雙音多頻檢測模塊的設(shè)計.doc

第1章緒論雙音多頻DTMF（Dual Tone Multi-Frequency）信令，就是用兩個頻率行頻和列頻來表示電話機鍵盤上的一個數(shù)字。雙音多頻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。逐漸在全世界范圍內(nèi)使用在按鍵式電話機上，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。作為實現(xiàn)電話號碼快速可靠傳輸?shù)囊环N技術(shù)，它具有很強的抗干擾能力和較高的傳輸速度，因此，可廣泛用于電話通信系統(tǒng)中。但絕大部分是用作電話的音頻撥號。另外，它也可以在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中廣泛地用來實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)流和語音等信息的遠程傳輸。 近年來DTMF也應用在交互式控制中，諸如語言菜單、語言郵件、電話銀行和ATM 終端等。通過軟件產(chǎn)生與檢測DTMF信令，是一項較有價值的工程應用。這是一種技術(shù)，就是電話機上的一個按鍵按下去時，電話機向交換機同時發(fā)送兩個頻率的信號，告訴交換機按的是哪個按鍵，以前采用脈沖方式，速度慢，一共有8個頻率的音頻信號，分為2組，每組4個，兩兩組合共可以代表16個按鍵，分別代表0-9 、#、*等按鍵。 第2章雙音多頻（DTMF）信號的設(shè)計2.1設(shè)計目的及意義雙音多頻信號（DTMF）是電話系統(tǒng)中電話機與交換機之間的一種用戶信令，通常用于發(fā)送被叫號碼。雙音多頻信號是貝爾實驗室發(fā)明的，其目的是為了自動完成長途呼叫。 電話撥號有兩種，脈沖和音頻，所謂音頻也稱雙音多頻（DTMF）信號的撥號方式，雙音多頻既是電話撥號時每按一個鍵，有兩個音頻頻率疊加成一個雙音頻信號，十二個按鍵由七個音頻頻率區(qū)分。在使用雙音多頻信號之前，電話系統(tǒng)中使用一連串的斷續(xù)脈沖來傳送被叫號碼，稱為脈沖撥號。脈沖撥號需要電信局中的操作員手工完成長途接續(xù)。雙音多頻的撥號鍵盤是44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(fā)送一個高頻和低頻的正弦信號組合，比如1相當于697和1209赫茲(Hz)。交換機可以解碼這些頻率組合并確定所對應的按鍵。本次課設(shè)的目的就是通過學習和掌握現(xiàn)代交換原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個雙音多頻檢測模塊并對電路進行仿真，綜合應用所學知識，進行一次比較全面的訓練，為今后的學習和工作積累經(jīng)驗。此外，該題目還涵蓋了通信原理、電路分析、交換原理等主要課程的知識點，學生通過該題目的設(shè)計過程，可以初步掌握DTMF編/解碼技術(shù)原理和相關(guān)電路設(shè)計、開發(fā)原理，得到系統(tǒng)的訓練，提高解決實際問題的能力。2.2雙音多頻（DTMF）信號的組成雙音多頻信號作為實現(xiàn)電話號碼快速可靠傳輸?shù)囊环N技術(shù)，它具有很強的抗干擾能力和較高的傳輸速度，因此，廣泛應用于電話通信系統(tǒng)中。近年來，雙音多頻信號也應用在交互式控制中，如在語言控制、語言郵件、電話銀行和ATM 終端等的應用。音頻撥號電話當人們按下某一個按鍵時，會產(chǎn)生一組特定的雙音信號，稱為雙音多頻信號，電話交換機會對該信號進行處理，根據(jù)兩個單音頻率來識別所按下的號碼。將電話撥號盤上的數(shù)字09 和兩個標有“*”和“#”的特殊按鈕進行頻率分配，如圖所示。包括兩個頻率低頻段包括的頻率是697Hz，770Hz，852Hz 和941Hz，稱為行頻。高頻段內(nèi)含的頻率 1209Hz，1336Hz，1477Hz，1633Hz，稱為列頻，它們可頻率分配構(gòu)成16 種頻率組合，每一種組合由一對正弦頻率信號唯一確定。其中第四列1633Hz 對應的按鍵目前并沒有使用，留待將來擴展使用。 雙頻撥號的頻率分配 列行1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz 123A770Hz 4 5 6 B852Hz 7 8 9C941Hz * 0 # D2.3DTMF信號的應用DTMF 信號即雙音多頻信號,最先用于程控電話交換系統(tǒng)來代替號盤脈沖信號。如圖1：主叫用戶摘機按鍵撥號后，電話號碼所對應的DTMF信號通過電話線傳到程控交換機中的DTMF接受電路，交換機中的微機識別被叫電話號碼后，接通主被叫用戶實現(xiàn)雙方通話。DTMF信號還用于自動控制系統(tǒng)，如果把DTMF的發(fā)送電路用于主控系統(tǒng)，接受電路用于被控系統(tǒng)，就可以方便地組成有線或無線通信系統(tǒng)，如圖2所示，其通道數(shù)視需要而定，16通道以內(nèi)每通道只需編一位號碼即可，若需要更多通道，則可象電話號碼編號一樣編為兩位或兩位以上的號碼。2.4仿真軟件介紹PROTEL軟件概述PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件，在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當之無愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設(shè)計者的首選軟件，它較早就在國內(nèi)開始使用，在國內(nèi)的普及率也最高，有些高校的電子專業(yè)還專門開設(shè)了課程來學習它，幾乎所有的電子公司都要用到它，許多大公司在招聘電子設(shè)計人才時在其條件欄上常會寫著要求會使用PROTEL。早期的PROTEL主要作為印制板自動布線工具使用，運行在DOS環(huán)境，對硬件的要求很低，在無硬盤286機的1M內(nèi)存下就能運行，但它的功能也較少，只有電原理圖繪制與印制板設(shè)計功能，其印制板自動布線的布通率也低，而現(xiàn)今的PROTEL已發(fā)展到PROTEL99（網(wǎng)絡上可下載到它的測試板），是個龐大的EDA軟件，完全安裝有200多M，它工作在WINDOWS95環(huán)境下，是個完整的板級全方位電子設(shè)計系統(tǒng)，它包含了電路原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印制電路板設(shè)計（包含印制電路板自動布線）、可編程邏輯器件設(shè)計、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客戶/服務器）體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其它設(shè)計軟件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多層印制線路板的自動布線可實現(xiàn)高密度PCB的100布通率。在國內(nèi)PROTEL軟件較易買到，有關(guān)PROTEL軟件和使用說明的書也有很多，這為它的普及提供了基礎(chǔ)。想更多地了解PROTEL的軟件功能或者下載PROTEL99的試用版，可以在INTERNET上。MATLAB軟件概述MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。2.5電路設(shè)計中的核心器件MT8870MT8870 音調(diào)譯碼器（Tone Decoder）是MITEL 公司所開發(fā)生產(chǎn)為一顆常用復頻譯碼IC，這個電路可以接收DTMF 信號，是一個完整的DTMF 接收器。它接收了DTMF 信號后，內(nèi)部將信號分成高頻帶和低頻帶，并將此信號送至數(shù)字譯碼器，然后將訊號送至數(shù)字譯碼器以解出按鍵值，接著將解出的按鍵值以二進制的方式以四條線(Q1、Q2、Q3、Q4)輸出到外部共享Bus 上，其MT8870 接腳說明如表1及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2。值得一提的是，當MT8870 解出一個按鍵值且輸出到外部時，其STD 接腳會由低態(tài)升為高態(tài)，經(jīng)一段時間后再降為低態(tài)，我們便可利用此特點偵測到此腳有訊號時便馬上將Q1-Q4 接腳所產(chǎn)生的值讀入CPU，然后解出電話的按鍵值。MT8870在DTMF中的應用：MT8870組成收號電路，它的輸入為來自模擬用戶接口雙音多頻信號，輸出為4位二進制數(shù)據(jù)，供處理器從數(shù)據(jù)總線讀入。MT8870的功能模塊圖見圖2。其收號過程如下：模擬信號從IN-腳引入后，經(jīng)雙音濾波器初步濾除帶外干擾信號，隨后，此濾出信號在經(jīng)高群濾波器和低群濾波器分別濾出其中的高頻和低頻分量，這兩種分量分別通過過零檢測后送給數(shù)字檢測計算電路；該電路對音頻信號進行進一步的優(yōu)化，能排除外部噪聲因偶然含有默寫特定頻率而被編碼器編碼，或則影響編碼器的編碼，從而引起后續(xù)的收號錯誤。當高、低頻組信號同時被編碼器測到時，ESt腳將輸出高電平作為有效檢測DTMF信號的標志，而當DTMF信號消失時，ESt腳將輸出低電平。為了防止外部噪聲被MT8870誤編碼，編碼器要求被編碼的音頻信號能維持一段時間，這段時間由外部的一個RC電路來決定。如前所述，當音頻信號被檢測到時。ESt輸出高電平l，電容放電，VC上的電壓值上升(假設(shè)信號在整個要求時間內(nèi)部存在)，VC升到一個門限值VTST時，該音頻信號被編碼，變成了數(shù)字信號，該數(shù)字信號將被鎖存起來，此時，GT就為高，使VC點的電壓由門限值升到VDD，此后，只要ESt仍保持為高，GT就為高，外部的RC電路回到初始狀態(tài)，隨后，經(jīng)過一段鎖存操作引起的延時后，StD腳輸出高電平，表示信號鎖存完畢。這時，外部期間若要從D1D4上讀這四位編碼，應使TOE為高，打開鎖存器，這就完成了DTMF的收號任務。MC74HC4511雙列16腳封裝，BCD-7段鎖存或譯碼或驅(qū)動器，它將輸入BCD標準代碼變換成驅(qū)動七段數(shù)碼管所需的碼信號。它又稱四線七段鎖存譯碼器，其中四線A-D為BCD碼輸入端，高電平有效，A為低位輸入端，D為高位輸入端，七段a-g輸出高電平以驅(qū)動共陰極數(shù)碼管發(fā)光，LE為鎖存控制端，高電平時能夠鎖存輸入的BCD碼，LT為燈側(cè)試反相控制端，BI為消隱反相控制端。2.6主要參數(shù)設(shè)置檢測DTMF信號的DFT參數(shù)選擇 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)：（1）采樣頻率，（2）DFT的變換點數(shù)N，（3）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行確定。這里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）檢測頻率的準確性。確定8KHz，N205，。第3章雙音多頻（DTMF）信號的產(chǎn)生與檢測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，戈澤爾算法。3.1雙音多頻信號的產(chǎn)生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，另個一產(chǎn)生列音頻信號。DTMF 編解碼器的音頻信號產(chǎn)生部分是基于兩個二階的數(shù)字正弦波振蕩器，一個產(chǎn)生行頻，一個產(chǎn)生列頻。振蕩器的框圖如下。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。產(chǎn)生DTMF信號的流程圖3.2雙音多頻信號檢測在接收端，要對收到的雙音多頻信號進行檢測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(guān)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，而且還要占用很多內(nèi)存，因此不如直接用DFT合適。DTMF 信號檢測流程圖3.3MATLAB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，其中存放的是由K指定的頻率點的DFTx(n)的值。設(shè)X(k)= DFTx(n)，則第4章雙音多頻（DTMF）信號的仿真DTMF信號的產(chǎn)生與識別仿真實驗在MATLAB環(huán)境下進行，編寫仿真程序，運行程序，送入8位電話號碼，程序自動產(chǎn)生每一位號碼數(shù)字相應的DTMF信號，并送出雙頻聲音，再用DFT進行譜分析，顯示每一位號碼數(shù)字的DTMF信號的DFT幅度譜，安照幅度譜的最大值確定對應的頻率，再安照頻率確定每一位對應的號碼數(shù)字，最后輸出8位電話號碼。4.1硬件連接圖上圖是利用Protel仿真軟件實現(xiàn)的雙音多頻信號檢測硬件圖硬件連接圖顯示部分4.2仿真程序運行結(jié)果1、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位號碼對應的雙音頻聲音；第三段（2225行）對時域離散DTMF信號進行頻率檢測，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8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 l=1:8; d=fix(TN/10(8-l); TN=TN-d*10(8-l); 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=0:1023; % 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(1:205),K+1); % 用Goertzel算法計算八點DFT樣本 val = abs(X); % 列出八點DFT向量 subplot(4,2,l); stem(K,val,.);grid;xlabel(k);ylabel(|X(k)|) % 畫出DFT(k)幅度 axis(10 50 0 120) limit = 80; % for 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(8-l);enddisp(接收端檢測到的號碼為：) % 顯示接收到的字符disp(TNr)2、運行結(jié)果：（1）、運行程序，根據(jù)提示鍵入8位電話號碼12341234，然后回車。（2）、回車后可以聽見8位電話號碼對應的DTMF信號的聲音，并輸出相應的8幅頻譜圖如下圖所示。（3）、左上角的第一個圖在k=18和k=31兩點出現(xiàn)峰值，所以對應第一位號碼數(shù)字1。最后顯示檢測到的電話號碼12341234。.第5章總結(jié)通過此次實驗，我們對DTMF的基礎(chǔ)知識有了個比較深刻的了解，掌握了DTMF的信號產(chǎn)生及信號檢驗的原理及方法，加深了對雙音多頻信號的產(chǎn)生與檢測的理解，提高了利用交換原理知識處理系統(tǒng)問題的能力。并聯(lián)系以往學習的知識，利用PROTEL仿真軟件，使自己掌握了更多有用的知識。利用PROTEL仿真軟件實現(xiàn)了對雙音多頻信號的產(chǎn)生與檢測的仿真分析，可以得到理想的實驗要求，并且更加深刻學生對雙音多頻信號的產(chǎn)生與檢測的認識，通過本次試驗，明顯感受到利用PROTEL仿真軟件是非常方便的，而且經(jīng)濟，這種仿真軟件一定會在以后的課程設(shè)計中得到更廣泛的應用。 通過對雙音多頻信號的產(chǎn)生與檢測仿真實驗，PROTEL仿真軟件的實驗結(jié)果非常接近理論值，而且比實際操作安全，方便。并且把理論與實踐有效地結(jié)合在一起，有利于學生對交換原理-課程的學習。 通過這次課程設(shè)計，鞏固了對雙音多頻信號的產(chǎn)生與檢測的理解，同時掌握了