双音多频检测模块的设计说明

1、第 1 章绪论双音多频 DTMF(Dual Tone Multi-Frequency )信令，就是用两个频率 行频和列频来表示机键盘上的一个数字。 双音多频信号是音频中的拨号信号， 由 美国 AT&T贝尔公司实验室研制，并用于网络中。这种信号制式具有很高的拨号 速度，且容易自动监测识别，很快就代替了原有的用脉冲计数方式的拨号制式。 逐渐在全世界围使用在按键式机上， 这种双音多频信号制式不仅用在网络中， 还 可以用于传输十进制数据的其它通信系统中， 用于电子和银行系统中。 这些系统 中用户可以用发送 DTMF信号选择语音菜单进行操作。作为实现快速可靠传输的 一种技术， 它具有很强的抗干扰能力和较

2、高的传输速度， 因此，可广泛用于通信 系统中。但绝大部分是用作的音频拨号。 另外，它也可以在数据通信系统中广泛 地用来实现各种数据流和语音等信息的远程传输。 近年来 DTMF也应用在交互式 控制中，诸如语言菜单、语言、银行和 ATM 终端等。通过软件产生与检测 DTMF 信令，是一项较有价值的工程应用。 这是一种技术， 就是机上的一个按键按下去 时，机向交换机同时发送两个频率的信号， 告诉交换机按的是哪个按键， 以前采 用脉冲方式，速度慢，一共有 8个频率的音频信号，分为 2组，每组 4 个，两两 组合共可以代表 16 个按键，分别代表 0-9 、#、*等按键。第 2 章双音多频（ DTMF）

3、信号的设计2.1 设计目的及意义双音多频信号 （DTMF）是系统中机与交换机之间的一种用户信令， 通常用于 发送被叫。双音多频信号是贝尔实验室发明的， 其目的是为了自动完成长途呼叫。拨号有两种， 脉冲和音频，所谓音频也称双音多频 （DTMF）信号的拨号方式， 双音多频既是拨号时每按一个键， 有两个音频频率叠加成一个双音频信号， 十二 个按键由七个音频频率区分。 在使用双音多频信号之前， 系统中使用一连串的断 续脉冲来传送被叫， 称为脉冲拨号。 脉冲拨号需要电信局中的操作员手工完成长 途接续。双音多频的拨号键盘是 44的矩阵，每一行代表一个低频，每一列代 表一个高频。每按一个键就发送一个高频和低

4、频的正弦信号组合，比如 1 相当 于 697 和 1209赫兹（Hz） 。交换机可以解码这些频率组合并确定所对应的按键。 本次课设的目的就是通过学习和掌握现代交换原理的基础上， 设计一个双音多频 检测模块并对电路进行仿真， 综合应用所学知识， 进行一次比较全面的训练， 为 今后的学习和工作积累经验。此外，该题目还涵盖了通信原理 、电路分析、交换原理等主要课程 的知识点，学生通过该题目的设计过程， 可以初步掌握 DTMF编/ 解码技术原理和 相关电路设计、开发原理，得到系统的训练，提高解决实际问题的能力。2.2 双音多频（ DTM）F 信号的组成双音多频信号作为实现快速可靠传输的一种技术， 它具

5、有很强的抗干扰能力 和较高的传输速度，因此，广泛应用于通信系统中。近年来，双音多频信号也应 用在交互式控制中，如在语言控制、语言、银行和 ATM 终端等的应用。音频拨号当人们按下某一个按键时， 会产生一组特定的双音信号， 称为双音 多频信号， 交换机会对该信号进行处理， 根据两个单音频率来识别所按下的。 将 拨号盘上的数字 09 和两个标有“ * ”和“#”的特殊按钮进行频率分配，如图 所示。包括两个频率低频段包括的频率是 697Hz，770Hz，852Hz 和 941Hz，称为 行频。高频段含的频率 1209Hz，1336Hz， 1477Hz，1633Hz，称为列频，它们可 频率分配构成 1

6、6 种频率组合，每一种组合由一对正弦频率信号唯一确定。其中 第四列 1633Hz 对应的按键目前并没有使用，留待将来扩展使用。双频拨号的频率分配列行1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123A770Hz456B852Hz789C941Hz*0#D2.3DTMF信号的应用DTMF信 号即双音多频信号 , 最先用于程控交换系统来代替号盘脉冲信号。如图 1：主叫用户摘机按键拨号后，所对应的 DTMF信号通过线传到程控交换机中的DTMF接受电路，交换机中的微机识别被叫后，接通主被叫用户实现双方通话。DTMF信号还用于自动控制系统，如果把 DTMF的发送电路用于主控系统，接 受电路

7、用于被控系统， 就可以方便地组成有线或无线通信系统， 如图 2 所示，其 通道数视需要而定， 16 通道以每通道只需编一位即可，若需要更多通道，则可 象编号一样编为两位或两位以上的。2.4 仿真软件介绍PROTEL软件概述PROTEL是 PORTEL公司在 80 年代末推出的 EDA软件，在电子行业的 CAD软 件中，它当之无愧地排在众多 EDA软件的前面， 是电子设计者的首选软件， 它较 早就在国开始使用， 在国的普及率也最高， 有些高校的电子专业还专门开设了课 程来学习它， 几乎所有的电子公司都要用到它， 许多大公司在招聘电子设计人才 时在其条件栏上常会写着要求会使用 PROTE。L早期的

8、 PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在 DOS环境，对硬 件的要求很低，在无硬盘 286 机的 1M存下就能运行，但它的功能也较少，只有 电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的 PROTEL已发展到 PROTEL（99网络上可下载到它的测试板） ，是个庞大的 EDA软件， 完全安装有 200 多 M，它工作在 WINDOWS9环5境下，是个完整的板级全方位电子 设计系统， 它包含了电路原理图绘制、 模拟电路与数字电路混合信号仿真、 多层印制电路板设计 （包含印制电路板自动布线） 、可编程逻辑器件设计、 图表生成、 电子表格生成、支持宏操作等功能，并具

9、有 Client/Server （客户/ 服务器）体 系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCA，DPSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度 PCB的100布通率。在国 PROTEL 软件较易买到，有关 PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供 了基础。想更多地了解 PROTEL的软件功能或者下载 PROTEL9的9 试用版， 可以在 INTERNET上。MATLAB软件概述MATLAB是矩阵实验室（ Matrix Laboratory ）的简称，是美国 MathWorks公 司出品的商业数学软件， 用于算法开发、 数据可视化、 数据分析

10、以及数值计算的 高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB和 Simulink 两大部分。MATLAB是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式 程序设计的高科技计算环境。 它将数值分析、 矩阵计算、 科学数据可视化以及非 线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中， 为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全 面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran ）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和 Mathematica 、Maple 并

11、称为三大数学软件。它在数学类科技应用 软件中在数值计算方面首屈一指。 MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、 实现算法、创建用户界面、接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控 制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形 式十分相似，故用 MATLAB来解算问题要比用 C，FORTRA等N语言完成相同的事情 简捷得多，并且 MATLAB也吸收了像 Maple等软件的优点 ,使 MATLAB成为一个强 大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C，FORTRA，NC+ ，JAVA的支持。可

12、以直接调用 , 用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB函数库中方便自 己以后调用，此外许多的 MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直 接进行下载就可以用。2.5 电路设计中的核心器件MT8870MT8870 音调译码器( Tone Decoder)是 MITEL 公司所开发生产为一颗常用 复频译码 IC，这个电路可以接收 DTMF信 号，是一个完整的 DTMF接 收器。它接 收了 DTMF信 号后，部将信号分成高频带和低频带， 并将此信号送至数字译码器， 然后将讯号送至数字译码器以解出按键值， 接着将解出的按键值以二进制的方式 以四条线 (Q1、Q2、Q3、Q4)输出

13、到外部共享 Bus 上，其 MT8870 接脚说明如表 1 及部结构如图 2。值得一提的是，当 MT8870 解出一个按键值且输出到外部时， 其 STD 接脚会由低态升为高态，经一段时间后再降为低态，我们便可利用此特 点侦测到此脚有讯号时便马上将 Q1-Q4 接脚所产生的值读入 CPU，然后解出的按 键值。R7R8VCC100K0.1 信号输入100KY13.5 79545M5694GSVDDIN-OSC1St/GTEStOSC2Q4Q3Q2Q1OSC2StDTOEINHPWDNVSSIN+VRef31821778151MT8 87016 R913121114 100K IN5IN4IN3IN

14、210 174LS0 42 IN1C40.1 MT8870在 DTMF中的应用：MT8870组成收号电路，它的输入为来自模拟用户接口双音多频信号，输出 为 4 位二进制数据，供处理器从数据总线读入。 MT8870的功能模块图见图 2 。其收号过程如下：模拟信号从 IN- 脚引入后，经双音滤波器初步滤除带外干扰信 号，随后，此滤出信号在经高群滤波器和低群滤波器分别滤出其中的高频和低频 分量，这两种分量分别通过过零检测后送给数字检测计算电路； 该电路对音频信号进行进一步的优化，能排除外部噪声因偶然含有默写特定频率而被编码器编 码，或则影响编码器的编码，从而引起后续的收号错误。当高、低频组信号同时

15、被编码器测到时，ESt 脚将输出高电平作为有效检测 DTMF信号的标志，而当 DTMF 信号消失时， ESt 脚将输出低电平。为了防止外部噪声被 MT8870误编码，编码 器要求被编码的音频信号能维持一段时间，这段时间由外部的一个RC电路来决定。如前所述，当音频信号被检测到时。 ESt 输出高电平 l ，电容放电， VC上的 电压值上升 （ 假设信号在整个要求时间部存在 ） ，VC升到一个门限值 VTST时，该 音频信号被编码，变成了数字信号，该数字信号将被锁存起来，此时， GT 就为 高，使 VC点的电压由门限值升到 VDD，此后，只要 ESt 仍保持为高， GT就为高， 外部的 RC电路回

16、到初始状态，随后，经过一段锁存操作引起的延时后， StD 脚 输出高电平，表示信号锁存完毕。这时，外部期间若要从D1D4 上读这四位编码，应使 TOE为高，打开锁存器，这就完成了 DTMF的收号任务。MC74HC4511双列 16 脚封装， BCD-7段锁存或译码或驱动器，它将输入 BCD标准代码变 换成驱动七段数码管所需的码信号。它又称四线七段锁存译码器，其中四线 A-D为 BCD码输入端，高电平有效， A为低位输入端， D为高位输入端，七段 a-g 输出高电平以驱动共阴极数码管发光， LE 为锁存控制端，高电平时能够锁存输 入的 BCD码，LT 为灯侧试反相控制端， BI 为消隐反相控制端

17、。2.6 主要参数设置检测 DTMF信号的 DFT参数选择DFT 检测模拟 DTMF信号所含有的两个音频频率，是一个用 DFT对模拟信号 进行频谱分析的问题。 根据第三章用 DFT对模拟信号进行谱分析的理论， 确定三 个参数：（1）采样频率 Fs ，（2）DFT的变换点数 N，（3）需要对信号的观察时间 的长度 Tp 。这三个参数不能随意选取，要根据对信号频谱分析的要求进行确定。 这里对信号频谱分析也有三个要求：（ 1）频率分辨率，（2）谱分析的频谱围，（3）检测频率的准确性。确定 Fs8KHz，N205， Tp 40ms。第 3 章双音多频（ DTMF）信号的产生与检测DTMF信号系统是一个

18、典型的小型信号处理系统，它要用数字方法产生模拟 信号并进行传输， 其中还用到了 D/A 变换器；在接收端用 A/D变换器将其转换成 数字信号， 并进行数字信号处理与识别。 为了系统的检测速度并降低成本， 还开 发一种特殊的 DFT算法，称为戈泽尔 （Goertzel） 算法，这种算法既可以用硬件 （专用芯片)实现， 也可以用软件实现。 下面首先介绍双音多频信号的产生方法和检 测方法，戈泽尔算法。3.1 双音多频信号的产生DTMF双音频信号由两个二阶数字正弦振荡器产生，一个用来产生行音频信 号，另个一产生列音频信号。 DTMF编 解码器的音频信号产生部分是基于两个二 阶的数字正弦波振荡器，一个产

19、生行频，一个产生列频。振荡器的框图如下。假设时间连续的 DTMF信号用 x(t) sin(2 f1t) sin(2 f2t) 表示，式中 f1和f2 是 按照表 1 选择的两个频率， f1代表低频带中的一个频率， f2 代表高频带中的一 个频率。显然采用数字方法产生 DTMF信号，方便而且体积小。下面介绍采用数 字方法产生 DTMF信号。规定用 8KHz对 DTMF信号进行采样，采样后得到时域离 散信号为x(n) sin(2 f1n / 8000) sin(2 f2n/8000)形成上面序列的方法有两种， 即计算法和查表法。 用计算法求正弦波的序列 值容易，但实际中要占用一些计算时间， 影响运

20、行速度。 查表法是预先将正弦波 的各序列值计算出来， 寄存在存储器中， 运行时只要按顺序和一定的速度取出便 可。这种方法要占用一定的存储空间，但是速度快。因为采样频率是 8000Hz，因此要求每 125ms 输出一个样本，得到的序列再 送到 D/A 变换器和平滑滤波器，输出便是连续时间的 DTMF信号。 DTMF信号通过 线路送到交换机。产生 DTMF信号的流程图3.2 双音多频信号检测在接收端，要对收到的双音多频信号进行检测个正弦波的频率是多少， 以判 断所对应的十进制数字或者符号。 显然这里仍然要用数字方法进行检测， 因此要 将收到的时间连续 DTMF信号经过 A/D 变换，变成数字信号进

21、行检测。检测的方 法有两种，一种是用一组滤波器提取所关心的频率， 根据有输出信号的 2 个滤波 器判断相应的数字或符号。另一种是用 DFT（ FFT）对双音多频信号进行频谱分 析，由信号的幅度谱，判断信号的两个频率，最后确定相应的数字或符号。当检 测的音频数目较少时， 用滤波器组实现更合适。 FFT是 DFT的快速算法， 但当 DFT 的变换区间较小时， FFT快速算法的效果并不明显，而且还要占用很多存，因此 不如直接用 DFT合适。DTMF信 号检测流程图3.3MATLAB工具箱函数 goertzelGoerztel 函数的调用格式为：Xgk=goertzel(Xn,K)Xn是被变换的时域序

22、列，用于 DTMF信号检测时， Xn就是 DTMF信号的 205个采 样值。K是要求计算的 DFTXn的频点序号向量，用 N表示 Xn的长度，则要求 1KN。 由表 2 可知，如果只计算 DTMF信号 8 个基频时，K=18，20，22，24，31，34，38，42， 如果同时计算 8 个基频及其二次谐波时，K=18，20，22，24，31，34，35，38，39，42，43，47，61，67，74，82。Xgk 是变换结果向量，其中存放的是由 K 指定的频率点的 DFTx(n) 的值。设 X(k)=DFTx(n) ，则 Xgk(i) X(K(i), i 1,2,L ,length(K)第 4

23、 章双音多频（ DTMF）信号的仿真DTMF信号的产生与识别仿真实验在 MATLAB环境下进行，编写仿真程序，运 行程序，送入 8 位，程序自动产生每一位数字相应的 DTMF信号，并送出双频声 音，再用 DFT进行谱分析，显示每一位数字的 DTMF信号的 DFT幅度谱，安照幅 度谱的最大值确定对应的频率，再安照频率确定每一位对应的数字，最后输出 8 位。4.1 硬件连接图上图是利用 Protel 仿真软件实现的双音多频信号检测硬件图硬件连接图显示部分行频率向量列频率向量 输入 8 位数字接收端初值为零DTMF信号代表的 16 个数检测码相符的列号 q4.2 仿真程序运行结果1、程序分四段：第一

24、段（ 27行）设置参数，并读入 8位；第二段（ 920行） 根据键入的 8 位产生时域离散 DTMF信号，并连续发出 8 位对应的双音频声音； 第三段（ 2225行）对时域离散 DTMF信号进行频率检测，画出幅度谱；第四段 （2633 行）根据幅度谱的两个峰值，分别查找并确定输入 8 位。 程序清单如下：% DTMF双频拨号信号的生成和检测程序 %clear all;clc;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,

25、1477,1633; % TN=input( 键入 8 位= );%TNr=0; % 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 %end if tm(p,q)=abs(d); break,end % 检测码相符的行号 pendn=0:1023; % 为了发声，加长序列x = sin(2*pi*n*f1(p)/8000) + sin(2*pi*n*f2(q)/8000);%构成双频信号sound(x,8000); % 发出声音pause(0.1)% 接收检

26、测端的程序X=goertzel(x(1:205),K+1); %DFT样本val = abs(X);%subplot(4,2,l);stem(K,val,.);grid;xlabel(k);ylabel(|X(k)|) %度axis(10 50 0 120) limit = 80; % for s=5:8;if val(s) limit, break, end % end for r=1:4;if val(r) limit, break, end % end TNr=TNr+tm(r,s-4)*10(8-l);end用 Goertzel 算法计算八点列出八点 DFT向量画出 DFT（k） 幅查

27、找列号查找行号% 显示接收到的字符disp( 接收端检测到的为： ) disp(TNr) 2、运行结果：（1）、运行程序，根据提示键入 8位 12341234，然后回车。（2）、回车后可以听见 8 位对应的 DTMF信号的声音，并输出相应的 8 幅频谱图 如下图所示。（3）、左上角的第一个图在 k=18和 k=31两点出现峰值，所以对应第一位数字 1 最后显示检测到的 12341234。 .第 5 章总结通过此次实验，我们对 DTMF的基础知识有了个比较深刻的了解， 掌握了 DTMF 的信号产生及信号检验的原理及方法， 加深了对双音多频信号的产生与检测的理 解，提高了利用交换原理知识处理系统问题的能力。 并联系以往学习的知识， 利 用 PROTEL仿真软件， 使自己掌握了更多有用的知识。 利用 PROTEL仿真软件实现 了对双音多频信号的产生与检测的仿真分析， 可以得到理想的实验要求， 并且更 加深刻学生对双音多频信号的产生与检测的认识， 通过本次试验， 明显感受到利 用 PROTEL仿真软件是非常方便的，而且经济，这种仿真软件一定会在以后的课 程设计中得到更广泛的应用。通过对双音多频信号的产生与检测仿真实验， PROTEL仿真软件的实验结果非 常接近理论值， 而且比实际操作安全， 方便。 并且把理论与实践有效地结合在一 起，有利于学生对交换原理 - 课程的学习。通过这