DTMT雙音多頻信號檢測課程設計報告

1、中北大學課 程 設 計 說 明 書學生姓名： 學 號： 學 院： 信息與通信工程 專 業(yè)： 電子信息工程 題 目： 信息處理綜合實踐: DTMT雙音多頻信號的檢測 指導教師： 薛英娟 趙英亮 職稱: 副教授 2014 年 6 月 26 日中北大學課程設計任務書 2013/2014 學年第 二 學期學 院： 信息與通信工程 專 業(yè)： 電子信息工程 學 生 姓 名： 學 號： 學 生 姓 名： 學 號： 學 生 姓 名： 學 號： 課程設計題目： 信息處理綜合實踐: DTMT雙音多頻信號的檢測 起 迄 日 期： 2014年6月9日2014年6月27日 課程設計地點： 學院樓201實驗室、510實驗

2、室、 608實驗室 指 導 教 師： 薛英娟 趙英亮 負 責 人： 王浩全 下達任務書日期: 2014 年6 月 9 日課程設計任務書1設計目的：1、掌握USB總線或PCI總線的基本結構，了解基于USB總線或PCI總線A/D卡的通用結構。寫出關于基于USB總線或PCI總線A/D卡的報告。2、通過A/D卡，利用高級語言編寫信號的采集、存儲和顯示程序。3、雙音多頻（Dual Tone Multi Frequency）信號應用于許多場合，最常見的時電話號碼的撥音。電話號碼盤上每一個號碼對應一個DTMF音，它包含兩個不同頻率的正弦信號的疊加，檢測DTMF音就是檢測這兩個正弦信號的頻率，從而判斷出撥鍵號

3、碼。2設計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術參數(shù)、條件、設計要求等）：（1）掌握USB總線或PCI總線的基本結構，了解基于USB總線或PCI總線A/D卡的通用結構。（2）通過A/D卡，編寫信號的采集、存儲和顯示程序。（3）熟悉有關的基本理論知識，明白DTMF音的檢測原理；（4）實現(xiàn)DTMF音產(chǎn)生和檢測的兩個MATLAB函數(shù)a、一個程序實現(xiàn)DTMF音產(chǎn)生，函數(shù)形式為y=fun(s)，s代表電話號碼對應的字母，即“0”、“1”、····、“”。根據(jù)抽樣定理選擇抽樣頻率fs=8000Hz，根據(jù)實際應用，y的取樣電數(shù)為205各樣值。b、第二個函數(shù)就是DTMF音的檢測

4、，該函數(shù)的輸入就是上面函數(shù)產(chǎn)生的y，輸出就是檢測判斷得到的號碼，即是“0”、“1”、····、“”。檢測原理就是計算y的頻譜，根據(jù)上表判斷是什么號碼。（5）根據(jù)信號頻譜特點，自定義性能指標，設計IIR數(shù)字低通濾波器設計。濾波器的類型可以從巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、橢圓濾波器、貝塞爾濾波器中任選其中的三種。分別給出所設計濾波器的頻率響應；（6）用所設計的濾波器對語音信號濾波，畫出濾波后信號的時域波形圖和頻譜圖；（7）分析比較各濾波器的特點；3設計工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：課程設計說明書一份仿真結果課程設計

5、任務書4主要參考文獻：1 維納·K·英格爾，約翰·G·普羅克斯（著），劉樹棠（譯）.數(shù)字信號處理(MATLAB版)M .西安:西安交通大學出版社,2013（7）:326-3792 桂志國.數(shù)字信號處理M.北京:科學出版社，20093 陳懷琛,吳大正，高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應用M.北京:電子工業(yè)出版社，2013（8）：233-2424 王玉順.MATLAB實踐教程M.西安:西安電子科技大學出版社,2012（8）：195-1965 豈興明，王占富，郭正彪，矯津毅.MATLAB程序設計快速入門M.北京:人民郵電出版社，2009（7）6 李莉.

6、數(shù)字信號處理實驗教程M.北京:清華大學出版社，2011(10):114-1205設計成果形式及要求：課程設計說明書仿真結果6工作計劃及進度：2014年6月9日6月12日：查資料；6月13日6月15日：在指導教師指導下設計方案；6月16日6月24日：完成設計內(nèi)容；6月25日6月26日：撰寫課程設計說明書；6月27日：答辯學院審查意見：簽字：_年_月_日中北大學2013/2014(2)學期本科課程設計說明書目 錄一、引言1二、設計目的1三、設計原理1USB總線概述1(一)USB總線：1(二)USB總線設備規(guī)范：2(三)USB總線通信模型：2(四)USB總線枚舉過程：3(五)USB總線要點：4(六)

7、USB總線傳輸過程：4(七)通用USB設備操作：51. 動態(tài)插接與拔出：52. 地址分配：63. 配置：64. 數(shù)據(jù)傳送：6(八)USB設備的標準請求：71. 批處理傳送：92. 控制傳送：93. 中斷傳送：94. 同步傳送：10基于USB總線的A/D采集卡(USB-9211A)10(一) 概述：10(二) 性能和技術指標：10雙音多頻信號12四、設計方案12(一) 雙音多頻(DTMF)信號的組成：12(二) 雙音多頻信號的產(chǎn)生：13(三) 雙音多頻信號的檢測：14(四) MATLAB實現(xiàn)：14(五) 檢測DTMF信號的DFT參數(shù)選擇：151. 頻譜分析的分辨率：152. 頻譜分析的頻率范圍：

8、153. 檢測頻率的準確性：16五、結果及分析17(一) 實驗結果：17(二) 實驗程序：21第一部分：DTMF信號生成(generateSingle.m)21第二部分：DTMF信號檢測(DTMF.m)22六、設計心得23中北大學2013/2014(2)學期本科課程設計說明書一、 引言在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，都離不開數(shù)據(jù)采集、處理和輸出這三個過程。本次課程設計主要圍繞基于USB總線的采集原理及其對應的A/D采集卡的相關特性，并重點以DTMF為研究對象熟悉了解了在信號處理方面的各個過程。二、 設計目的1、掌握USB總線或PCI總線的基本結構，了解基于USB總線或PCI總線A/D卡的通用結構。寫出關于基

9、于USB總線或PCI總線A/D卡的報告。2、通過A/D卡，利用高級語言編寫信號的采集、存儲和顯示程序。3、雙音多頻（Dual Tone Multi Frequency）信號應用于許多場合，最常見的時電話號碼的撥音。電話號碼盤上每一個號碼對應一個DTMF音，它包含兩個不同頻率的正弦信號的疊加，檢測DTMF音就是檢測這兩個正弦信號的頻率，從而判斷出撥鍵號碼。三、 設計原理USB總線概述(一) USB總線：USB的英文全稱為Universal Serial Bus，中文含義是通用串行總線。它是一種快速的雙向的、同步傳輸?shù)摹⒘畠r的并可以進行熱拔插的串行接口。USB接口使用方便，可以連接多個不同的設備，

10、而過去的串口和并口只能接一個設備。速度快是USB技術的突出特點之一，全速USB接口的最高傳輸率可達12Mb/s，比串口快了整整100倍，而執(zhí)行USB2.0標準高速USB接口速率更是達到7480Mb/s，這使得高分辨率、真彩色的大容量圖像的實時傳送成為可能。USB接口支持多個不同設備的串列連接，一個USB接口理論上可以連接127個USB設備。連接方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器(Hub)把多個設備連接在一起，再同PC機的USB接口相接。普通的使用串口、并口的設備都需要單獨的供電系統(tǒng)，而USB設備則不需要。正是由于USB的這些特點，使其獲得了廣泛的應用。(二) USB總線設備規(guī)

11、范：USB1.1規(guī)范介紹了USB的總線特點、協(xié)議內(nèi)容、事務種類、總線管理、接口編程的設計，以及建立系統(tǒng)制造外圍設備所需的標準。設計USB的目標就是使不同廠家所生產(chǎn)的設備可以在一個開放的體系下廣泛的使用。該規(guī)范改進了使攜商務或家用電腦的現(xiàn)有體系結構，進而為系統(tǒng)生產(chǎn)商和外設開發(fā)商提供了足夠的空間來創(chuàng)造多功能的產(chǎn)品和開發(fā)廣闊的市場，并不必由于使用陳舊的接口，而害怕失去兼容性。(三) USB總線通信模型：一個USB系統(tǒng)僅可以有一個主機，而為USB器件連接主機系統(tǒng)提供主機接口的部件被稱為USB控制器。USB控制器是一個由硬件、軟件和固件(Firmware)組成的復合體。一塊具有USB接口的主板通常集成了

12、一個稱為Root Hub的部件，它為主機提供一到多個可以連接其他USB外設的USB擴展接口。USB器件可以分為兩種，即USB Hub和USB功能器件(Function Device)。USB的功能器件作為USB外設，它必須保持和USB協(xié)議的完全兼容，并可以回應標準的USB操作。USB主機與USB設備的通信過程如下：當用戶在應用程序中發(fā)出一個通信指令(比如在用戶界面的對話框中單擊發(fā)送數(shù)據(jù)按鈕)，該指令經(jīng)應用程序傳送到USB設備功能驅動程序在總線轉上換成USB比特的數(shù)據(jù)流，通過USB電纜傳送到USB設備，USB設備上的專門芯片接收并處理該指令，然后再將處理后的狀態(tài)和結果回送給USB主機。USB固件

13、就是固化在USB設備中處理USB主機的各種命令和發(fā)送相應應答的程序。(四) USB總線枚舉過程：USB總線采用總線枚舉的方法來標記和管理外設所處的狀態(tài)，當一臺USB外設初次連接到USB系統(tǒng)中后，通過下面8個步驟來完成它的初始化：1. USB外設所連接的Hub檢測到所連接的USB外設并自動通知主機，以及它的端口狀態(tài)的變化，這時外設還處于禁止(Disabled)狀態(tài)，2. 主機通過對HUB的查詢以確認外設的連接；3. 現(xiàn)在，主機已經(jīng)知道有一臺新的USB外設連接到了USB系統(tǒng)中，然后激活這個Hub的端口，并向Hub發(fā)送一個復位該端口的命令；4. Hub將復位信號保持10ms，為連接到該端口的外設提供

14、100mA的總線電流，達時該外設處于Powered狀態(tài)，它的所有寄存器被消空并指向默認的地址；5. 在外沒分配到惟一的USB地址以前，其默認信道均使用主機的默認地址。然后主機通過讀取外設協(xié)議層的特征字來了解該外設的默認信通所使用的實際的最大數(shù)據(jù)有效裁荷寬度(即外設在特征字中所定義的在DATA0數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)字段的長度)。6. 主機分配一個惟一的USB地址給該外設，并使它處于Addressed狀態(tài)；7. 主機開始使用EndPoint0信道讀取外設ROM中所存儲的器件配置特征字，這可能會花去幾幀的時間；8. 基于器件配置持征字：主機為該外設指定一個配置值，這時，外設即處于配置狀態(tài)了，它所有的端點(E

15、ndpoint)這時也處于配置值所描述的狀態(tài)。從外設的角度來看，這時該外設己處于準備使用的狀態(tài)。(五) USB總線要點：在一臺外設能被使用之前，它必須被配置?！芭渲谩奔粗鳈C根據(jù)外設的配置特征字來定義器件的配置寄存器，以便規(guī)定外設的所有Endpoint的工作環(huán)境。當一臺USB外設配置好以后，即會進入到掛起(suspend)狀態(tài)，直到它開始被使用。必須指出的是，一臺USB外設一旦配置好，它的每一個特定的信道只能使用一種數(shù)據(jù)傳輸方式。(六) USB總線傳輸過程：下面以一臺采用同步傳輸?shù)臄?shù)字攝像機為例，來說明USB設備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程：1. 應用軟件(用戶的操作界面管理程序)在內(nèi)存中開辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并

16、通過標準USB命令字向USB驅動程序發(fā)出數(shù)據(jù)請求(IRP)。2. USB驅動程序通過對該IRP的翻譯形成Token數(shù)據(jù)(USB形式的2進制數(shù)據(jù))包發(fā)送到外設，這時主機進入等待狀態(tài)。3. 外設中的固件程序通過控制PDIUSBDl2芯片，對數(shù)據(jù)包進行解碼、操作及CRC校驗，確認后接收主機PID字段中所包含的命令并開始采集數(shù)據(jù)。4. 采集到的并行數(shù)據(jù)在固件程序的控制下首先進入外設的FIFO，并通過控制PDIUSBDl2并/串轉換部件形成串行脈沖。5. 根據(jù)器件配置寄存器的要求對數(shù)據(jù)進行符合條件的分割，配置數(shù)據(jù)包的PID字段等以形成原始數(shù)據(jù)包。6. 通過CRC校驗產(chǎn)生器對每一個數(shù)據(jù)包生成CRC校驗碼字

17、段，SOP和EOP信號產(chǎn)生器為該數(shù)據(jù)包加入同步字段頭和數(shù)據(jù)包結束符。7. 數(shù)據(jù)包的NRZI編碼和操作。8. 使用收發(fā)器(Trans receiver)將數(shù)據(jù)流驅動到USB線纜上。9. 主機控制器將USB數(shù)據(jù)轉化成為普通的“純”圖像數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以進行數(shù)據(jù)的進一步處理；如果是采用控制傳輸、塊傳輸或中斷傳輸方式，在數(shù)據(jù)被成功傳送后，主機還會向外設發(fā)送ACK的握手數(shù)據(jù)包作為回應。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，上面的USB設備都是在固件程序的控制下對PDIUSBDl2芯片進行操作，以將命令和數(shù)據(jù)進行編碼或解碼，在用戶識別的格式和USB比特流之間進行轉換。(七) 通用USB設備操作：1. 動態(tài)插接與拔出：USB

18、設備必須在任意時刻允許被插接與拔開，提供連接點或端口的集線器應當負責匯報端口的狀態(tài)改變情況。當主機探測到連接操作后，會使得所連的集線器端口生效，設備也會因此而復位，一個被復位了的USB設備有如下特性：對缺省USB地址發(fā)生響應。沒有被配置。初始狀態(tài)不是掛起。當設備從一個集線器端口移去時，集線器會使得原來連接的端口失效，并且通知主機設備已移去。2. 地址分配：當USB設備連接以后，由主機負責給此設備分配一個唯一的地址，這個操作是在設備復位以及端點使能操作以后。3. 配置：USB設備在正常被使用以前，必須被配置，由主機負責配置設備。主機一般會從USB設備獲取配置信息，再確定此設備有哪些功能。作為配置

19、操作的一部分，主機會設置設備的配置值，并且如果必要，會選擇合適的接口的備選設置。4. 數(shù)據(jù)傳送：數(shù)據(jù)可能以4種方式在USB設備端點與主機之間傳送。在不同設置下，一個端點可能被用于不同的傳送方式，但一旦設置選定，傳送方式就選定了。 控制傳輸模式：控制傳輸用于在外設初次連接時對器件進行配置、對外設的狀態(tài)進行實時檢則、對控制命令的傳送等，也可以在設備配置完成后由客戶軟件用于其他目的。 塊傳送模式：塊傳送用于進行批量的、非實時的數(shù)據(jù)傳輸。如一臺USB掃描儀即可采用塊傳送的模式，以保證讓數(shù)據(jù)連續(xù)地、在硬件層次上的實時糾錯地傳送。 同步傳輸模式：同步傳輸適用于那些要求數(shù)據(jù)連續(xù)地、實時地以固定的數(shù)據(jù)傳輸率產(chǎn)

20、生、傳送并消耗的場合，如數(shù)字錄像機等。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，同步傳輸不進行數(shù)據(jù)錯誤的重試，也不在硬件層次上回應一個握手數(shù)據(jù)包，這樣有可能使數(shù)據(jù)流中存在數(shù)據(jù)錯誤的隱患。為保證在同步傳輸數(shù)據(jù)流中致命錯誤的幾率小到可以容忍的程度，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t又不會對外設的性能造成太大的影響，廠商必須為使用同步傳輸?shù)墓艿肋x擇一個合適的帶寬(即必須在速度和品質之間做出權衡)。 中斷傳輸模式：對于那些小批量的、點對點的、非連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸應用的場合，如用于人機交互的鼠標、鍵盤、游戲桿等，中斷傳輸?shù)姆绞绞亲钸m合的。(八) USB設備的標準請求：所有的USB設備在設備的缺省控制通道(Default Control Pip

21、e)處對主機的請求發(fā)出響應。這些請求是通過使用控制傳輸來達到的，請求及請求的參數(shù)通過Setup包發(fā)向設備,由主機負責設置Setup包內(nèi)的每個域的值。不管設備是否被分配了非缺省地址或設備當前已經(jīng)被配置，它們都應當對標形請求產(chǎn)生響應。(九) USB的數(shù)據(jù)包及數(shù)據(jù)傳輸方式：在編寫USB固件代碼時，首先需要對USB各種數(shù)據(jù)包的格式有一個清楚的理解，其中最重要的是標記包。同時USB的數(shù)據(jù)傳輸有4種不同的方式，分別應用于不同的數(shù)據(jù)傳輸場合。USB總線是一種串行總線，即它的數(shù)據(jù)是逐位傳送的。在USB系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是通過USB線纜，采用USB數(shù)據(jù)包，從主機傳送到外設或是從外設傳送到主機的。在USB協(xié)議中，把基于

22、外設的數(shù)據(jù)源和基于主機的數(shù)據(jù)接收軟件(或者方向相反)之間的數(shù)據(jù)傳輸模式稱為管道(Pipe)。管道分為流模式的管道(Stream Pipe)和消息模式的管道(Message Pipe)兩種。管道方式的結構使得USB系統(tǒng)支持一個外設擁有多個功能部件(用EndPoint0、Endpoint1、Endpointn這樣的方法進行標識)，這些功能部件可以同時以不同的數(shù)據(jù)傳輸方向在同一條USB線纜上進行數(shù)據(jù)傳輸而互不影響。比如一個USB的ISDNMODEM就可以同時擁有一個上傳的管道和一個下載的管道，并能同時很好地工作。為實現(xiàn)多外設、多管道同時工作，USB總線使用數(shù)據(jù)包的方式來傳輸數(shù)據(jù)和控制信息。USB數(shù)據(jù)

23、傳輸中的每一個數(shù)據(jù)包都以一個同步字段開始它的最后兩個位作為PID(數(shù)據(jù)包標識字段)字段開始的標志。主機根據(jù)PID字段的類型來判斷一個數(shù)據(jù)包中所包含的數(shù)據(jù)類型，并執(zhí)行相應的操作。當一個USB外設初次連接時，USB系統(tǒng)會為這臺外設分配惟一的USB地址，這個地址通過地址寄存器(ADDR)來標記，以保證數(shù)據(jù)包不會傳送到別的USB外設。7位的ADDR使得USB系統(tǒng)最大尋址為127臺設備(ADDR字段)。為保證控制、塊傳送及中斷傳送中數(shù)據(jù)包的正確性，CRC校驗字段被引用到如標記、數(shù)據(jù)、幀開始(SOP)這樣的數(shù)據(jù)包中。CRC校驗(數(shù)據(jù)冗余校驗)可以給予數(shù)據(jù)100%的正確檢檢驗。雖然USB總線是把這些位形式的

24、數(shù)據(jù)打成數(shù)據(jù)包來傳送，但數(shù)據(jù)的同步也是必不可少的。USB1.0/1.1協(xié)議規(guī)定，USB的標準脈沖時鐘為12MHZ，而其總線時鐘為1ms，即每隔1ms，USB器件應為USB線纜產(chǎn)生一個時鐘脈沖序列。這個脈沖序列稱為幀開始數(shù)據(jù)包(SOF)，主機利用SOF來同步USB數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)位被發(fā)送到總線的時候，首先最低有效位(LSB)，跟著是下一個最低有效位，最后是最高有效位(MSB)。包中單個的位和字段從左到右的順序就是它們通過總線的順序。USB的數(shù)據(jù)有4種傳輸類型：批處理(Bulk)、控制(Control)、中斷(Interrupt)和同步(Isochronous)。各種包的格式根據(jù)傳輸類型的不

25、同而變化。1. 批處理傳送：批傳送用于進行批量的、非實時的數(shù)據(jù)傳輸如一臺USB掃描儀即可采用批傳送的模式，以保證數(shù)據(jù)連續(xù)地、在硬件層次上的實時糾錯地傳送。只有高速設備可以便用批傳送。2. 控制傳送：要進行控制傳送，先要由主機向設備發(fā)一個總線建立(Setup)信息。它描述了控制訪問的類型，設備將執(zhí)行此控制訪問。3. 中斷傳送：中斷傳送是為這樣一類設備設計的：它們只傳或收少量數(shù)據(jù)，而且并不經(jīng)常進行傳送，但它們有一個確定的服務周期，用于人機交互的鼠標、鍵盤、游戲桿等，中斷傳輸?shù)姆绞绞亲钸m合的。對中斷傳送有以下要求：通道的最大服務期得到保證；由于錯誤而引起的重發(fā)在下一服務期進行。4. 同步傳送：同步傳

26、送意味著恒定速率、錯誤容忍的傳送。同步傳輸適用于那些要求數(shù)據(jù)連續(xù)地、實時地以固定的數(shù)據(jù)傳輸率產(chǎn)生、傳送并消耗的場合，如數(shù)字錄像機等。同步傳送的幾個特點：固定的延時下，確保對USB帶寬的訪問；只要數(shù)據(jù)能提供，就能保證通道上的恒定數(shù)據(jù)傳輸速率；如果由于錯誤造成傳送失敗，并不重傳數(shù)據(jù)?；赨SB總線的A/D采集卡(USB-9211A)(一) 概述：USB-9211A是USB總線數(shù)據(jù)采集控制板,支持USB協(xié)議2.0版本，該板可插入具備USB插口的個人微機或筆記本電腦，USB-9211A為用戶提供了16bit單端32路/雙端16路模擬量數(shù)據(jù)采集輸入通道，模擬量輸入最高采樣速率100K/S，16Bit數(shù)字

27、量輸入/16Bit數(shù)字量輸出，USB-9211A卡使用時無需外供電源，即插即用。(二) 性能和技術指標：表 1 技術參數(shù)模擬信號輸入分辯率16Bit模擬信號輸入通道單端32程控放大器增益誤差0.05%模擬電壓信號輸入范圍10V模擬信號輸入采集速率5K/S100K/SAD轉換數(shù)據(jù)緩沖區(qū)容量16K字A/D轉換觸發(fā)方式軟件觸發(fā)A/D轉換方式連續(xù)采集，通道自動切換數(shù)字量輸入輸出輸入輸出各16BIT；HC電平模擬信號輸入阻抗10MA/D轉換精度2LSB計數(shù)器輸入32位4通道定時器輸出32位4通道（基準時鐘40MHZ）電源消耗375mA板外形尺寸200mm110mm；四層板結構鋁殼外形尺寸280mm170

28、mm×50mm工作溫度范圍070存儲溫度范圍2585相對濕度范圍90（不結露）雙音多頻信號雙音多頻（Dual Tone Multi Frequency，DTMF）信號是音頻電話中的撥號信號，由美國AT&T貝爾公司實驗室研制，并用于電話網(wǎng)絡中。這種信號制式具有很高的撥號速度，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)絡中，還可以用于傳輸十進制數(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

29、進行傳輸，其中還用到了D/A變換器；在接收端用A/D變換器將其轉換成數(shù)字信號，并進行數(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）實現(xiàn)，也可以用軟件實現(xiàn)。下面首先介紹雙音多頻信號的產(chǎn)生方法和檢測方法，包括戈澤爾算法，最后進行模擬實驗。四、 設計方案(一) 雙音多頻(DTMF)信號的組成：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；高頻帶也有三個頻率：1209Hz，1336Hz和147

30、7Hz。每一個數(shù)字均由高、低頻帶中各一個頻率構成，例如1用697Hz和1209Hz兩個頻率，信號用表示，其中，。這樣7個頻率形成12種不同的雙頻信號。具體號碼以及符號對應的頻率如表1所示。表中最后一列在電話中暫時未用。表 2 雙頻撥號的頻率分配1209Hz1336Hz1477Hz697Hz123770Hz456852Hz789942Hz*0#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接通被叫的用戶電話機，另一個作用是控制電話機的各種動作，如播放留言、語音信箱等。(二) 雙音多頻信號的產(chǎn)生：假設時間連續(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，

31、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序列值容易，但實際中要占用一些計算時間，影響運行速度。查表法是預先將正弦波的各序列值計算出來，寄存在存儲器中，運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。因為采樣頻率是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。

32、(三) 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行檢測，檢測兩個正弦波的頻率是多少，以判斷所對應的十進制數(shù)字或者符號。顯然這里仍然要用數(shù)字方法進行檢測，因此要將收到的時間連續(xù)DTMF信號經(jīng)過A/D變換，變成數(shù)字信號進行檢測。檢測的方法有兩種，一種是用一組濾波器提取所關心的頻率，根據(jù)有輸出信號的2個濾波器判斷相應的數(shù)字或符號。另一種是用DFT（FFT）對雙音多頻信號進行頻譜分析，由信號的幅度譜，判斷信號的兩個頻率，最后確定相應的數(shù)字或符號。當檢測的音頻數(shù)目較少時，用濾波器組實現(xiàn)更合適。FFT是DFT的快速算法，但當DFT的變換區(qū)間較小時，F(xiàn)FT快速算法的效果并不明顯，而且還要占用很

33、多內(nèi)存，因此不如直接用DFT合適。下面介紹Goertzel算法，這種算法的實質是直接計算DFT的一種線性濾波方法。這里略去Goertzel算法的介紹，可以直接調用MATLAB信號處理工具箱中戈澤爾算法的函數(shù)Goertzel，計算N點DFT的幾個感興趣的頻點的值。(四) MATLAB實現(xiàn)：Goerztel函數(shù)的調用格式為：single = 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的頻點序號向量，用N表示xn的長度，則要求。由表2可知，如果只計算DTMF信號7個基頻時：K = 18, 20, 22,

34、 24, 31, 34, 38如果同時計算7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, 74single是變換結果向量，其中存放的是由K指定的頻率點的DFTx(n)的值。設X(k)= DFTx(n)，則。(五) 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對模擬信號進行頻譜分析的問題。根據(jù)第三章用DFT對模擬信號進行譜分析的理論，確定三個參數(shù)：采樣頻率，DFT的變換點數(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

35、的要求進行確定。這里對信號頻譜分析也有三個要求。1. 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的兩個頻率，即要求。DFT的分辨率和對信號的觀察時間有關，?？紤]到可靠性，留有富裕量，要求按鍵的時間大于40ms。2. 頻譜分析的頻率范圍：要檢測的信號頻率范圍是6971477Hz，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6972954Hz。按照采樣定理，最高頻率不

36、能超過折疊頻率，即>2*2954，由此要求最小的采樣頻率應為5908KHz。因為數(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數(shù)為。3. 檢測頻率的準確性：這是一個用DFT檢測正弦波頻率是否準確的問題。序列的N點DFT是對序列頻譜函數(shù)在0區(qū)間的N點等間隔采樣，如果是一個周期序列，截取周期序列的整數(shù)倍周期，進行DFT，其采樣點剛好在周期信號的頻率上，DFT的幅度最大處就是信號的準確頻率。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確性問題。DFT的頻率采樣點頻率為（k=0,1,2,-,N-1），相應的模

37、擬域采樣點頻率為（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檢測的頻率有誤差，但可以準確判斷所對應的DTMF頻率，即可以準確判斷所對應的數(shù)字或符號。經(jīng)過分析研究認為N205是最好的。按照8KHz，N205，算出8個頻率及其二次諧波對應k值，和k取整數(shù)時的頻率誤差見表2。表 3 頻率誤差表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對應的k值最近的整數(shù)k值絕對誤差69717.861180.139139435.024350.02477019.531200

38、.269154038.692390.30885221.833220.167170442.813430.18794124.113240.113188247.285470.285120930.981310.019241860.752610.248133634.235340.235267267.134670.134147737.848380.152295474.219740.219通過以上分析，確定8KHz，N205，。五、 結果及分析(一) 實驗結果：圖 1 按鍵0的時域圖圖 2 混合信號時域圖圖 3 混合信號頻域圖圖 4 混合信號通過濾波器以后的頻域圖圖 5 混合信號通過濾波器以后的時域圖圖 6

39、 濾波器幅度響應和相位響應曲線圖 7 信號檢測結果(二) 實驗程序：t=0:1/10000:1;s1=sin(2*pi*697*t);s2=sin(2*pi*770*t);s3=sin(2*pi*852*t);s4=sin(2*pi*942*t);s5=sin(2*pi*1209*t);s6=sin(2*pi*1336*t);s7=sin(2*pi*1447*t);s=s1+s2+s3+s4+s5+s6+s7;figure(1);plot(s);grid;axis(0 ,200,-10,10 );title('原信號時域譜')figure(2);ss=fft(s,4096);S

40、S=abs(ss(1:1:2049);k1=0:2048;w1=(1/.4096)*k1;plot(w1,SS);grid;axis(0,2000, -100,3000);title('原信號頻譜')f_n=10000;f_p=1000;f_s=1200;r_p=1;r_s=30;wp=2*pi*f_p; %通帶邊界頻率； ws=2*pi*f_s; %阻帶截止頻率；N1,wn=cheb2ord(wp,ws,r_p,r_s,'s'); %Chebyshev II型濾波器參數(shù)計算；Z,P=cheby2(N1,r_s,wn,'s'); %構造Cheby

41、shev II型濾波器（零極點模型）； H,W=freqs(Z,P,wn); %將零極點模型轉化成傳遞函數(shù)的模型； b,a=bilinear(Z,P,f_n); %雙線性變換法figure(4);sb=filter(b,a,s);ssb=fft(sb,4096);SSb=abs(ssb(1:1:2049);k1=0:2048;w1=(1/.4096)*k1;plot(w1,SSb);gridaxis(0,2000 -100 3000);title('通過低通濾波器后的頻域譜')ssa=ifft(ssb,4096);figure(5);plot(ssa);grid;axis(0 200 -10 10);title('通過低通濾波器后的時域譜')figure(6);freqz(b,a,4096,10000);subplot(2,1,1);axis(0 5000 -40 3);title('幅度譜')sound(s,10000); pause(3);sound(sb,1000