基于MATLAB電話機(jī)中的雙音多頻(DTMF)信號的產(chǎn)生與檢測.doc

1、目錄第一章課程設(shè)計依據(jù)、內(nèi)容及要求11.1課程設(shè)計依據(jù)11.2課程設(shè)計內(nèi)容11.3課程設(shè)計要求1第二章 雙音頻信號產(chǎn)生與檢測的原理和內(nèi)容22.1雙音頻信號產(chǎn)生與檢測的原理介紹22.2 電話中的雙音多頻（dtmf）信號的產(chǎn)生與檢測32.2.1雙音多頻信號的產(chǎn)生32.2.2基于goertzel算法的雙音多頻信號檢測3第三章仿真程序與運(yùn)行結(jié)果63.1設(shè)計程序63.2運(yùn)行結(jié)果：8第四章 設(shè)計總結(jié)9第一章 課程設(shè)計依據(jù)、內(nèi)容及要求1.1課程設(shè)計依據(jù)在掌握數(shù)字信號處理相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)字信號處理課程所學(xué)知識，利用matlab軟件產(chǎn)生電話中的dtmf信號。用dft檢測dtmf信號所含有的兩個音頻頻率。

2、1.2課程設(shè)計內(nèi)容1.雙音多頻信號的產(chǎn)生，dtmf信號用兩個不同頻率正弦信號相加，一個高頻一個低頻。2. 雙音多頻信號的檢測，在接收端，要對收到的雙音多頻信號進(jìn)行檢測，檢測兩個正弦波的頻率是多少，以判斷對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)字或符號。根據(jù)教材第3章用dft對模擬信號進(jìn)行譜分析的理論，確定三個參數(shù)：（1）采樣頻率fs；（2）dft變換點(diǎn)數(shù)n；（3）對信號的觀察時間的長度tp。這三個參數(shù)不能隨機(jī)選取，要根據(jù)對信號頻譜分析的要求進(jìn)行確定。對信號頻譜分析也有三個要求：（1）頻率分辨率；（2）譜分析的頻譜范圍；（3）檢測頻率的準(zhǔn)確性。1.3課程設(shè)計要求1. 要求獨(dú)立完成設(shè)計任務(wù)。2. 課程設(shè)計說明書封面格式要求

3、見天津城市建設(shè)學(xué)院課程設(shè)計教學(xué)工作規(guī)范附表13. 課程設(shè)計的說明書要求簡潔、通順，計算正確，圖紙表達(dá)內(nèi)容完整、清楚、規(guī)范。4. 要求：正確運(yùn)行程序，任意輸人6為電話號碼，輸出相應(yīng)的幅度譜，觀察程序運(yùn)行結(jié)果，判斷程序譜分析的正確性。5. 課設(shè)說明書要求：1) 說明題目的設(shè)計原理和思路、采用方法及程序。2) 詳細(xì)說明調(diào)試方法和調(diào)試過程，并給程序加注釋。第二章 雙音頻信號產(chǎn)生與檢測的原理和內(nèi)容2.1雙音頻信號產(chǎn)生與檢測的原理介紹雙音多頻（dual tone multi frequency, dtmf）信號是音頻電話中的撥號信號，由美國at&t貝爾公司實(shí)驗(yàn)室研制，并用于電話網(wǎng)絡(luò)中。這種信號制式具有很高

4、的撥號速度，且容易自動監(jiān)測識別，很快就代替了原有的用脈沖計數(shù)方式的撥號制式。這種雙音多頻信號制式不僅用在電話網(wǎng)絡(luò)中，還可以用于傳輸十進(jìn)制數(shù)據(jù)的其它通信系統(tǒng)中，用于電子郵件和銀行系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)中用戶可以用電話發(fā)送dtmf信號選擇語音菜單進(jìn)行操作。 dtmf信號系統(tǒng)是一個典型的小型信號處理系統(tǒng)，它要用數(shù)字方法產(chǎn)生模擬信號并進(jìn)行傳輸，其中還用到了d/a變換器；在接收端用a/d變換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進(jìn)行數(shù)字信號處理與識別。為了系統(tǒng)的檢測速度并降低成本，還開發(fā)一種特殊的dft算法，稱為戈澤爾(goertzel)算法，這種算法既可以用硬件（專用芯片）實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。下面首先介紹雙音多頻信號

5、的產(chǎn)生方法和檢測方法，包括戈澤爾算法，最后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。在電話中，數(shù)字09的中每一個都用兩個不同的單音頻傳輸，所用的8個頻率分成高頻帶和低頻帶兩組，低頻帶有四個頻率：679hz,770hz,852hz和941hz；高頻帶也有四個頻率：1209hz,1336hz,1477hz和1633hz.。每一個數(shù)字均由高、低頻帶中各一個頻率構(gòu)成，例如1用697hz和1209hz兩個頻率，信號用表示，其中，。這樣8個頻率形成16種不同的雙頻信號。具體號碼以及符號對應(yīng)的頻率如表1所示。表中最后一列在電話中暫時未用。列行1209hz1336hz1477hz633hz697hz123a770hz456b852hz7

6、89c942hz*0#d表2-1 雙頻撥號的頻率分配dtmf信號在電話中有兩種作用，一個是用撥號信號去控制交換機(jī)接通被叫的用戶電話機(jī)，另一個作用是控制電話機(jī)的各種動作，如播放留言、語音信箱等。2.2 電話中的雙音多頻（dtmf）信號的產(chǎn)生與檢測2.2.1雙音多頻信號的產(chǎn)生假設(shè)時間連續(xù)的 dtmf信號用表示，式中是按照表1選擇的兩個頻率，代表低頻帶中的一個頻率，代表高頻帶中的一個頻率。顯然采用數(shù)字方法產(chǎn)生dtmf信號，方便而且體積小。下面介紹采用數(shù)字方法產(chǎn)生dtmf信號。規(guī)定用8khz對dtmf信號進(jìn)行采樣，采樣后得到時域離散信號為 形成上面序列的方法有兩種，即計算法和查表法。用計算法求正弦波的

7、序列值容易，但實(shí)際中要占用一些計算時間，影響運(yùn)行速度。查表法是預(yù)先將正弦波的各序列值計算出來，寄存在存儲器中，運(yùn)行時只要按順序和一定的速度取出便可。這種方法要占用一定的存儲空間，但是速度快。 因?yàn)椴蓸宇l率是8000hz，因此要求每125ms輸出一個樣本，得到的序列再送到d/a變換器和平滑濾波器，輸出便是連續(xù)時間的dtmf信號。dtmf信號通過電話線路送到交換機(jī)。2.2.2基于goertzel算法的雙音多頻信號檢測（1）在接收端，要對收到的雙音多頻信號進(jìn)行檢測，檢測兩個正弦波的頻率是多少，以判斷所對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)字或者符號。顯然這里仍然要用數(shù)字方法進(jìn)行檢測，因此要將收到的時間連續(xù) dtmf信號經(jīng)過

8、a/d變換，變成數(shù)字信號進(jìn)行檢測。檢測的方法有兩種，一種是用一組濾波器提取所關(guān)心的頻率，根據(jù)有輸出信號的2個濾波器判斷相應(yīng)的數(shù)字或符號。另一種是用dft（fft）對雙音多頻信號進(jìn)行頻譜分析，由信號的幅度譜，判斷信號的兩個頻率，最后確定相應(yīng)的數(shù)字或符號。當(dāng)檢測的音頻數(shù)目較少時，用濾波器組實(shí)現(xiàn)更合適。fft是dft的快速算法，但當(dāng)dft的變換區(qū)間較小時，fft快速算法的效果并不明顯，而且還要占用很多內(nèi)存，因此不如直接用dft合適。下面介紹goertzel算法，這種算法的實(shí)質(zhì)是直接計算dft的一種線性濾波方法。這里略去goertzel算法的介紹，可以直接調(diào)用matlab信號處理工具箱中戈澤爾算法的函

9、數(shù)goertzel，計算n點(diǎn)dft的幾個感興趣的頻點(diǎn)的值。（2） matlab工具箱函數(shù)goertzelgoerztel函數(shù)的調(diào)用格式為：xgk=goertzel(xn,k)xn是被變換的時域序列，用于dtmf信號檢測時，xn就是dtmf信號的205個采樣值。k是要求計算的dftxn的頻點(diǎn)序號向量，用n表示xn的長度，則要求1kn。由表2可知，如果只計算dtmf信號8個基頻時，k=18，20，22，24，31，34，38，42，如果同時計算8個基頻及其二次諧波時，k=18，20，22，24，31，34，35，38，39，42，43，47，61，67，74，82。xgk是變換結(jié)果向量，其中存放的

10、是由k指定的頻率點(diǎn)的dftx(n)的值。設(shè)x(k)= dftx(n)，則。（3）檢測dtmf信號的dft參數(shù)選擇 用dft檢測模擬dtmf信號所含有的兩個音頻頻率，是一個用dft對模擬信號進(jìn)行頻譜分析的問題。根據(jù)第三章用dft對模擬信號進(jìn)行譜分析的理論，確定三個參數(shù)：采樣頻率，dft的變換點(diǎn)數(shù)n，需要對信號的觀察時間的長度。這三個參數(shù)不能隨意選取，要根據(jù)對信號頻譜分析的要求進(jìn)行確定。這里對信號頻譜分析也有三個要求： 頻率分辨率，譜分析的頻譜范圍，檢測頻率的準(zhǔn)確性。 頻譜分析的分辨率。觀察要檢測的8個頻率，相鄰間隔最小的是第一和第二個頻率，間隔是73hz，要求dft最少能夠分辨相隔73hz的兩個

11、頻率，即要求。dft的分辨率和對信號的觀察時間有關(guān)， ?？紤]到可靠性，留有富裕量，要求按鍵的時間大于40ms。 頻譜分析的頻率范圍 要檢測的信號頻率范圍是6971633hz，但考慮到存在語音干擾，除了檢測這8個頻率外，還要檢測它們的二次倍頻的幅度大小，波形正常且干擾小的正弦波的二次倍頻是很小的，如果發(fā)現(xiàn)二次諧波很大，則不能確定這是dtmf信號。這樣頻譜分析的頻率范圍為6973266hz。按照采樣定理，最高頻率不能超過折疊頻率，即，由此要求最小的采樣頻率應(yīng)為7.24khz。因?yàn)閿?shù)字電話總系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)定8khz，因此對頻譜分析范圍的要求是一定滿足的。按照，8khz，算出對信號最少的采樣點(diǎn)數(shù)為。 檢測

12、頻率的準(zhǔn)確性 這是一個用dft檢測正弦波頻率是否準(zhǔn)確的問題。序列的n點(diǎn)dft是對序列頻譜函數(shù)在0區(qū)間的n點(diǎn)等間隔采樣，如果是一個周期序列，截取周期序列的整數(shù)倍周期，進(jìn)行dft，其采樣點(diǎn)剛好在周期信號的頻率上，dft的幅度最大處就是信號的準(zhǔn)確頻率。分析這些dtmf信號，不可能經(jīng)過采樣得到周期序列，因此存在檢測頻率的準(zhǔn)確性問題。 dft的頻率采樣點(diǎn)頻率為（k=0,1,2,-,n-1），相應(yīng)的模擬域采樣點(diǎn)頻率為（k=0,1,2,-,n-1），希望選擇一個合適的n，使用該公式算出的能接近要檢測的頻率，或者用8個頻率中的任一個頻率代入公式中時，得到的k值最接近整數(shù)值，這樣雖然用幅度最大點(diǎn)檢測的頻率有誤差

13、，但可以準(zhǔn)確判斷所對應(yīng)的dtmf頻率，即可以準(zhǔn)確判斷所對應(yīng)的數(shù)字或符號。經(jīng)過分析研究認(rèn)為n205是最好的。按照8khz，n205，算出8個頻率及其二次諧波對應(yīng)k值，和k取整數(shù)時的頻率誤差見表2。8個基頻hz最近的整數(shù)k值dft的k值絕對誤差二次諧波hz對應(yīng)的k值最近的整數(shù)k值絕對誤差69717.861180.139139435.024350.024 77019.531200.269154038.692390.308 85221.833220.167170442.813430.187 94124.113240.113188247.285470.285 120930.981310.01924186

14、0.752610.248 133634.235340.235267267.134670.134147737.848380.152295474.219740.219 163341.846420.154326682.058820.058表2-2 8個基頻以其二次諧波對應(yīng)的k值以及k取整數(shù)時的頻率誤差通過以上分析，確定8khz，n205，。 第三章 仿真程序與運(yùn)行結(jié)果dtmf信號的產(chǎn)生與識別仿真實(shí)驗(yàn)在matlab環(huán)境下進(jìn)行，編寫仿真程序，運(yùn)行程序，送入8位電話號碼，程序自動產(chǎn)生每一位號碼數(shù)字相應(yīng)的dtmf信號，并送出雙頻聲音，再用dft進(jìn)行譜分析，顯示每一位號碼數(shù)字的dtmf信號的dft幅度譜，安照

15、幅度譜的最大值確定對應(yīng)的頻率，再安照頻率確定每一位對應(yīng)的號碼數(shù)字，最后輸出8位電話號碼。3.1設(shè)計程序程序分四段：第一段（27行）設(shè)置參數(shù)，并讀入8位電話號碼；第二段（920行）根據(jù)鍵入的8位電話號碼產(chǎn)生時域離散dtmf信號，并連續(xù)發(fā)出8位號碼對應(yīng)的雙音頻聲音；第三段（2225行）對時域離散dtmf信號進(jìn)行頻率檢測，畫出幅度譜；第四段（2633行）根據(jù)幅度譜的兩個峰值，分別查找并確定輸入8位電話號碼。程序清單如下：% dtmf雙頻撥號信號的生成和檢測程序%clear all;clc;tm=1,2,3,65;4,5,6,66;7,8,9,67;42,0,35,68; % dtmf信號代表的16個

16、數(shù)n=205;k=18,20,22,24,31,34,38,42;f1=697,770,852,941; % 行頻率向量f2=1209,1336,1477,1633; % 列頻率向量tn=input(鍵入6位電話號碼= ); % 輸入8位數(shù)字tnr=0; %接收端電話號碼初值為零for m=1:6; d=fix(tn/10(6-m); tn=tn-d*10(6-m); for p=1:4; for q=1:4; if tm(p,q)=abs(d); break,end % 檢測碼相符的列號q endif tm(p,q)=abs(d); break,end % 檢測碼相符的行號p end n=0

17、:1023; % 為了發(fā)聲，加長序列 x = sin(2*pi*n*f1(p)/8000) + sin(2*pi*n*f2(q)/8000);% 構(gòu)成雙頻信號 sound(x,8000); % 發(fā)出聲音 pause(0.1) % 接收檢測端的程序 x=goertzel(x(1:n),k+1); % 用goertzel算法計算八點(diǎn)dft樣本 val = abs(x); % 列出八點(diǎn)dft向量 subplot(3,2,m); stem(k,val,.);grid;xlabel(k);ylabel(|x(k)|) % 畫出8點(diǎn)dft幅度 axis(10 50 0 120) limit = 80; f

18、or s=5:8; if val(s) limit, break, end % 查找列號 end for r=1:4; if val(r) limit, break, end % 查找行號 end tnr=tnr+tm(r,s-4)*10(6-m);%將6位電話號碼表示成一個6位數(shù)，以便顯示enddisp(接收端檢測到的號碼為：) % 顯示接收到的字符disp(tnr)圖3-1 matlab界面中的程序運(yùn)行3.2運(yùn)行結(jié)果：（1）、運(yùn)行程序，根據(jù)提示鍵入6位電話號碼135246，然后回車。（2）、回車后可以聽見6位電話號碼對應(yīng)的dtmf信號的聲音，并輸出相應(yīng)的6幅頻譜圖如下圖所示。（3）左上角的第一個圖在k=18和k=31兩點(diǎn)出現(xiàn)峰值，對