通信課程設(shè)計(jì)——雙音多頻信號(hào)檢測(cè)

1、<p>　　通信技術(shù)方向課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題目： 雙音多頻信號(hào)檢測(cè)</p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)工程 學(xué)院 電子信息工程 專業(yè)</p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>&

2、lt;b>　　二〇一〇年六月</b></p><p><b>　　一、原理介紹</b></p><p>　　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(guó)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

3、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。</p><p>　　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

4、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)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)。</p><p><b>　　二、內(nèi)容及結(jié)論</b></p><p>　　1、雙音多頻（DTMF）信號(hào)的組成</p><p>　　在電話中，數(shù)字0~

5、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。</

6、p><p>　　表1 雙頻撥號(hào)的頻率分配</p><p>　　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。</p><p>　　2、電話中的雙音多頻（DTMF）信號(hào)的產(chǎn)生與檢測(cè)</p><p>　　（1）雙音多頻信號(hào)的產(chǎn)生</p>&

7、lt;p>　　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</p><p>　　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

8、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。</p><p>　　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)。</p><p>　?。?）基于Goertzel算法的雙

9、音多頻信號(hào)檢測(cè)</p><p>　　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

10、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)，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。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數(shù)Goertzel，計(jì)算N點(diǎn)DFT的幾個(gè)感

11、興趣的頻點(diǎn)的值。</p><p>　　3、MATLAB工具箱函數(shù)goertzel</p><p>　　Goerztel函數(shù)的調(diào)用格式為：</p><p>　　Xgk=goertzel(xn,K)</p><p>　　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。</p><p>

12、　　K是要求計(jì)算的DFT[xn]的頻點(diǎn)序號(hào)向量，用N表示xn的長(zhǎng)度，則要求1≤K≤N。由表2可知，如果只計(jì)算DTMF信號(hào)8個(gè)基頻時(shí)，</p><p>　　K=[18，20，22，24，31，34，38，42]，</p><p>　　如果同時(shí)計(jì)算8個(gè)基頻及其二次諧波時(shí)，</p><p>　　K=[18，20，22，24，31，34，35，38，39，42，43，47，

13、61，67，74，82]。</p><p>　　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DFT[x(n)]的值。設(shè)X(k)= DFT[x(n)]，則。</p><p>　　4、檢測(cè)DTMF信號(hào)的DFT參數(shù)選擇</p><p>　　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

14、譜分析的理論，確定三個(gè)參數(shù)：（1）采樣頻率，（2）DFT的變換點(diǎn)數(shù)N，（3）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： （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。</p><p>　?。?）、頻譜分析的分辨率。</p><p>　　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，

15、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。DFT的分辨率和對(duì)信號(hào)的觀察時(shí)間有關(guān)， ?？紤]到可靠性，留有富裕量，要求按鍵的時(shí)間大于40ms。</p><p>　　（2）、頻譜分析的頻率范圍</p><p>　　要檢測(cè)的信號(hào)頻率范圍是697～1633Hz，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

16、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697～3266Hz。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。</p><p>　　（3）、檢測(cè)頻率的準(zhǔn)確性</p><p>　　這是一個(gè)用

17、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。</p><p>　　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=

18、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，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N＝205是最好的。按照＝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)的頻率誤差見表2。</p><p><

19、b>　　表2 </b></p><p>　　通過以上分析，確定＝8KHz，N＝205，。</p><p>　　三、仿真程序運(yùn)行結(jié)果</p><p>　　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)

20、碼數(shù)字的DTMF信號(hào)的DFT幅度譜，安照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。</p><p>　　1、程序分四段：第一段（2—7行）設(shè)置參數(shù)，并讀入8位電話號(hào)碼；第二段（9—20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（22—25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（26—33行）根據(jù)幅

21、度譜的兩個(gè)峰值，分別查找并確定輸入8位電話號(hào)碼。</p><p><b>　　程序清單如下：</b></p><p>　　% DTMF雙頻撥號(hào)信號(hào)的生成和檢測(cè)程序</p><p>　　%clear all;clc;</p><p>　　tm=[1,2,3,65;4,5,6,66;7,8,9,67;42,0,35,68];

22、 % DTMF信號(hào)代表的16個(gè)數(shù)</p><p>　　N=205;K=[18,20,22,24,31,34,38,42];</p><p>　　f1=[697,770,852,941]; % 行頻率向量</p><p>　　f2=[1209,1336,1477,1633]; % 列頻率向量</

23、p><p>　　TN=input('鍵入8位電話號(hào)碼= '); % 輸入8位數(shù)字</p><p>　　TNr=0; %接收端電話號(hào)碼初值為零</p><p>　　for l=1:8;</p><p>　　d=fix(TN/10^(8-l));<

24、;/p><p>　　TN=TN-d*10^(8-l);</p><p>　　for p=1:4;</p><p>　　for q=1:4;</p><p>　　if tm(p,q)==abs(d); break,end % 檢測(cè)碼相符的列號(hào)q</p><p><b>　　end</b>&l

25、t;/p><p>　　if tm(p,q)==abs(d); break,end % 檢測(cè)碼相符的行號(hào)p</p><p><b>　　end</b></p><p>　　n=0:1023; % 為了發(fā)聲，加長(zhǎng)序列</p><p>　　x = sin(2*p

26、i*n*f1(p)/8000) + sin(2*pi*n*f2(q)/8000);% 構(gòu)成雙頻信號(hào)</p><p>　　sound(x,8000); % 發(fā)出聲音</p><p>　　pause(0.1)</p><p>　　% 接收檢測(cè)端的程序</p><p>　　X=goertz

27、el(x(1:205),K+1); % 用Goertzel算法計(jì)算八點(diǎn)DFT樣本</p><p>　　val = abs(X); % 列出八點(diǎn)DFT向量</p><p>　　subplot(4,2,l);</p><p>　　stem(K,val,'.');grid;xla

28、bel('k');ylabel('|X(k)|') % 畫出DFT(k)幅度</p><p>　　axis([10 50 0 120])</p><p>　　limit = 80; %</p><p>　　for s=5:8;</p><p>　　if val(s) > l

29、imit, break, end % 查找列號(hào)</p><p><b>　　end</b></p><p>　　for r=1:4;</p><p>　　if val(r) > limit, break, end % 查找行號(hào)</p><p><b>　　end</b>

30、</p><p>　　TNr=TNr+tm(r,s-4)*10^(8-l);</p><p><b>　　end</b></p><p>　　disp('接收端檢測(cè)到的號(hào)碼為：') % 顯示接收到的字符</p><p><b>　　disp(TNr)</b></

31、p><p><b>　　2、運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p>　　（1）、運(yùn)行程序，根據(jù)提示鍵入8位電話號(hào)碼12345678，然后回車。</p><p>　?。?）、回車后可以聽見8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8幅頻譜圖如下圖所示。</p><p>　　（3）、左上角的第一個(gè)圖在k=18和k=31兩點(diǎn)出

32、現(xiàn)峰值，所以對(duì)應(yīng)第一位號(hào)碼數(shù)字1。最后顯示檢測(cè)到的電話號(hào)碼12345678。</p><p><b>　　四、總結(jié)</b></p><p>　　這學(xué)期我們學(xué)習(xí)了通信原理課程這門課程并開設(shè)了實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在短學(xué)期中進(jìn)行了為期一周的課程設(shè)計(jì)，目的是讓我們更深刻的理解通信原理這門課，并且把所學(xué)的理論與實(shí)踐相聯(lián)系。這次的課程設(shè)計(jì)共有個(gè)八題目，我完成的是第六個(gè)——雙音多頻信號(hào)檢測(cè)。

33、</p><p>　　我拿到題目后，上網(wǎng)查閱老師給的參考資料，將英文翻譯成中文，了解了雙音多頻信號(hào)檢測(cè)的原理。參考資料所給內(nèi)容比較簡(jiǎn)單且Matlab的程序有缺省和錯(cuò)誤，所以我又學(xué)習(xí)通信原理中相關(guān)知識(shí)并查閱一些資料，學(xué)習(xí)Matlab的使用方法，最終寫出程序，進(jìn)行了調(diào)試、仿真，并完成報(bào)告。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了很多東西。熟悉了仿真軟件Matlab的使用方法，學(xué)會(huì)了Matl