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

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

2、1.2課程設(shè)計(jì)內(nèi)容1.雙音多頻信號(hào)的產(chǎn)生，dtmf信號(hào)用兩個(gè)不同頻率正弦信號(hào)相加，一個(gè)高頻一個(gè)低頻。2. 雙音多頻信號(hào)的檢測(cè)，在接收端，要對(duì)收到的雙音多頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)兩個(gè)正弦波的頻率是多少，以判斷對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)字或符號(hào)。根據(jù)教材第3章用dft對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行譜分析的理論，確定三個(gè)參數(shù)：（1）采樣頻率fs；（2）dft變換點(diǎn)數(shù)n；（3）對(duì)信號(hào)的觀察時(shí)間的長(zhǎng)度tp。這三個(gè)參數(shù)不能隨機(jī)選取，要根據(jù)對(duì)信號(hào)頻譜分析的要求進(jìn)行確定。對(duì)信號(hào)頻譜分析也有三個(gè)要求：（1）頻率分辨率；（2）譜分析的頻譜范圍；（3）檢測(cè)頻率的準(zhǔn)確性。1.3課程設(shè)計(jì)要求1. 要求獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)。2. 課程設(shè)計(jì)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(jì)教學(xué)工作規(guī)范附表13. 課程設(shè)計(jì)的說明書要求簡(jiǎn)潔、通順，計(jì)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(hào)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(jì)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(hào)產(chǎn)生與檢測(cè)的原理和內(nèi)容2.1雙音頻信號(hào)產(chǎn)生與檢測(cè)的原理介紹雙音多頻（dual tone multi frequency, dtmf）信號(hào)是音頻電話中的撥號(hào)信號(hào)，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(hào)制式具有很高

4、的撥號(hào)速度，且容易自動(dòng)監(jiān)測(cè)識(shí)別，很快就代替了原有的用脈沖計(jì)數(shù)方式的撥號(hào)制式。這種雙音多頻信號(hào)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(hào)選擇語音菜單進(jìn)行操作。 dtmf信號(hào)系統(tǒng)是一個(gè)典型的小型信號(hào)處理系統(tǒng)，它要用數(shù)字方法產(chǎn)生模擬信號(hào)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(hào)，并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理與識(shí)別。為了系統(tǒng)的檢測(cè)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(hào)

5、的產(chǎn)生方法和檢測(cè)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(gè)都用兩個(gè)不同的單音頻傳輸，所用的8個(gè)頻率分成高頻帶和低頻帶兩組，低頻帶有四個(gè)頻率：679hz,770hz,852hz和941hz；高頻帶也有四個(gè)頻率：1209hz,1336hz,1477hz和1633hz.。每一個(gè)數(shù)字均由高、低頻帶中各一個(gè)頻率構(gòu)成，例如1用697hz和1209hz兩個(gè)頻率，信號(hào)用表示，其中，。這樣8個(gè)頻率形成16種不同的雙頻信號(hào)。具體號(hào)碼以及符號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率如表1所示。表中最后一列在電話中暫時(shí)未用。列行1209hz1336hz1477hz633hz697hz123a770hz456b852hz7

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

7、序列值容易，但實(shí)際中要占用一些計(jì)算時(shí)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(jì)算出來，寄存在存儲(chǔ)器中，運(yùn)行時(shí)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(chǔ)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(gè)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(shí)間的dtmf信號(hào)。dtmf信號(hào)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(hào)檢測(cè)（1）在接收端，要對(duì)收到的雙音多頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)兩個(gè)正弦波的頻率是多少，以判斷所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)字或者符號(hào)。顯然這里仍然要用數(shù)字方法進(jìn)行檢測(cè)，因此要將收到的時(shí)間連續(xù) dtmf信號(hào)經(jīng)過

8、a/d變換，變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)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(hào)的2個(gè)濾波器判斷相應(yīng)的數(shù)字或符號(hào)。另一種是用dft（fft）對(duì)雙音多頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，由信號(hào)的幅度譜，判斷信號(hào)的兩個(gè)頻率，最后確定相應(yīng)的數(shù)字或符號(hào)。當(dāng)檢測(cè)的音頻數(shù)目較少時(shí)，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(shí)，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(jì)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(hào)處理工具箱中戈澤爾算法的函

9、數(shù)goertzel，計(jì)算n點(diǎn)dft的幾個(gè)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(shí)域序列，用于dtmf信號(hào)檢測(cè)時(shí)，xn就是dtmf信號(hào)的205個(gè)采樣值。k是要求計(jì)算的dftxn的頻點(diǎn)序號(hào)向量，用n表示xn的長(zhǎng)度，則要求1kn。由表2可知，如果只計(jì)算dtmf信號(hào)8個(gè)基頻時(shí)，k=18，20，22，24，31，34，38，42，如果同時(shí)計(jì)算8個(gè)基頻及其二次諧波時(shí)，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(cè)dtmf信號(hào)的dft參數(shù)選擇 用dft檢測(cè)模擬dtmf信號(hào)所含有的兩個(gè)音頻頻率，是一個(gè)用dft對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的問題。根據(jù)第三章用dft對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行譜分析的理論，確定三個(gè)參數(shù)：采樣頻率，dft的變換點(diǎn)數(shù)n，需要對(duì)信號(hào)的觀察時(shí)間的長(zhǎng)度。這三個(gè)參數(shù)不能隨意選取，要根據(jù)對(duì)信號(hào)頻譜分析的要求進(jìn)行確定。這里對(duì)信號(hào)頻譜分析也有三個(gè)要求： 頻率分辨率，譜分析的頻譜范圍，檢測(cè)頻率的準(zhǔn)確性。 頻譜分析的分辨率。觀察要檢測(cè)的8個(gè)頻率，相鄰間隔最小的是第一和第二個(gè)頻率，間隔是73hz，要求dft最少能夠分辨相隔73hz的兩個(gè)

11、頻率，即要求。dft的分辨率和對(duì)信號(hào)的觀察時(shí)間有關(guān)， 。考慮到可靠性，留有富裕量，要求按鍵的時(shí)間大于40ms。 頻譜分析的頻率范圍 要檢測(cè)的信號(hào)頻率范圍是6971633hz，但考慮到存在語音干擾，除了檢測(cè)這8個(gè)頻率外，還要檢測(cè)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(hào)。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(duì)頻譜分析范圍的要求是一定滿足的。按照，8khz，算出對(duì)信號(hào)最少的采樣點(diǎn)數(shù)為。 檢測(cè)

12、頻率的準(zhǔn)確性 這是一個(gè)用dft檢測(cè)正弦波頻率是否準(zhǔn)確的問題。序列的n點(diǎn)dft是對(duì)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(gè)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(hào)的頻率上，dft的幅度最大處就是信號(hào)的準(zhǔn)確頻率。分析這些dtmf信號(hào)，不可能經(jīng)過采樣得到周期序列，因此存在檢測(cè)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(gè)合適的n，使用該公式算出的能接近要檢測(cè)的頻率，或者用8個(gè)頻率中的任一個(gè)頻率代入公式中時(shí)，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(cè)的頻率有誤差

13、，但可以準(zhǔn)確判斷所對(duì)應(yīng)的dtmf頻率，即可以準(zhǔn)確判斷所對(duì)應(yīng)的數(shù)字或符號(hào)。經(jīng)過分析研究認(rèn)為n205是最好的。按照8khz，n205，算出8個(gè)頻率及其二次諧波對(duì)應(yīng)k值，和k取整數(shù)時(shí)的頻率誤差見表2。8個(gè)基頻hz最近的整數(shù)k值dft的k值絕對(duì)誤差二次諧波hz對(duì)應(yīng)的k值最近的整數(shù)k值絕對(duì)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(gè)基頻以其二次諧波對(duì)應(yīng)的k值以及k取整數(shù)時(shí)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(hào)的產(chǎn)生與識(shí)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(hào)碼，程序自動(dòng)產(chǎn)生每一位號(hào)碼數(shù)字相應(yīng)的dtmf信號(hào)，并送出雙頻聲音，再用dft進(jìn)行譜分析，顯示每一位號(hào)碼數(shù)字的dtmf信號(hào)的dft幅度譜，安照

15、幅度譜的最大值確定對(duì)應(yīng)的頻率，再安照頻率確定每一位對(duì)應(yīng)的號(hào)碼數(shù)字，最后輸出8位電話號(hào)碼。3.1設(shè)計(jì)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(hào)碼；第二段（920行）根據(jù)鍵入的8位電話號(hào)碼產(chǎn)生時(shí)域離散dtmf信號(hào)，并連續(xù)發(fā)出8位號(hào)碼對(duì)應(yīng)的雙音頻聲音；第三段（2225行）對(duì)時(shí)域離散dtmf信號(hào)進(jìn)行頻率檢測(cè)，畫出幅度譜；第四段（2633行）根據(jù)幅度譜的兩個(gè)峰值，分別查找并確定輸入8位電話號(hào)碼。程序清單如下：% dtmf雙頻撥號(hào)信號(hào)的生成和檢測(cè)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(hào)代表的16個(gè)

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(hào)碼= ); % 輸入8位數(shù)字tnr=0; %接收端電話號(hào)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(cè)碼相符的列號(hào)q endif tm(p,q)=abs(d); break,end % 檢測(cè)碼相符的行號(hào)p end n=0

17、:1023; % 為了發(fā)聲，加長(zhǎng)序列 x = sin(2*pi*n*f1(p)/8000) + sin(2*pi*n*f2(q)/8000);% 構(gòu)成雙頻信號(hào) sound(x,8000); % 發(fā)出聲音 pause(0.1) % 接收檢測(cè)端的程序 x=goertzel(x(1:n),k+1); % 用goertzel算法計(jì)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(hào) end for r=1:4; if val(r) limit, break, end % 查找行號(hào) end tnr=tnr+tm(r,s-4)*10(6-m);%將6位電話號(hào)碼表示成一個(gè)6位數(shù)，以便顯示enddisp(接收端檢測(cè)到的號(hào)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(hào)碼135246，然后回車。（2）、回車后可以聽見6位電話號(hào)碼對(duì)應(yīng)的dtmf信號(hào)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(gè)圖在k=18和k=31兩點(diǎn)出現(xiàn)峰值，對(duì)