Детектирование DTMF

Для детектирования DTMF сигналов применяют два метода.

Первый основан на алгоритме детектирования сигналов с неизвестной начальной фазой. По этому методу вычисляются скалярные произведения входного сигнала с 2-мя образцами, один из которых сдвинут по фазе на 90 град. относительно другого. В результате получаются 2 проекции на взаимно перпендикулярные оси. Далее по формуле прямоугольного треугольника вычисляется полная амплитуда взаимного совпадения. Недостатком является необходимость иметь два массива с предварительно рассчитанными коэффициентами для синуса и косинуса для каждой частоты. Данный метод используется в АОН. Его использование там обусловлено простотой расчёта: в АОН используется только 2 значения сигнала 1 - больше нуля, 0 - меньше нуля. Таким образом, вместо умножения достаточно сделать логическое И или ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ между отсчётом входного сигнала и коэффициентами.

Второй метод использует БИХ-фильтры 2-го порядка, настроенные на необходимые частоты. Вычисление мощности сигнала заменено на вычисление квази-мощности. Алгоритм требует меньше памяти, так как для каждой частоты используется только один наперёд рассчитанный коэффициент.

Ниже приведены алгоритмы, использующие оба метода для детектирования DTMF и отдельных частот. Для устранения чувствительности к амплитуде входного сигнала используется нормировка по мощности. Подобный метод можно применять, если амплитуда сигнала изменяется в широких пределах.

Хорошие результаты также достигаются другим способом: с помощью порога отсекаются низкие уровни, а дальше за счёт финальной проверки убеждаемся в наличии именно DTMF:

•проверяем, что амплитуды сигналов с максимальными уровнями не сильно отличаются

•проверяем, что на остальных частотах сигналы существенно слабее

Реализация корреляционного алгоритма

/*******************************************************

* детектирование DTMF и однотональных сигналов

--------------

использование:

ToneDetector td = new ToneDetector();

if( td.initDTMF( ... ) )

{

td.setThreshold( 0.5f );

...

for( int i = 0; i < sampleCount; i++ )

{

byte code = td.process( sample[i] );

if( code > 0 )

{

...

}

********************************************************

tones:

350 Hz dialtone

440 Hz ring, dialtone

480 Hz ring, busy

620 Hz busy

697 Hz dtmf row 1

770 Hz dtmf row 2

852 Hz dtmf row 3

941 Hz dtmf row 4

1209 Hz dtmf col 1

1336 Hz dtmf col 2

1477 Hz dtmf col 3

1633 Hz dtmf col 4

700 Hz blue box 1

900 Hz blue box 2

1100 Hz blue box 3

1300 Hz blue box 4

1500 Hz blue box 5

1700 Hz blue box 6

2400 Hz blue box 7

2600 Hz blue box 8

*******************************************************/

public class ToneDetector {

/**

* Период времени, в течение которого производится оценка.

* Длительность символов в последовательности должна быть

* как минимум в 2 раза больше.

* Приемлемый диапазон: 10 ... 100 мс

private static final byte BUFFER_MS = 20;

/**

* мощность сигнала. параметр и вычисления с ним не нужны,

* если минимальный уровень отсекается порогом.

private float m_inPower = 0.0f;

private float m_threshold = 0.5f;

private boolean m_bDualTone = false;

private int m_counter = 0;

private int m_decodeLength = 0;

private float[][] m_pSin = null;

private float[][] m_pCos = null;

private float[] m_pSinAccum = null;

private float[] m_pCosAccum = null;

public ToneDetector() {

}

boolean initDTMF( int sampleRate ) {

int[] pFrequency = new int[8];

pFrequency[0] = 697;

pFrequency[1] = 770;

pFrequency[2] = 852;

pFrequency[3] = 941;

pFrequency[4] = 1209;

pFrequency[5] = 1336;

pFrequency[6] = 1477;

pFrequency[7] = 1633;

boolean res = initSTMF( sampleRate, pFrequency );

m_bDualTone = true;

return res;

}

boolean initSTMF( int sampleRate, final int[] pFrequency ) {

m_bDualTone = false;

m_pSin = new float[pFrequency.length][];

m_pCos = new float[pFrequency.length][];

m_pSinAccum = new float[pFrequency.length];

m_pCosAccum = new float[pFrequency.length];

m_inPower = 0.0f;

m_decodeLength = (int)(BUFFER_MS * sampleRate / 1000);

m_counter = 0;

for( int f = pFrequency.length; f-- != 0; ) {

m_pSin[f] = new float[m_decodeLength];

m_pCos[f] = new float[m_decodeLength];

double step = 2.0 * Math.PI * pFrequency[f] / sampleRate;

double t = 0;

for( int i = 0; i < m_decodeLength; i++ ) {

double angle = i * step;

m_pSin[f][i] = (float)Math.sin( angle );

m_pCos[f][i] = (float)Math.cos( angle );

t += m_pSin[f][i] * m_pSin[f][i];

}

m_pSinAccum[f] = 0.0f;

m_pCosAccum[f] = 0.0f;

}

return true;

}

/************************************************

установить порог

0.00 < threshold < 1.00

************************************************/

void setThreshold( float threshold ) {

// расчитываем квадрат амплитуды, поэтому

// используем квадрат порога

m_threshold = threshold * threshold;

}

//frhigh 1209 1336 1477 1633

//frlow

// 697 1 2 3 A

// 770 4 5 6 B

// 852 7 8 9 C

// 941 * 0 # D

private static final byte decodeDTMF[] = {

'1', '2', '3', 'A',

'4', '5', '6', 'B',

'7', '8', '9', 'C',

'*', '0', '#', 'D' };

byte process(short sample) {

for( int f = m_pSinAccum.length; f-- != 0; ) {

m_pSinAccum[f] += (float)sample * m_pSin[f][m_counter];

m_pCosAccum[f] += (float)sample * m_pCos[f][m_counter];

m_inPower += (float)sample * (float)sample;// если используется мощность

}

if( ++m_counter < m_decodeLength ) return 0;

m_counter = 0;

byte code = 0;

if( m_inPower > 0.0f ) {

int firstFr = 0;

int secondFr = 0;

float max = -1.0f;

int f = 0;

for( ; f < (m_pSinAccum.length / 2); f++ ) {

float res = m_pSinAccum[f] * m_pSinAccum[f] + m_pCosAccum[f] * m_pCosAccum[f];

if( max < res ) {

max = res;

firstFr = f;

}

m_pSinAccum[f] = 0.0f;

m_pCosAccum[f] = 0.0f;

}

// нормировка для сравнения с порогом

/// если регулировка уровня порогом

// 32767 - максимальное значение для 16-ти разрядного звука

// max = max / m_decodeLength / m_decodeLength * 4.0f / (32767 * 32767);

/// если используется мощность

// мощность образца = (sqrt(2)/2)^2 * m_decodeLength

max = max / m_inPower / m_decodeLength * 16.0f;

if( max < m_threshold ) firstFr = m_pSinAccum.length;

if( m_bDualTone ) max = -1.0f;

for( ; f < m_pSinAccum.length; f++ ) {

float res = m_pSinAccum[f] * m_pSinAccum[f] + m_pCosAccum[f] * m_pCosAccum[f];

if( max < res ) {

max = res;

secondFr = f;

}

m_pSinAccum[f] = 0.0f;

m_pCosAccum[f] = 0.0f;

}

// нормировка для сравнения с порогом

/// если регулировка уровня порогом

// 32767 - максимальное значение для 16-ти разрядного звука

//max = max / m_decodeLength / m_decodeLength * 4.0f / (32767 * 32767);

/// если используется мощность

// мощность образца = (sqrt(2)/2)^2 * m_decodeLength

max = max / m_inPower / m_decodeLength * 16.0f;

if( max < m_threshold ) secondFr = m_pSinAccum.length;

if( m_bDualTone ) {

/**

* для уменьшения вероятности ложных срабатываний здесь имеет смысл добавить

* дополнительные проверки:

* - уровни обнаруженных сигналов не должны сильно отличаться

* - остальные сигналы должны быть по уровню сильно меньше основных

if( (firstFr < m_pSinAccum.length) && (secondFr < m_pSinAccum.length) )

code = decodeDTMF[secondFr - (m_pSinAccum.length / 2) +

firstFr * (m_pSinAccum.length / 2)];

} else {

/**

* для уменьшения вероятности ложных срабатываний здесь имеет смысл добавить

* дополнительную проверку:

* - уровень обнаруженного сигнала должен сильно превосходить остальные

if( secondFr < m_pSinAccum.length )

code = (byte)('1' + secondFr);

else if( firstFr < m_pSinAccum.length )

code = (byte)('1' + firstFr);

}

m_inPower = 0.0f;

}

return code;

}

Реализация алгоритма Герцеля

/*******************************************************

* детектирование DTMF и однотональных сигналов

* используется алгоритм Герцеля

* алгоритм модифицирован с целью уменьшения

* чувствительности к амплитуде входного сигнала

* использовано:

* Texas Instruments

* DTMF Tone Generation and Detection

* An Implementation Using the TMS320C54X

--------------

использование:

ToneDetector td = new ToneDetector();

if( td.initDTMF( ... ) )

{

td.setThreshold( 0.5f );

...

for( int i = 0; i < sampleCount; i++ )

{

byte code = td.process( sample[i] );

if( code > 0 )

{

...

}

********************************************************

tones:

350 Hz dialtone

440 Hz ring, dialtone

480 Hz ring, busy

620 Hz busy

697 Hz dtmf row 1

770 Hz dtmf row 2

852 Hz dtmf row 3

941 Hz dtmf row 4

1209 Hz dtmf col 1

1336 Hz dtmf col 2

1477 Hz dtmf col 3

1633 Hz dtmf col 4

700 Hz blue box 1

900 Hz blue box 2

1100 Hz blue box 3

1300 Hz blue box 4

1500 Hz blue box 5

1700 Hz blue box 6

2400 Hz blue box 7

2600 Hz blue box 8

*******************************************************/

public class ToneDetector {

/**

* Период времени, в течение которого производится оценка.

* Длительность символов в последовательности должна быть

* как минимум в 2 раза больше.

* Приемлемый диапазон: 10 ... 100 мс

private static final byte BUFFER_MS = 20;

/**

* мощность сигнала. параметр и вычисления с ним не нужны,

* если минимальный уровень отсекается порогом.

private float m_inPower = 0.0f;

private float m_threshold = 0.5f;// порог отсечения

private boolean m_bSingleTone = false;// однотональный/двутональный детектор

private int m_counter = 0;// счётчик обработанных сэмплов

private int m_decodeLength = 0;// число сэмплов на заданную длину символа

private float[] m_pV1 = null;// первый шаг задержки

private float[] m_pV2 = null;// второй шаг задержки

private float[] m_pCoeff = null;// коэффициенты Герцеля

public ToneDetector() {

}

boolean initDTMF( int sampleRate ) {

int[] pFrequency = new int[8];

pFrequency[0] = 697;

pFrequency[1] = 770;

pFrequency[2] = 852;

pFrequency[3] = 941;

pFrequency[4] = 1209;

pFrequency[5] = 1336;

pFrequency[6] = 1477;

pFrequency[7] = 1633;

boolean res = initSTMF( sampleRate, pFrequency );

m_bSingleTone = false;

return res;

}

boolean initSTMF( int sampleRate, final int[] pFrequency ) {

m_bSingleTone = true;

m_pV1 = new float[pFrequency.length];

m_pV2 = new float[pFrequency.length];

m_pCoeff = new float[pFrequency.length];

m_inPower = 0.0f;

m_decodeLength = (int)(BUFFER_MS * sampleRate / 1000);

m_counter = 0;

for( int f = pFrequency.length; f-- != 0; ) {

m_pCoeff[f] = (float)(2.0 * Math.cos( 2.0 * Math.PI * pFrequency[f] / sampleRate));

m_pV1[f] = 0.0f;

m_pV2[f] = 0.0f;

}

return true;

}

/************************************************

установить порог

0.00 < threshold < 1.00

************************************************/

void setThreshold( float threshold ) {

// расчитываем квадрат амплитуды, поэтому

// используем квадрат порога

m_threshold = threshold * threshold;

}

//frhigh 1209 1336 1477 1633

//frlow

// 697 1 2 3 A

// 770 4 5 6 B

// 852 7 8 9 C

// 941 * 0 # D

private static final byte decodeDTMF[] = {

'1', '2', '3', 'A',

'4', '5', '6', 'B',

'7', '8', '9', 'C',

'*', '0', '#', 'D' };

byte process(short sample) {

for( int f = m_pCoeff.length; f-- != 0; ) {

float t = m_pV1[f];

m_pV1[f] = (float)sample + m_pCoeff[f] * m_pV1[f] - m_pV2[f];

m_pV2[f] = t;

m_inPower += (float)sample * (float)sample;// если используется

}

if( ++m_counter < m_decodeLength ) return 0;

m_counter = 0;

byte code = 0;

if( m_inPower > 0.0f ) {

int firstFr = 0;

int secondFr = 0;

float max = -1.0f;

int f = 0;

for( ; f < (m_pCoeff.length / 2); f++ ) {

float res = m_pV1[f] * m_pV1[f] + m_pV2[f] * m_pV2[f] -

m_pCoeff[f] * m_pV1[f] * m_pV2[f];

if( max < res ) {

max = res;

firstFr = f;

}

m_pV1[f] = 0.0f;

m_pV2[f] = 0.0f;

}

// нормировка для сравнения с порогом

/// если регулировка уровня порогом

// 32767 - максимальное значение для 16-ти разрядного звука

// max = max / m_decodeLength / m_decodeLength * 4.0f / (32767 * 32767);

/// если используется мощность

// мощность образца = (sqrt(2)/2)^2 * m_decodeLength

max = max / m_inPower / m_decodeLength * 16.0f;

if( max < m_threshold ) firstFr = m_pCoeff.length;

if( !m_bSingleTone ) max = -1.0f;

for( ; f < m_pCoeff.length; f++ ) {

float res = m_pV1[f] * m_pV1[f] + m_pV2[f] * m_pV2[f] -

m_pCoeff[f] * m_pV1[f] * m_pV2[f];

if( max < res ) {

max = res;

secondFr = f;

}

m_pV1[f] = 0.0f;

m_pV2[f] = 0.0f;

}

// нормировка для сравнения с порогом

/// если регулировка уровня порогом

// 32767 - максимальное значение для 16-ти разрядного звука

// max = max / m_decodeLength / m_decodeLength * 4.0f / (32767 * 32767);

/// если используется мощность

// мощность образца = (sqrt(2)/2)^2 * m_decodeLength

max = max / m_inPower / m_decodeLength * 16.0f;

if( max < m_threshold ) secondFr = m_pCoeff.length;

if( m_bSingleTone ) {

/**

* для уменьшения вероятности ложных срабатываний здесь имеет смысл добавить

* дополнительную проверку:

* - уровень обнаруженного сигнала должен сильно превосходить остальные

if( secondFr < m_pCoeff.length )

code = (byte)('1' + secondFr);

else if( firstFr < m_pCoeff.length )

code = (byte)('1' + firstFr);

} else {

/**

* для уменьшения вероятности ложных срабатываний здесь имеет смысл добавить

* дополнительные проверки:

* - уровни обнаруженных сигналов не должны сильно отличаться

* - остальные сигналы должны быть по уровню сильно меньше основных

if( (firstFr < m_pCoeff.length) && (secondFr < m_pCoeff.length) )

code = decodeDTMF[secondFr - (m_pCoeff.length / 2) +

firstFr * (m_pCoeff.length / 2)];

}

m_inPower = 0.0f;

}

return code;

}

Предыдущая Содержание Следующая