協議： DTMF相關FAQ

最近工作中需要一些關於多媒體會議相關協議的知識，這裏作一個筆記，以便以後查看。下面的知識來於網絡，本人做了一個整理。原文請參考 文獻鏈接。

Q. What is DTMF ?

A. 雙音多頻信號（Dual-Tone Multi-Frequency, DTMF），電話系統中電話機與交換機之間的一種用戶信令，通常用於發送被叫號碼。在使用雙音多頻信號之前，電話系統中使用一連串的斷續脈衝來傳送被叫號碼，稱爲脈衝撥號。脈衝撥號需要電信局中的操作員手工完成長途接續。雙音多頻信號是貝爾實驗室發明的，其目的是爲了自動完成長途呼叫。

  雙音多頻的撥號鍵盤是4×4的矩陣，每一行代表一個低頻，每一列代表一個高頻。每按一個鍵就發送一個高頻和低頻的正弦信號組合，比如'1'相當於697和1209赫茲（Hz）。交換機可以解碼這些頻率組合並確定所對應的按鍵。

雙音多頻鍵盤

	1209 Hz	1336 Hz	1477 Hz	1633 Hz
697 Hz	1	2	3	A
770 Hz	4	5	6	B
852 Hz	7	8	9	C
941 Hz	*	0	#	D

注意：ABCD四個字母於現代電話已不用。

特殊音頻

事件	低頻	高頻
忙音	480 Hz	620 Hz
回鈴音（美及英式）	440 Hz	480 Hz
撥號音（美及英式）	350 Hz	440 Hz

Q. 當程序需要產生一個DTMF音頻數字信號時，可以讀取已經錄製好的文件，但如何動態生成DTMF音頻信號？

A. DTMF信號的原理是兩個不同頻率的正弦波疊加。

簡單的生成正弦波的公式：sample=sin(n*2*PI*f/samplerate)

n：採樣序數，由0開始遞增

f：正弦波的頻率

samplerate：採樣頻率

sample：序數n時的得出的採樣值

 

如果要生成一個採樣頻率是8000hz，採樣位是8bit的DTMF信號，則公式：

sample(n) = 128 + 63*sin(n*2*pi*f1/8000) + 63*sin(n*2*pi*f2/8000)

f1和f2分別是該DTMF信號的兩個正弦波頻率

其中128 = 256/2，63 = 128 /2 – 1

同樣地，如果要生成16bit的DTMF信號，則公式：

sample(n) = 32768 + 16383*sin(n*2*pi*f1/8000) + 16383*sin(n*2*pi*f2/8000)

 

計算DTMF信號是一個耗費資源的過程，你可以通過不同途徑去優化你的代碼，最簡單的是預先計算好2*pi*f1和2*pi*f2的值，減少CPU的計算時間。

 

關於DTMF信號的時間間隔，CCITT對DTMF信號規定的指標是，傳送/接收率爲每秒10個數字，即每個數字100ms。代表數字的音頻信號必須持續至少45ms，但不超過55ms。100ms內其他時間爲靜音，以便區別連續的兩個按鍵信號。

Q. DTMF的傳輸方式:Info, In Band, Out of Band(RFC2833) ?

A. 

1, 用SIP信令的INFO方法攜帶DTMF信號。該種方法還在研究討論當中，有專家認爲其並不適用，主要缺陷是因爲SIP控制信令和媒體傳輸（RTP）是分開傳輸，很容易造成DTMF信號和媒體包不同步。在 Voice Mail應用中，用戶根據提示音輸入一個DTMF信號，隨後開始留言。Server是在接受到該DTMF信號後開始保存用戶的留言。然而由於DTMF信號是通過SIP信令來傳輸的，而媒體流是通過RTP來傳輸的，有可能用戶留言的RTP包先到，而該DTMF信號的INFO消息延遲，導致Server不保存用戶的語音留言直至接受到INFO消息。

2, 將DTMF信號和媒體流用RTP包來傳輸，因而沒有DTMF信號和媒體流不同步的問題，使用H323信令的VOIP就是採用該種方法，相對來說比較成熟。而其中又分In band和Out of band（RFC2833）兩種。

* In Band DTMF

In Band DTMF是指直接將DTMF的音頻數字信號不經任何處理直接打成RTP包在IP網中傳輸。其中可能和用戶的語音媒體流混合（mix）在一起傳輸。程序要獲知哪個包有DTMF信號，是什麼DTMF信號，必須實時檢查每個RTP包裏面的媒體流數據，分析它的頻域。

* Out of Band DTMF(RFC 2833)

Out of Band DTMF是DTMF信號用專門的RTP包進行標識，在RTP包的頭域中就可得知該包是DTMF包，並且知道是什麼DTMF信號。RFC2833專門對此有定義。

Q. RFC2833如何傳輸DTMF?

A.RTP 2833: RTP Payload for DTMF Digits, Telephony Tones and Telephony Signals. 

RTP的負載格式如下：

0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     event     |E|R| volume    |          duration             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

與DTMF相關的在telephone-event負載格式中的命名事件包括：

                     Event  encoding (decimal)
                     _________________________
                     0--9                0--9
                     *                     10
                     #                     11
                     A--D              12--15
                     Flash                 16

                     Table 1: DTMF named events

撥打911後的RTP數據包爲：

0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |V=2|P|X|  CC   |M|     PT      |       sequence number         |
   | 2 |0|0|   0   |0|     96      |              28               |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                           timestamp                           |
   |                             11200                             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           synchronization source (SSRC) identifier            |
   |                            0x5234a8                           |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |F|   block PT  |     timestamp offset      |   block length    |
   |1|     97      |            11200          |         4         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |F|   block PT  |     timestamp offset      |   block length    |
   |1|     97      |   11200 - 6400 = 4800     |         4         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |F|   Block PT  |
   |0|     97      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     digit     |E R| volume    |          duration             |
   |       9       |1 0|     7     |             1600              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     digit     |E R| volume    |          duration             |
   |       1       |1 0|    10     |             2000              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     digit     |E R| volume    |          duration             |
   |       1       |0 0|    20     |              400              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
          Figure 2: Example RTP packet after dialing "911"

Q. 帶內信令和帶外信令

A. 在很久很久以前（long long ago)，那時候人們還處於模擬通信和機械式交換機的時代（縱橫或者步進），那時候不存在獨立的信令網，交換機之間的“語言交流（信令）”和語音信號在一條傳輸通道上跑。這就是帶內信令。後來發展了，交換機之間的“語言交流（信令）”和語音信號的傳輸分別走不同的傳輸通道，建立起獨立的信令網，這樣信令信號走信令網，語音走語音的傳輸通道，兩者分道揚鑣，這就是帶外信令！

帶內信令是指信號的頻率在話音頻率範圍之內（0.3~3.4kHz）。帶內信號是在話音通道內傳遞的。
帶外信令，又叫共路信令，是一種採用在信息傳輸頻率/信道之外的頻率/信道傳輸信令技術。在帶內信令可能受到各種網絡問題影響的情況下，帶外信令經常被用於傳輸控制命令以報告相關的錯誤信息。

參考文獻：

1,  http://zh.wikipedia.org/wiki/DTMF

2,  http://blog.csdn.net/kukumouse/article/details/2270279

3,  http://www.ietf.org/rfc/rfc2833.txt