數(shù)字信號(hào)處理在雙音多頻撥號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、.專(zhuān)業(yè)整理.學(xué)習(xí)幫手.數(shù)字信號(hào)處理DSP課程設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理在雙音多頻撥號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用班級(jí)：2011級(jí)通信工程班 :王羽翔學(xué)號(hào)：22111140105數(shù)字信號(hào)處理在雙音多頻撥號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要數(shù)字信號(hào)處理在所有的有關(guān)工程技術(shù)方面的領(lǐng)域都會(huì)涉及到。- 般來(lái)說(shuō)，數(shù)字信號(hào)處理的對(duì)象是數(shù)字信號(hào)， 但是，如果系統(tǒng)中增加數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，那么數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)也可以處理模擬信 號(hào)。本課程設(shè)計(jì)介紹了基于MATLAB勺對(duì)于中的雙音多頻(DTMF信號(hào)的產(chǎn)生、檢測(cè)、DTMF言號(hào)的DFT參數(shù)選擇與識(shí)別仿真實(shí)驗(yàn)。DTME言號(hào)系統(tǒng)是一個(gè)典型的小型信號(hào)處理系統(tǒng)，它用數(shù)學(xué)方法 產(chǎn)生模擬信號(hào)并進(jìn)行傳輸，其中還用到了D

2、/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)的處理與識(shí)別。關(guān)鍵詞：MATLABC具數(shù)字信號(hào)處理 DTME信號(hào)系統(tǒng) 1.課程設(shè)計(jì)的目的1) .掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法;2) .掌握中的雙音多頻(DTMFJ言號(hào)的產(chǎn)生與檢測(cè)；3) .學(xué)會(huì)MATLAB勺使用，掌握MATLAB勺程序設(shè)計(jì)方法;4) .學(xué)會(huì)用MATLA的信號(hào)進(jìn)行分析和處理。5) .初步了解數(shù)字信號(hào)處理在是集中的使用方法和重要性。6) 課程設(shè)計(jì)容1) .在MATLA斷境下，實(shí)現(xiàn)仿真程序，送入6位，程序自動(dòng)產(chǎn)生 與每一位數(shù)字相應(yīng)的DTMF言號(hào)，并送出雙頻聲音；2) .用DFT進(jìn)行頻譜分析，顯示每一

3、位數(shù)字的 DTMF言號(hào)的DFT 幅度譜，按照幅度的最大值確定對(duì)應(yīng)的頻率；3) .按照頻率確定每一位對(duì)應(yīng)的數(shù)字，輸出 6位。4) .設(shè)置參數(shù)，并讀入8位。設(shè)置每位所對(duì)應(yīng)的高頻分量和低頻 分量。5) .根據(jù)鍵入的8位產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)域離散DTMF言號(hào)，添加程序.專(zhuān)業(yè)整理.連續(xù)發(fā)出8位對(duì)應(yīng)的雙頻聲音。3.課程設(shè)計(jì)方法綜述1 .中的DTMFt號(hào)的組成在中 數(shù)字0-9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

4、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sin(2行 列1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123A770Hz456B852Hz789C941Hz*0#D冗其這同號(hào)1f 1t)+sin(2 f 2t)表示， 中 f697Hz,f 2=1209Hz樣8個(gè)頻率形成16種不 的雙頻信號(hào)。具體以及符 對(duì)應(yīng)的頻率如表所不。表 中最后一列在中暫時(shí)未 用。DTMF信號(hào)在中有兩種作用一個(gè)是用撥號(hào)信號(hào)去控制交換機(jī)接通被叫的用戶(hù)機(jī)另一個(gè)作用是控制機(jī)的各種動(dòng)作如播放留言、語(yǔ)音信箱等。2 .中的雙音多頻(DTMF/言號(hào)的產(chǎn)生與檢測(cè)(1)雙音多頻信號(hào)的產(chǎn)生假設(shè)時(shí)間連續(xù)的

5、DTMF信號(hào)用 X(t)=sin(2 % f 1)+sin(2兀f2)表示，式中f1和f2是按照表1選擇的兩個(gè)頻 率,f 1代表低頻帶中的一個(gè)頻率,f 2代表高頻帶中的一個(gè)頻率。顯然采 .學(xué)習(xí)幫手.用數(shù)字方法產(chǎn)生DTMF言號(hào)方便而且體積小。下面介紹采用數(shù)字方法 產(chǎn)生DTMF言號(hào)。規(guī)定用8KHz對(duì)DTMFt號(hào)進(jìn)行采樣 采樣后得到時(shí) 域離散信號(hào)為x(n尸sin(2 兀 f in/8000)+sin(2 兀 f 2n/8000)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(lái)寄存在存儲(chǔ)器中 運(yùn)行時(shí)只要

6、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言號(hào)。DTMF言號(hào)通過(guò)線(xiàn)路送到交換機(jī)。(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(guò)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 DF

7、T (FFD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，而且還要占用很多存。因此不如直接用DFT合適。3 .檢測(cè)DTMF言號(hào)的DFT參數(shù)選擇 .學(xué)習(xí)幫手.用DFT檢測(cè)卞K擬DTMFt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(wèn)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)：(1)采樣頻率Fs;(2)DFT的變換點(diǎn)數(shù) N;(3)需要對(duì)信號(hào)的觀(guān)察時(shí)間的長(zhǎng)度 Tp。這三個(gè)參數(shù)不能隨意

8、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：(1)頻率分辨率，(2)譜分析的頻譜圍，(3)檢測(cè)頻率的準(zhǔn) 確性。(1)頻譜分析的分辨率觀(guān)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)頻率，即要求 Fmin=73Hz。DFT的分辨率和對(duì)信號(hào)的觀(guān)察時(shí)間Tp有關(guān) Tpmin=1/F=1/73=13.7ms?？紤]到可靠性，留有富裕量，要求按鍵的 時(shí)間大于40ms)(2)頻譜分析的頻率圍要檢測(cè)的信號(hào)頻率圍是697T633Hz但考慮到存在語(yǔ)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

9、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圍為 6973266H乙按照采樣定理，最高頻率不能超過(guò)折疊頻率，即 0.5Fs 二3622H4由此要求最小的采樣頻率應(yīng)為 7.24KHz。因?yàn)閿?shù)字總系統(tǒng) 已經(jīng)規(guī)定Fs=8KHz,因此對(duì)頻譜分析圍的要求是一定滿(mǎn)足的。按照 Tpmin=13.7ms, Fs=8KHz,算出對(duì)信號(hào)最少的采樣點(diǎn)數(shù)為 Nmin=Tpmin- FsIIO。 .學(xué)習(xí)幫手.專(zhuān)業(yè)整理.(3)檢測(cè)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(wèn)題。序列的N點(diǎn)DFT是對(duì)序列頻譜函數(shù)在02兀區(qū)間的N點(diǎn)等間隔采樣，如果是一

10、 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DTMFt號(hào)，不可能經(jīng)過(guò)采樣得到周期序列，因此存在檢測(cè)頻率的準(zhǔn)確性問(wèn)題。DFT的頻率采樣點(diǎn)頻率為3 k=2冗 k/N(k=0,1,2,.N-1)相應(yīng)的模擬域采樣點(diǎn)頻率為Fk=Fsk/Nk=(0,1,2,-,N-1),希望選擇一個(gè)合適的 N使用該公式算出的fk 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fk代入公式 fk'=Fsk/N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，但可以準(zhǔn)確判斷所對(duì)應(yīng)的DTM顏率，即可以準(zhǔn)確判斷所

11、對(duì)應(yīng)的數(shù)字或符號(hào)。經(jīng)過(guò)分析研究認(rèn)為N=205是最好的。按 照Fs=8KHz N=205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(jiàn)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69717.681180.319139435.350.77019.531200.269154038.692390.30885221.833220.167170442.813430.18794124.113240.113188247.285470.285120930.981310.019241860.752610.248133634.235340.

12、235267267.134670.134147737.848380.152295474.219740.219163341.846420.154326682.820.通過(guò)以上分析 確定Fs=8KHz N=2054. DTMF言號(hào)的產(chǎn)生與識(shí)別仿真實(shí)驗(yàn)下面先介紹MATLA具箱函數(shù)goertzel然后介紹DTMF言號(hào).學(xué)習(xí)幫手.的產(chǎn)生與識(shí)別仿真實(shí)驗(yàn)程序。Goerztel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言號(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11KW Nlo由表2可知

13、，如果只計(jì)算 DTMF信號(hào)8個(gè)基頻時(shí)，K=182022248個(gè)基頻及其二次諧波時(shí)，383942 43313438K=18 20 2247616742, 如果同時(shí)計(jì)算243134357482。Xgk是變換結(jié)果向量，其中存放的是由K指定的頻率點(diǎn)的DFTx(n)的值。設(shè)X(k)= DFTx(n) 則 Xgk(i尸X (K(i) ,i=1,2,.,length(K)。DTMF言號(hào)的產(chǎn)生與識(shí)別仿真實(shí)驗(yàn)在MATLA彌境下進(jìn)行，編寫(xiě)仿真程 序，運(yùn)行程序，送入8位，程序自動(dòng)產(chǎn)生每一位數(shù)字相應(yīng)的DTMF言號(hào)，并送出雙頻聲音，再用DFT進(jìn)行譜分析，顯示每一位數(shù)字的DTMF 信號(hào)的DFT幅度譜。按照幅度譜的最大值確

14、定對(duì)應(yīng)的頻率。再安照頻率確定每一位對(duì)應(yīng)的數(shù)字，最后輸出 8位。3.課程設(shè)計(jì)的步驟.專(zhuān)業(yè)整理.開(kāi)始編寫(xiě)主要程序用Matlab實(shí)現(xiàn)輸入6/8位電話(huà)檢測(cè)與m位號(hào)碼相符的低頻帶檢測(cè)與m位號(hào)碼相符的高頻帶構(gòu)成雙音頻信號(hào)X(n尸sin(2 兀 f1n/8000)+sin(2 兀 f2n/8000)用Goertzel算法計(jì)算6/8點(diǎn)DFT樣本畫(huà)由6/8點(diǎn)DFT樣本幅檢測(cè)6/8點(diǎn)DFT模值查找8點(diǎn)樣本所對(duì)應(yīng)的低頻帶與高頻帶結(jié)束1) .初步完成總體設(shè)計(jì)，搭好框架，確定人機(jī)對(duì)話(huà)的界面、確定 輸入輸出函數(shù)的接口。2) .編寫(xiě)主要程序，包括戈澤爾算法和 N點(diǎn)DFT3) .編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)輸入輸出功能的程序。4) .編寫(xiě)波形輸

15、出程序。5) .用matlab的相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。2.6位DTM雙音多頻撥號(hào)信號(hào)的生成和檢測(cè)仿真程序：wangyuxiang_exp6.mfunction x=wangyuxiang_exp6()clc;clear all;tm=1,2,3,65;4,5,6,66;7,8,9,67;42,0,35,68;N=205;K=18,20,22,24,31,34,38,42;f1=697,770,852,941;f2=1209,1336,1447,1633;TN=input('鍵入 6 位=');TNr=0;for m=1:6;d=fix(TN/10A(6-m);TN=TN-d*10A

16、(6-m);for p=1:4;for q=1:4;if tm(p,q)=abs(d);break,endendif tm(p,q)=abs(d);break,endendn=0:1023;x=sin(2*pi*n*f1(p)/8000)+sin(2*pi*n*f2(q)/8000);sound(x,8000);pause(0.1)X=goertzel(x(1:N),K+1);val=abs(X);subplot(1,1,1);stem(K,val,'.');grid;xlabel(k);ylabel('|X(k)|')axis(10 50 0 120)limi

17、t=80;for s=5:8;if val(s)>limit,break,endendfor r=1:4;if val(r)>limit,break,endendTNr=TNr+tm(r,s-4)*10八(6-m);enddisp('接收端檢測(cè)到的為：,)disp(TNr)3.8位DTM或音多頻撥號(hào)信號(hào)的生成和檢測(cè)仿真程序%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)N=205;K=18,20,22,24,31,34,38,42;f1=697,770,852,941; %行頻率

18、向量f2=1209,1336,1477,1633; %列頻率向量TN=input('鍵入8位=');% 輸入8位數(shù)字TNr=0; %接收端初值為零for m=1:6;d=fix(TN/10A(8-m);TN=TN-d*10A(8-m);for p=1:4;for q=1:4;if tm(p,q)=abs(d);break,end %檢測(cè)與第 m位相符的列號(hào) qendif tm(p,q)=abs(d);break,end % 檢測(cè)與第m位相符的行號(hào)p endn=0:1023; % 為了發(fā)聲，加長(zhǎng)序列x=sin(2*pi*n*f1(p)/8000)+sin(2*pi*n*f2(q)

19、/8000); %構(gòu)成雙頻信號(hào)sound(x,8000); % 發(fā)出聲音 pause(0.1)X=goertzel(x(1:205),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(4,2,1);stem(K,val,'.');grid;xlabel('k');ylabel('|X(k)|') %畫(huà)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(hào)endfo

20、r r=1:4;if val(r)>limit,break,end % 查找行號(hào) endTNr=TNr+tm(r,s-4)*10A(8-1); end disp('接收端檢測(cè)到的為：')%顯示接收到的字符 disp(TNr) 三、結(jié)果與驗(yàn)證1 運(yùn)行結(jié)果 鍵入 8 位：65789123 接收端接檢測(cè)的為：65789123 對(duì)時(shí)域離散DTMF言號(hào)進(jìn)行頻率檢測(cè)幅度譜圖如下：.學(xué)習(xí)幫手.100500102030405010050010f.1.2。304050_ 100X 50n八rI * _t102030405010050010".一 tii1t J _ *ii ei|

21、h|4!|ll|J-1-I -.|iB11l|f :20304050鍵入6位：789123接收端接檢測(cè)的為:789123對(duì)時(shí)域離散DTMF言號(hào)進(jìn)行頻率檢測(cè)幅度譜圖如下100500102030401020304050501 .鍵入6位指令面板Command Window鍵入6位電話(huà)號(hào)碼二2 .鍵入 6 位：123456- -ornrrtyid 出口蟲(chóng)叩犍入6位電話(huà)號(hào)碼二1234583.'120WQ竽 no40'-1iIr !- 14 i1411i； -141!111 11i «L1 L! i t 152030354。4550五心得體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，首先使我對(duì)于雙音多頻撥號(hào)系統(tǒng)有了更全面的認(rèn)識(shí)和理解。雙音多頻撥號(hào)系統(tǒng)是現(xiàn)在最常用的撥號(hào)系統(tǒng)數(shù)字0-9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941H4 高頻帶也有四個(gè)頻率：1209Hz,1336H