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。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。

　　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。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表示一個數(shù)字或符號。電話機中通常有16個按鍵，其中有10個數(shù)字鍵0～9和6個功能鍵*、#、A、B、C、D。由于按照組合原理，一般應(yīng)有8種不同的單音頻信號。因此可采用的頻率也有8種，故稱之為多頻，又因它采用分別從高低頻中任意抽出1種進行組合來進行編碼，所以又稱之為“8中取2”的編碼技術(shù)。

　　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。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。DTMF雙音頻信號由兩個二階數(shù)字正弦振蕩器產(chǎn)生，一個用來產(chǎn)生行音頻信號，另一個產(chǎn)生列音頻信號。

　　CCITT規(guī)定每秒多按10個鍵，即每個鍵時隙短為100MS，其中音頻實際持續(xù)時間至少為45MS，不大于55MS，時隙的其他時間內(nèi)保持靜默，因此按鍵產(chǎn)生雙音頻信號時，相繼的兩個信號間隔一段時間；解碼器利用這個時間識別出雙音頻信號，并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信息，而且要識別出間隙信息。因此流程包含音頻任務(wù)和靜默任務(wù)，前者是產(chǎn)生雙音頻采樣值，后者產(chǎn)生靜默樣值，每個任務(wù)結(jié)束時，要重置定時器和下一個任務(wù)。其中靜默任務(wù)還要加上一個任務(wù)：從數(shù)字緩沖區(qū)取出數(shù)字并解包。解包就是將數(shù)字映射為對應(yīng)的行列音頻特性，裝載指針指向振蕩器特征表對應(yīng)的正確位置。兩個任務(wù)輪流執(zhí)行。

　　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。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。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。

　　一般情況下，如果只有少量頻譜成份需要計算的話，Goertzel算法是很有吸引力的。對于整個DFT而言，計算量是N2量級的，與直接DFT計算相比較就沒有優(yōu)勢可言了。

　　2.2 DTMF檢測器流程

　　檢測流程可參照圖5，把檢測程序作為C54x的McBsp接收中斷服務(wù)子程序，在每一個接收中斷到來時，表明采到一個新樣點。樣點值代入式（2），迭代計算8個行頻/列頻的中間變量vk（n），直到采到N=125個樣點（在8kHz采樣頻率下，約為15ms）。此時再按式（4）計算8個行頻/列頻的幅度平方|X（k）|2。接下來將|X（k）|2與門限作比較，并作二次諧波檢測，判決出有效的音頻信號。將音頻信號映射為數(shù)字信號后，再與上一個檢測到的數(shù)字信號比較，終判決出有效的數(shù)字信號。

　　圖 5

　　按圖5所示流程得到DTMF信令檢測程序。整個程序作為C54x的McBsp接收串口中斷服務(wù)子程序，從而可以實時分析來自A/D轉(zhuǎn)換器的DTMF信令信號。

　　3 性能分析

　　基于上述原理與算法代碼，在TI公司的DSP開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio（CCS）下，分析上述整個DTMF信令的產(chǎn)生與檢測方案的性能。

　?。?）由CCS給出的如下內(nèi)存印象文件，DTMF的產(chǎn)生（gen_dtmf.obj）與DTMF的檢測（de_dtmf.obj）這兩段代碼分別占用3e6H和1e0H個字（16bit word），即約占1K字的存儲器空間，消耗系統(tǒng)資源極低；

　?。?）DTMF信令的產(chǎn)生與檢測程序均放置于C54x的McBSP中斷服務(wù)子程序內(nèi)，C54x 運行在主頻100MHz時，DTMF產(chǎn)生中斷服務(wù)子程序interrupt transmit（）消耗283個時鐘周期，因此該方案能夠?qū)崟r產(chǎn)生與檢測DTMF信令，還可保證有時間冗余度，與其他程序在用戶系統(tǒng)中并發(fā)執(zhí)行。