DTMF通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真（課堂PPT）

1、.1DTMF通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 信息科學(xué)與工程學(xué)院電子通信系信息科學(xué)與工程學(xué)院電子通信系.21、任務(wù)、性質(zhì)與意義 任務(wù)：綜合運(yùn)用通信原理、數(shù)字信號處理等課程所學(xué)知識，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)雙音多頻(DTMF)信號傳輸過程的軟件仿真。 性質(zhì)：通信原理、數(shù)字信號處理等課的綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)。 意義： 從理論上加深對有關(guān)通信、數(shù)字信號處理原理的綜合理解； 了解DTMF信號原理和用數(shù)字信號處理的方法實(shí)現(xiàn)DTMF信號的產(chǎn)生、傳輸與檢測的過程。 掌握一門新的計(jì)算機(jī)編程工具M(jìn)ATLAB。 .32、基本原理、基本原理 2.1 雙音多頻雙音多頻(DTMF)信號信號 雙音多頻(DTMF)信號就是用兩個(gè)不同頻率的音頻

2、信號的組合 。 )2cos2(cos)(tftfAtsLH.4DTMF在電話通信系統(tǒng)中應(yīng)用脈沖撥號方式： 開關(guān)控制二線電路的通與斷 每個(gè)脈沖周期100ms 40%的占空時(shí)間 兩個(gè)相繼數(shù)字的時(shí)間間隔可以從0.5S到數(shù)秒之間變化不等 發(fā)送一個(gè)10位長的號碼大約需要7秒的時(shí)間.5DTMF撥號方式： 每一數(shù)字用一對音頻表示 8個(gè)單音頻分為兩組，高頻和低頻同時(shí)傳輸 傳送速率為每秒10個(gè)數(shù)字，或者每個(gè)數(shù)字100ms。 100ms中，45ms-55ms有信號，其余為靜音 允許有1.5%的頻率偏移，不得超出3.5% 要求信噪比不低于15dB DTMF的撥號方式比雙脈沖撥號方式可快至10倍，抗干擾能力大大高于脈

3、沖撥號方式，避免占用額外的信道.6應(yīng)用 電話系統(tǒng)控制信令 測量 在話音信道上傳送各類控制指令 實(shí)現(xiàn)電話控制家用電器的啟停，傳送遠(yuǎn)方的狀態(tài)監(jiān)測信息。 基于電話的信息服務(wù) 在實(shí)際系統(tǒng)中，首次撥號由程控交換機(jī)識別，完成主叫與被叫之間的接續(xù)；二次乃至多次撥號的識別以及操作由用戶系統(tǒng)自己完成。.7DTMF信號的硬件產(chǎn)生與檢測信號的硬件產(chǎn)生與檢測 DTMF信號發(fā)送器電路原理 .8電路組成 晶體振蕩器外接晶體(通常采用3.58MHz)與片內(nèi)電路構(gòu)成振蕩器、經(jīng)分頻產(chǎn)生參考信號 鍵控可變速率時(shí)鐘產(chǎn)生電路它是一種可變分頻比的分頻器，通常由n級移位寄存器與鍵控反饋邏輯單元組成 正弦波產(chǎn)生電路它出正弦波編碼器與DA變

4、換器構(gòu)成。通常可變速時(shí)鐘信號先經(jīng)過5位移位寄存器，產(chǎn)生組5位移位代碼，再由可編程邏輯陣列(PLA)將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼，送到DA變換器轉(zhuǎn)換成臺階形正弦波 混合電路行、列信號相加、輸出 附加功能單元，如含有單音抑制、輸出控制(禁止)、雙鍵向按無輸出等控制電路。 .9硬件接收DTMF信號的電路原理 .10DTMF接收器 主要包括DTMF分組濾波器和DTMF譯碼器。 DTMF接收信號先經(jīng)高、低群帶通濾波進(jìn)行fL/fH區(qū)分，然后過零檢測、比較，得到相應(yīng)于DTMF的兩路fL/fH信號輸出。該兩路信號經(jīng)譯碼、鎖存、緩沖，恢復(fù)成對應(yīng)于16種DTMF信號音對的4比特二進(jìn)制碼(L1一L4)。 .11雙音多頻信號

5、軟件產(chǎn)生與檢測雙音多頻信號軟件產(chǎn)生與檢測 為了產(chǎn)生DTMF信號，DSP用軟件產(chǎn)生兩個(gè)正弦波疊加在一起后發(fā)送，軟件具體實(shí)現(xiàn)方式可以有三種方法： （1）用軟件模擬DSP的方式產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)字正弦波振蕩器并把輸出合成起來，建立所希望的雙音頻 （2）通過產(chǎn)生的某頻率的方波后再附加濾波器濾出二次以上的諧波，產(chǎn)生DTMF信號 （3）直接編程輸出正弦信號組成數(shù)據(jù)表格，查表輸出產(chǎn)生DTMF信號.12軟件檢測DTMF信號主要方法：（1）利用離散傅立葉變換(DFT)及其快速算法(FFT)，求取DTMF信號頻譜的峰值點(diǎn)，進(jìn)而利用峰值點(diǎn)的頻率判斷發(fā)送的數(shù)字。缺點(diǎn)：計(jì)算量大，不利于實(shí)時(shí)處理。（2）由波形過零點(diǎn)確定低頻信號的

6、頻率，而極值點(diǎn)確定高頻信號的頻率。當(dāng)采樣頻率為8K時(shí)，每個(gè)DTMF信號的持續(xù)40ms.采樣160個(gè)點(diǎn)，即20ms采樣點(diǎn)全部落在40ms的發(fā)送范圍內(nèi)，對采樣的點(diǎn)進(jìn)行6次求和取平均然后分別計(jì)算過零點(diǎn)的數(shù)目a和極點(diǎn)的數(shù)目b，對應(yīng)頻率可以計(jì)算為：afL*50bfH*50.13軟件檢測DTMF信號主要方法： 計(jì)算接收到的DTMF信號在8個(gè)既定頻率的能量，進(jìn)而確定是否有DTMF信號到達(dá)以及收到的是哪一對信號，此外通過計(jì)算接收信號的總能量來防止誤判。采用Geortzel算法可進(jìn)一步提高計(jì)算效率，Goertzel算法實(shí)質(zhì)是一個(gè)兩極點(diǎn)的IIR濾波器，對應(yīng)每一個(gè)頻點(diǎn)有一個(gè)匹配濾波器，在抽樣時(shí)刻檢測。這種算法有利于

7、用DSP實(shí)現(xiàn)。在本次課程設(shè)計(jì)中要求使用這種方法。 .142.4 數(shù)字正弦波振蕩器原理數(shù)字正弦波振蕩器原理 數(shù)字正弦波振蕩器的功能是利用數(shù)字信號處理的方法產(chǎn)生正弦波信號的抽樣序列。設(shè)數(shù)字正弦波振蕩器要產(chǎn)生的波形為 則其Z變換為)()(21)()cos()(nTueenTunTnynTjnTj0)(21)()(nnnTjnTjnnzeeznyzY1cos2)cos(212TzzTzzezzezznTjnTj.15 y(n)可以看作是一個(gè)單位沖擊函數(shù)激勵(lì)了一個(gè)線性系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)。這個(gè)線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)就是Y(z)。由Y(z)可以寫出該線性系統(tǒng)的差分方程：令輸入x(n)為單位沖擊函數(shù)，即 則可以得到下

8、面的遞推方程 211cos21cos1zTzTz) 1()cos()()2() 1()cos(2)(00nxnxnynyny0001)()(nnnnx.16 當(dāng)n2時(shí)， 式中 。實(shí)現(xiàn)時(shí)，先將每個(gè)頻率常數(shù)存在一個(gè)表中，用來初始化振蕩器；再迭代計(jì)算得到正弦序列的輸出；將兩個(gè)這樣的輸出疊加即可得到雙音頻的輸出。每個(gè)數(shù)字輸出的樣本數(shù)取決于數(shù)字速率與采樣速率。)cos() 1 ()cos()0()cos(2) 1 (000 xyy)0() 1 ()cos(2)2(0yyy)2() 1()cos(2)(0nynynysff /20.172.5 數(shù)字匹配濾波器原理數(shù)字匹配濾波器原理 計(jì)算接收到的DTMF信號

9、在8個(gè)既定頻率的能量，進(jìn)而 確定是否有DTMF信號到達(dá)以及收到的是哪一對信號，此外通過計(jì)算接收信號的總能量來防止誤判。為滿足檢測8個(gè)DTMF頻點(diǎn)（偏差1.5%），需計(jì)算256點(diǎn)FFT，因只對8個(gè)頻點(diǎn)感興趣，故可以直接計(jì)算8個(gè)頻點(diǎn)附近的DFT 10/2)()(NnNknjenxkX.18Goertzel算法 Goertzel算法實(shí)質(zhì)是一個(gè)兩極點(diǎn)的IIR濾波器，其算法原理框圖如圖 .19 對應(yīng)每一個(gè)頻點(diǎn)有一個(gè)匹配濾波器，第k個(gè)頻率匹配濾波器的傳遞函數(shù)為其中對應(yīng)的前、后向差分方程為：)()(cos211)(21211zHzHzTzzWzHkkkkNK211cos211)(zTzzHkk121)(zW

10、zHkNkNkjkNeW2.20 后一個(gè)方程無需全部計(jì)算，只需要在n=N時(shí)刻，即最后的輸出時(shí)刻計(jì)算 并令初始值為 )()2() 1()2cos(2)(nxnvnvNknvkkk) 1()()(nvWnvnykkNkk) 1()()()(NvWNvNykXkkNkk0, 0)(nnvk.21 在n=N時(shí)刻既可以得到所需要的X(k)。由于在DTMF檢測中，輸入的信號是實(shí)數(shù)序列，并不需要檢測出8個(gè)行頻/列頻的相位，只需要計(jì)算出其幅度平方即可。因此計(jì)算|X(k)|2如下： 這里分別表示狀態(tài)變量在N和N-1時(shí)刻的值。 ) 1() 1()(2cos2)()(222NvNvNvffNvkXkkkskk) 1

11、(),(NvNvkk.222.6 2.6 仿真系統(tǒng)框圖仿真系統(tǒng)框圖DTMF信號的產(chǎn)生DTMF信號檢測電話信道判斷輸出高斯噪聲.23軟件流程圖軟件流程圖（1） 輸入鍵號（2） 生成DTMF信號（時(shí)域、頻域顯示）（3） 加入高斯噪聲（時(shí)域、頻域顯示）（4） 信道傳輸（5） 接收端隨機(jī)延遲（30個(gè)點(diǎn)以內(nèi)）（6） DTMF信號到達(dá)檢測（7） DTMF采樣（8） DTMF 頻譜分析（時(shí)域、頻域顯示）（9） DTMF鍵號識別.243. 本課程設(shè)計(jì)的工作內(nèi)容本課程設(shè)計(jì)的工作內(nèi)容 1、設(shè)計(jì)計(jì)算正弦波數(shù)字振蕩器、數(shù)字匹配濾波器的參數(shù)； 2、用MATLAB語言設(shè)計(jì)一個(gè)利用DTMF信號傳輸學(xué)號代碼的仿真系統(tǒng)。觀察下

12、列信號的波形：學(xué)號代碼的非歸零基帶信號、DTMF信號、信道加入噪聲、接收信號、匹配濾波器輸出、譯碼判決結(jié)果； 3、對仿真系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾性能仿真分析。 .254 本課程設(shè)計(jì)的要求本課程設(shè)計(jì)的要求 1、自學(xué)復(fù)習(xí)通信原理、數(shù)字信號處理的有關(guān)內(nèi)容，掌握算法原理； 2、自學(xué)MATLAB語言的使用； 3、完整實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)； 4、記錄觀察到的各種波形； 5、撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。報(bào)告統(tǒng)一使用報(bào)告統(tǒng)一使用B5紙，紙，統(tǒng)一封面，篇幅以統(tǒng)一封面，篇幅以3000字為宜。報(bào)告中字為宜。報(bào)告中要有設(shè)計(jì)過程、仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果、記要有設(shè)計(jì)過程、仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果、記錄、波形的分析與討論。正文手寫，圖、錄、波形的分析與討論。正文手

13、寫，圖、程序可以打印作為附件。程序可以打印作為附件。 .265.編程工具編程工具M(jìn)ATLAB簡介簡介 5.1 基本運(yùn)算與函數(shù) 在MATLAB下進(jìn)行基本數(shù)學(xué)運(yùn)算，只需將運(yùn)算式直接打入提示號（）之后，并按入Enter鍵即可。例如： (5*2+1.3-0.8)*10/25 ans = 4.2000 也可將上述運(yùn)算式的結(jié)果設(shè)定給另一個(gè)變量x： x = (5*2+1.3-0.8)*102/25 x = 42 若不想讓MATLAB每次都顯示運(yùn)算結(jié)果，只需在運(yùn)算式最後加上分號（；）即可。 .275.1 基本運(yùn)算與函數(shù) 變量也可用來存放向量或矩陣，并進(jìn)行各種運(yùn)算，如下例的向量運(yùn)算： x = 1 3 5 2;

14、y = 2*x+1 y = 3 7 11 5 .285.2 5.2 控制命令控制命令 5.2.1 5.2.1 for語句，其基本形式為： for 變量 = 矩陣； 運(yùn)算式； end其中變量的值會(huì)被依次設(shè)定為矩陣的每一行，來執(zhí)行介于for和end之間的運(yùn)算式。因此，若無意外情況，運(yùn)算式執(zhí)行的次數(shù)會(huì)等于矩陣的行數(shù)。 舉例來說，下列命令會(huì)產(chǎn)生一個(gè)長度為6的調(diào)和數(shù)列：x = zeros(1,6); % x是一個(gè)1行6列的零矩陣 for i = 1:6, x(i) = 1/i; end .29 5.2.25.2.2 whilewhile語句語句 基本形式為： while 條件式； 運(yùn)算式； end 也就

15、是說，只要條件示成立，運(yùn)算式就會(huì)一再被執(zhí)行。例如先前產(chǎn)生調(diào)和數(shù)列的例子，我們可用while圈改寫如下： x = zeros(1,6); % x是一個(gè)16的零矩陣 i = 1; while i 0.5, disp(Given random number is greater than 0.5.); end .31 5.2.4 5.2.4 MATLAB文件 若要一次執(zhí)行大量的MATLAB命令，可將這些命令存放于一個(gè)擴(kuò)展名為m的文件。包含MATLAB命令的文件都以m為擴(kuò)展名，因此通稱m文件，只要直接鍵入文件名，就可執(zhí)行其所包含的命令。嚴(yán)格來說，m文件可再細(xì)分為命令集（Scripts）及函數(shù)（Func

16、tions）。 命令集的效果和將命令逐一輸入完全一樣，因此若在命令集可以直接使用工作空間的變量，而且在命令集中設(shè)定的變量，也都在工作空間中看得到。 函數(shù)則需要用到輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)來傳遞變量，這就像是C語言的函數(shù)。在調(diào)用函數(shù)時(shí)，你只能經(jīng)由輸入?yún)?shù)來控制函數(shù)的輸入，經(jīng)由輸出參數(shù)來得到函數(shù)的輸出，但所有的暫時(shí)變量都會(huì)隨著函數(shù)的結(jié)束而消失。.325.3 5.3 MATLAB常用的數(shù)學(xué)函數(shù) abs(x)：標(biāo)量的絕對值或向量的長度 angle(z)：復(fù)數(shù)z的相角(Phase angle) sqrt(x)：開平方 real(z)：復(fù)數(shù)z的實(shí)部 imag(z)：復(fù)數(shù)z的虛部 conj(z)：復(fù)數(shù)z的共軛復(fù)數(shù)

17、 round(x)：四舍五入至最近整數(shù) fix(x)：無論正負(fù)，舍去小數(shù)至最近整數(shù) sign(x)：符號函數(shù)。當(dāng)x0時(shí)，sign(x)=1。 .33 rem(x,y)：求x除以y的余數(shù) gcd(x,y)：整數(shù)x和y的最大公因數(shù) lcm(x,y)：整數(shù)x和y的最小公倍數(shù) exp(x)：自然指數(shù)ex pow2(x)：2的指數(shù) 2x log(x)：以e為底的對數(shù)，即自然對數(shù)ln(x) log2(x)：以2為底的對數(shù) log2(x) log10(x)：以10為底的對數(shù)log10(x) .34 sin(x)：正弦函數(shù) cos(x)：余弦函數(shù) tan(x)：正切函數(shù) asin(x)：反正弦函數(shù) acos(

18、x)：反馀弦函數(shù) atan(x)：反正切函數(shù) .35 min(x): 向量x的元素的最小值 max(x): 向量x的元素的最大值 sort(x): 對向量x的元素進(jìn)行排序 length(x): 向量x的元素個(gè)數(shù) sum(x): 向量x的元素總和 cumsum(x): 向量x的累計(jì)元素總和 dot(x, y): 向量x和y的內(nèi)積 cross(x, y): 向量x和y的外積 .365.4 MATLAB 5.4 MATLAB 繪圖繪圖 plot是繪制一維曲線的基本函數(shù)，但在使用此函數(shù)之前，需要先定義曲線上每一點(diǎn)的x及y座標(biāo)。下例可畫出一條正弦曲線： % 100個(gè)點(diǎn)的x座標(biāo) x=linspace(0, 2*pi, 100); % 對應(yīng)的y座標(biāo) y=sin(x); plot(x,y); 運(yùn)行結(jié)果.37 plot: x軸和y軸均為線性刻度（Linear scale） l o g l o g : x 軸 和 y 軸 均 為 對 數(shù) 刻 度（Logarithmic scale） semilogx: x軸為對數(shù)刻度，y軸為線性刻度 se