，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，數字之間必須有適當長度的靜音，因此編碼器有兩個任務，其一是音頻信號任務，產生雙音樣本，其二是靜音任務，產生靜音樣本。每個任務結束后，啟動下一個任務前(音頻信號任務或靜音任務)，都必須復位決定其持續(xù)時間的定時器變量。在靜音任務結束后，DSP從數字緩存中調出下一個數字,判決該數字信號所對應的行頻和列頻信號，并根據不同頻率確定其初始化參數a1=-2cosω0與y(-2)=-Asinω0。

該流程圖可采用C語言實現，雙音信號的產生則由54x匯編代碼實現。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，并將其轉換為實際的數字，這一解碼過程本質是連續(xù)的過程，需要在輸入的數據信號流中連續(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。計算數字信號的頻譜可以采用DFT及其快速算法FFT，而在實現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。