数字信号处理在双音多频拨号系统中的应用

1、.专业整理.学习帮手.数字信号处理DSP课程设计数字信号处理在双音多频拨号系统中的应用班级：2011级通信工程班 :王羽翔学号：22111140105数字信号处理在双音多频拨号系统中的应用摘要数字信号处理在所有的有关工程技术方面的领域都会涉及到。- 般来说，数字信号处理的对象是数字信号， 但是，如果系统中增加数/模转换器和模/数转换器，那么数字信号处理系统也可以处理模拟信 号。本课程设计介绍了基于MATLAB勺对于中的双音多频(DTMF信号的产生、检测、DTMF言号的DFT参数选择与识别仿真实验。DTME言号系统是一个典型的小型信号处理系统，它用数学方法 产生模拟信号并进行传输，其中还用到了D

2、/A变换器；在接收端用A/D变换器将其转换成数字信号，并进行数字信号的处理与识别。关键词：MATLABC具数字信号处理 DTME信号系统 1.课程设计的目的1) .掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法;2) .掌握中的双音多频(DTMFJ言号的产生与检测；3) .学会MATLAB勺使用，掌握MATLAB勺程序设计方法;4) .学会用MATLA的信号进行分析和处理。5) .初步了解数字信号处理在是集中的使用方法和重要性。6) 课程设计容1) .在MATLA断境下，实现仿真程序，送入6位，程序自动产生 与每一位数字相应的DTMF言号，并送出双频声音；2) .用DFT进行频谱分析，显示每一

3、位数字的 DTMF言号的DFT 幅度谱，按照幅度的最大值确定对应的频率；3) .按照频率确定每一位对应的数字，输出 6位。4) .设置参数，并读入8位。设置每位所对应的高频分量和低频 分量。5) .根据键入的8位产生相应的时域离散DTMF言号，添加程序.专业整理.连续发出8位对应的双频声音。3.课程设计方法综述1 .中的DTMFt号的组成在中 数字0-9的中每一个都用两个不同的单音频传输所用的8个频率分成高频带和低频带两组，低频带有四个频率:679Hz,770Hz,852Hz 和 941Hz ; 高频带也有四个频率1209Hz,1336Hz,1477Hz和1633Hz.。每一个数字均由高、低频

4、带中各一个频率构成，例如1用697Hz和1209Hz两个频率，信号用sin(2行 列1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123A770Hz456B852Hz789C941Hz*0#D冗其这同号1f 1t)+sin(2 f 2t)表示， 中 f697Hz,f 2=1209Hz样8个频率形成16种不 的双频信号。具体以及符 对应的频率如表所不。表 中最后一列在中暂时未 用。DTMF信号在中有两种作用一个是用拨号信号去控制交换机接通被叫的用户机另一个作用是控制机的各种动作如播放留言、语音信箱等。2 .中的双音多频(DTMF/言号的产生与检测(1)双音多频信号的产生假设时间连续的

5、DTMF信号用 X(t)=sin(2 % f 1)+sin(2兀f2)表示，式中f1和f2是按照表1选择的两个频 率,f 1代表低频带中的一个频率,f 2代表高频带中的一个频率。显然采 .学习帮手.用数字方法产生DTMF言号方便而且体积小。下面介绍采用数字方法 产生DTMF言号。规定用8KHz对DTMFt号进行采样 采样后得到时 域离散信号为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

6、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言号。DTMF言号通过线路送到交换机。(2)双音多频信号的检测在接收端，要对收到的双音多频信号进行检测，检测两个正弦波 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 DF

7、T (FFD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。3 .检测DTMF言号的DFT参数选择 .学习帮手.用DFT检测卞K拟DTMFt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

8、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。(1)频谱分析的分辨率观察要检测的8个频率，相邻间隔最小的是第一和第二个频率， 间隔是73Hz,要求DFT最少能够分辨相隔73Hz的两个频率，即要求 Fmin=73Hz。DFT的分辨率和对信号的观察时间Tp有关 Tpmin=1/F=1/73=13.7ms。考虑到可靠性，留有富裕量，要求按键的 时间大于40ms)(2)频谱分析的频率围要检测的信号频率围是697T633Hz但考虑到存在语音干扰， 除了检测这8个频率外，还要检测它们的二次倍频的幅度大小，波形

9、正常且干扰小的正弦波的二次倍频是很小的。如果发现二次谐波很 大，则不能确定这是DTMF信号。这样频谱分析的频率围为 6973266H乙按照采样定理，最高频率不能超过折叠频率，即 0.5Fs 二3622H4由此要求最小的采样频率应为 7.24KHz。因为数字总系统 已经规定Fs=8KHz,因此对频谱分析围的要求是一定满足的。按照 Tpmin=13.7ms, Fs=8KHz,算出对信号最少的采样点数为 Nmin=Tpmin- FsIIO。 .学习帮手.专业整理.(3)检测频率的准确性这是一个用DFT检测正弦波频率是否准确的问题。序列的N点DFT是对序列频谱函数在02兀区间的N点等间隔采样，如果是一

10、 个周期序列，截取周期序列的整数倍周期，进行 DFT；其采样点刚好 在周期信号的频率上DFT的幅度最大处就是信号的准确频率。分析这些DTMFt号，不可能经过采样得到周期序列，因此存在检测频率的准确性问题。DFT的频率采样点频率为3 k=2冗 k/N(k=0,1,2,.N-1)相应的模拟域采样点频率为Fk=Fsk/Nk=(0,1,2,-,N-1),希望选择一个合适的 N使用该公式算出的fk 能接近要检测的频率，或者用8个频率中的任一个频率fk代入公式 fk'=Fsk/N中时，得到的k值最接近整数值。这样虽然用幅度最大点 检测的频率有误差，但可以准确判断所对应的DTM颜率，即可以准确判断所

11、对应的数字或符号。经过分析研究认为N=205是最好的。按 照Fs=8KHz N=205算出8个频率及其二次谐波对应 k值，和k取 整数时的频率。误差见表2。8个基频/Hz最近的整数k值DFT的 k值绝对误差二次谐波/Hz对应的k值最近的整数k值绝对误差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.通过以上分析 确定Fs=8KHz N=2054. DTMF言号的产生与识别仿真实验下面先介绍MATLA具箱函数goertzel然后介绍DTMF言号.学习帮手.的产生与识别仿真实验程序。Goerztel函数的调用格式为:Xgk=goertzel(xn,K)xn是被变换的时域序列，用于 DTMF言号检测时，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11KW Nlo由表2可知

13、，如果只计算 DTMF信号8个基频时，K=182022248个基频及其二次谐波时，383942 43313438K=18 20 2247616742, 如果同时计算243134357482。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尸X (K(i) ,i=1,2,.,length(K)。DTMF言号的产生与识别仿真实验在MATLA弥境下进行，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言号，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。按照幅度谱的最大值确

14、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。3.课程设计的步骤.专业整理.开始编写主要程序用Matlab实现输入6/8位电话检测与m位号码相符的低频带检测与m位号码相符的高频带构成双音频信号X(n尸sin(2 兀 f1n/8000)+sin(2 兀 f2n/8000)用Goertzel算法计算6/8点DFT样本画由6/8点DFT样本幅检测6/8点DFT模值查找8点样本所对应的低频带与高频带结束1) .初步完成总体设计，搭好框架，确定人机对话的界面、确定 输入输出函数的接口。2) .编写主要程序，包括戈泽尔算法和 N点DFT3) .编写实现输入输出功能的程序。4) .编写波形输

15、出程序。5) .用matlab的相应函数进行检验。2.6位DTM双音多频拨号信号的生成和检测仿真程序：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('键入 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('接收端检测到的为：,)disp(TNr)3.8位DTM或音多频拨号信号的生成和检测仿真程序%clear all;clc;tm=1,2,3,65;4,5,6,66;7,8,9,67;42,0,35,68; %DTMF信号代表的 16 个N=205;K=18,20,22,24,31,34,38,42;f1=697,770,852,941; %行频率

18、向量f2=1209,1336,1477,1633; %列频率向量TN=input('键入8位=');% 输入8位数字TNr=0; %接收端初值为零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 %检测与第 m位相符的列号 qendif tm(p,q)=abs(d);break,end % 检测与第m位相符的行号p endn=0:1023; % 为了发声，加长序列x=sin(2*pi*n*f1(p)/8000)+sin(2*pi*n*f2(q)

19、/8000); %构成双频信号sound(x,8000); % 发出声音 pause(0.1)X=goertzel(x(1:205),K+1); % 用 Goertzel 算法计算八点 DFT样本 val=abs(X); % 列出八点DFT向量 subplot(4,2,1);stem(K,val,'.');grid;xlabel('k');ylabel('|X(k)|') %画出 DFT(k)幅度axis(10 50 0 120) limit=80;for s=5:8;if val(s)>limit,break,end %查找列号endfo

20、r r=1:4;if val(r)>limit,break,end % 查找行号 endTNr=TNr+tm(r,s-4)*10A(8-1); end disp('接收端检测到的为：')%显示接收到的字符 disp(TNr) 三、结果与验证1 运行结果 键入 8 位：65789123 接收端接检测的为：65789123 对时域离散DTMF言号进行频率检测幅度谱图如下：.学习帮手.100500102030405010050010f.1.2。304050_ 100X 50n八rI * _t102030405010050010".一 tii1t J _ *ii ei|

21、h|4!|ll|J-1-I -.|iB11l|f :20304050键入6位：789123接收端接检测的为:789123对时域离散DTMF言号进行频率检测幅度谱图如下100500102030401020304050501 .键入6位指令面板Command Window键入6位电话号码二2 .键入 6 位：123456- -ornrrtyid 出口虫叩犍入6位电话号码二1234583.'120WQ竽 no40'-1iIr !- 14 i1411i； -141!111 11i «L1 L! i t 152030354。4550五心得体会通过本次课程设计，首先使我对于双音多频拨号系统有了更全面的认识和理解。双音多频拨号系统是现在最常用的拨号系统数字0-9的中每一个都用两个不同的单音频传输， 所用的8个频率分成高 频带和低频带两组。低频带有四个频率：679Hz,770Hz,852Hz和941H4 高频带也有四个频率：1209Hz,1336H