DTMF产生传输及检测软件仿真课程设计

页眉内容页眉内容燕山大学课程设计指导书DTMF通信系统设计与仿真通信电子教研室1、任务、性质与意义本次课程设计的任务是综合运用通信原理、数字信号处理等课程所学学问，实现一个双音多频(DTMF)信号传输过程的软件仿真。次课程设计可以从理论上加深对有关通信、数字信号处理原理的综合理解，了解DTMF信号原理和用数字信号处理的方法实现DTMF信号的产生、传输与检测的过程。还可以从实践力气上把握一门的计算机编程工具——MATLAB语言。2、根本原理双音多频(DTMF)信号信号就是用两个不同频率的音频信号的组合来传输信息的一种通信信号形式，可以用数学式表示为s(t)A(cos2fH

tcos2f

t)〔1〕L2、频率间隔近似为乐音音阶的频率间隔〔按十二平均律，相邻各个音1.059463C3130.8Hz，C4=261.7Hz，D4293.7〕。这种信号1所示。DTMF最早应用是在通信系统中作为把握信令使用的。在通信系统中，最早的把握1DTMF拨号频率标准页眉内容页眉内容2中给出了数字’3’的电流脉冲序0.5S到数秒之间变化不等。由此可见，利用拨号脉冲拨号，发送一个10位长的号码7秒的时间。2脉冲拨号示意图当承受DTMF拨号方式时，号码的每一个数字用一对音频表示，话机中有8个单音频，分为两组，通过拨号盘选拨号码时，各位数字由触键开关输入，其对应的某个频率对〔高频和低频〕DTMF1045ms55ms，100ms里其ITU国际电信联盟DTMF1.53.5%。明显。DTMF10倍，明显缩短了拨号时间。而且DTMF拨号方式发出的信号抗干扰力气大大高于脉冲拨号方式。因此，目前普遍使用DTMF拨号方式。承受DTMF信号，用话音频率发送数字，可以避开占用额外的信道，又比脉冲拨号方式节约广泛使用了DTMF信号来传送按键操作信息。利用这种按键信息，人们可以直接通过查询所需间的接续；二次乃至屡次拨号的识别以及操作由用户系统自己完成。DTMF信号还可以用来在话音息。目前DTMF信号已经不仅仅限于在系统中应用，在测量、把握、遥测遥控等各个领域都有应用。DTMF信号的硬件产生与检测DTMF信号。已经有多种专用的产生和检测DTMF信号的集成电路DTMFMT8860,MT8862,MT8870,MT8872等。3所示，它主要包括：(1)晶体振荡器——外接晶体(通常承受3.58MHz)与片内电路构成振荡器、经分频产生参考信号。(2)键控可变速率时钟产生电路——它是一种可变分频比的分频器，通常由n级移位存放器与键控反响规律单元组成。(3)正弦波产生电路55位移位代码，再由可编程规律阵列(PLA)D—A变换器转换成台码(4)混合电路——将键盘所对应产生的行列正弦波信号(即低高群ff 单音)相加，L H3DTMF信号发送器电路原理)、双键向按无输出等把握电路。DTMF接收器主要包括DTMF分组滤波器和DTMF译码器，其根本原理如图4所示。DTMFfL/fHDTMF的两路16DTMF4比特二4DTMF信号的电路原理双音多频信号软件产生与检测ATM终端等。将DTMF信令的产生与检测集成到任一含有数字信号处理器(DSP)程应用。DTMF，DSP有三种方法：〔1〕用软件模拟DSP音频。〔2〕通过产生的某频率的方波后再附加滤波器滤出二次以上的谐波，产生DTMF信号。〔3〕查表输出产生DTMF信号。用峰值点的频率推断发送的数字。这种方法的缺点是计算量大，不利于实时处理。但是假设使用MATLAB软件仿真则可以用很简洁的几条语句实现。对于DTMF信号的波形，波形过零点数量打算了低频信号的频率，而极值点数量打算了高频信号的频率。因此通过软件分别计算出高频频率和低频频率，从而实现DTMF的解码。8K40msDTMF采样16020ms20ms40ms6次求和取平均，去掉噪声成分，然后分别计算过零点的数目ab，对应频率可以计算为：单片机硬件实现，但是其抗噪声性能较差。计算接收到的DTMF信号在8个既定频率的能量，进而确定是否有DTMF信号到达以及收Geortzel算法可进一步提高IIR滤波器，对应每一个频点有一个匹配滤波器，在抽样时刻检测。这种方法理论上属于最正确接收方法，而且算法有利于用DSP实现。在本次课程设计中要求使用这种方法。DTMF数字正弦波振荡器原理数字正弦波振荡器的功能是利用数字信号处理的方法产生正弦波信号cos(t)的抽样序列cos(nT)。根本原理是：设数字正弦波振荡器要产生的波形为y(n)cos(nT)u(nT)1(ejnT2

ejnT)u(nT)〔1〕Z变换为z2Y(z)Y(z)可以写出该线性系统的差分方程：式中 T2f/f为数字角频率。0 s s则可以得到下面的递推方程n<0时，y(n)=0n=0时，y(0)=00 0 0当n=2时，y(2)2cos( 0当n>2时，y(n)2cos( )y(n1)y(n2)(2)0实现时，首先将每个频率常数存在一个表中，用来初始化给定键的振荡器；再依据(2)进展迭以检测到按键的释放。数字匹配滤波器原理〔Geortzel算法〕DTMF8个既定频率的能量，进而确定是否有DTMF信号到达以及收到的是哪一对信号，此外通过计算接收信号的总能量来防止误判。为满足检测8个DTMF频点〔偏256FFT88DFTX(k)N1x(n)ej2kn/N,kk1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8n0DFTFFDTMFGoertzel算法要比FFTFFTDTMF8个行频/列频及其二次谐波信息即可〔二次谐波的信息用于将DTMF信号与声音信号区分开〕。此时Goertzel算法能更加快速地在输入信号中提取频谱信息。Goertzel算法实质是IIR5。5Geortzel算法信号流图对应每一个频点有一个匹配滤波器，第k个频率匹配滤波器的传递函数为H (z)k1

112z1cosk

其中z2

，Hk2

(z)1Wkz1，N2

fk2

kf

k，Wk

ej2k

cos

jsinNk f Nf N N k kNs对应的前、后向差分方程为：n=N时刻，即最终的输出时刻计算。时刻四周计算一段时间内的输出。前向差分方程也可以改写为便于计算的递归形式：并令初始值为v(n)0, 。在n=N时刻既可以得到所需要的X(k)。k8/计算出其幅度平方即可。因此计算|X(k)|2如下：这里v(Nv(N1NN-1时刻的值。k k需要在输入的数据信号流中连续地搜寻DTMF信号频谱的存在。整个检测过程分两步：首先承受Goertzel算法在输入信号中提取频谱信息；接着作检测结果的有效性检查。仿真系统框图键控输入键控输入DTMF产生高斯噪声信道DTMF测推断输出软件流程图〔1〕 输入键号〔2〕 DTMF信号〔时域、频域显示〕〔3〕 产生高斯噪声〔时域、频域显示〕信道传输〔高斯白噪声信道，可选作带限滤波器信道〕接收端随机延迟〔30个点以内〕匹配滤波接收DTMF信号到达检测DTMF信号识别〔时域、频域显示〕DTMF键号识别工作内容与思考题工作内容1、设计计算正弦波数字振荡器、数字匹配滤波器的参数；2、用MATLAB语言设计一个利用DTMF信号传输学号代码的仿真系统。观看以下信号的波形：学号代码的非归零基带信号、DTMF信号、信道参与噪声、接收信号、匹配滤波器输出、译码判决结果；3、利用仿真的系统进展抗干扰性能等方面的试验分析，试验分析的具体内容详见思考题。思考题分析DTMF信号的频谱，为什么DTMF信号能够在信道传输，要求的带宽为多少？设信噪比分别为20dB，10dB，0dB，-6dB，-10dB，-20dB，分析在抱负〔信道无失真〕状况下，仿真计算误码率与信噪比的关系，并与理论分析结果比较。仿真分析匹配滤波器中心频率误差对DTMF信号检测有什么影响？[4]DTMF信号的时间长度对信号的检测有什么影响？[5]假设在匹配滤波器前插入FIR600--1800HzFIR带通滤波器，并分析插入带通滤波器对检测性能有什么影响？4设计要求1、自学复习通信原理、数字信号处理的有关内容，把握算法原理；2MATLAB语言的使用；3、完整实现仿真系统，发送自己的学号，接收自己的学号；4、记录观看到的各种波形；5、撰写课程设计报告。报告统一使用B5纸，统一报告封面，报告篇幅以3000字为宜。报告中要有设计目的；设计根本内容及步骤；每一步中应用的原理方法；试验仿真结果及相关波形；对试验结果进展的性能分析。报告正文用手写，图、程序可以打印作为附件。编程工具MATLAB简介〔亦可以承受C语言、C++、VC、VB等编程语言实现〕根本运算与函数例如：>>(5*2+1.3-0.8)*10/25ans=4.2023MATLABans，MATLAB〔Answer〕，并显示其数值MATLAB〕我们也可将上述运x：x=(5*2+1.3-0.8)*10^2/25x=42此时MATLAB会直接显示xMATLAB号〔；〕即可。由上例可知，MATLAB〔+〕、减〔-〕、乘〔*〕、除〔/〕的数学运算符C变量也可用来存放向量或矩阵，并进展各种运算，如下例的行向量〔Rowvector〕运算：x=[1352];y=2*x+1y=37115把握命令forfor运算式；endforend外状况，运算式执行的次数会等于矩阵的行数。举例来说，以下命令会产生一个长度为6的调和数列：x=zeros(1,6);%x16的零矩阵fori=1:6,x(i)=1/i;endwhile根本形式为：while运算式；end也就是说，只要条件示成立，运算式就会一再被执行。例如从前产生调和数列的例子，我们可用圈改写如下：x=zeros(1,6);%x16的零矩阵i=1;whilei<=6,x(i)=1/i;i=i+1;end条件语句if,...,endif运算式；end例：ifrand(1,1)>0.5,disp(”Givenrandomnumberisgreaterthan0.5.”);endMATLABmMATLABm来说，m〔Scripts〕及函数〔Functions〕。命令集中设定的变量，也都在工作空间中看得到。C数的完毕而消逝。MATLABabs(x)：标量确实定值或向量的长度sqrt(x)：开平方real(z)：zimag(z)：zconj(z)：z四舍五入至最近整数fix(x)：无论正负，舍去小数至最近整数rem(x,y)：xygcd(x,y)：xyexp(x)：自然指数pow2(x)：2log2(x)：2log10(x)：10sin(x)：正弦函数cos(x)：余弦函数tan(x)：正切函数反正弦函数反馀弦函数反正切函数〔Sorting〕length(x):xsum(x):xdot(x,y):xycross(x,y):xyMATLAB令。xy下例可画出一条正弦曲线：closeall;x=linspace(0,2*pi,100);%100个点的x座标y=sin(x);%对应的y座标plot(x,y);MATLABplot:xy〔Linearscale〕〔Logarithmicscale〕semilogx:x，ysemilogy:x，y假设要画出多条曲线，只需将座标对依次放入plot函数即可：plot(x,sin(x),x,cos(x));假设要转变颜色，在座标对後面加上相关字串即可：plot(x,sin(x),”c”,x,cos(x),”g”);假设要同时转变颜色及图线型态〔Linestyle〕，也是在座标对後面加上相关字串即可：plot(x,sin(x),”co”,x,cos(x),”g*”);plot字符颜色字符图线型态y黄色.点k黑色o圆w白色xxb蓝色++g绿色**r红色-实线c亮青色:点线m锰紫色-.点虚线subplotsubplot(2,2,1);plot(x,sin(x));subplot(2,2,2);plot(x,cos(x));MATLABMATLABMATLABMATLAB这里仅简洁介绍命令行帮助。在MATLAB〔command〕窗口中键入helpXXX，MATLAB应命令的功能、语法解释。helpplotMATLABPLOTLinearplot.PLOT(X,Y)plotsvectorYversusvectorX.IfXorYisamatrix,thenthevectorisplottedversustherowsorcolumnsofthematrix,whicheverlineup.IfXisascalarandYisavector,length(Y)disconnectedpointsareplotted.PLOT(Y)plotsthecolumnsofYversustheirindex.IfYiscomplex,PLOT(Y)isequivalenttoPLOT(real(Y),imag(Y)).InallotherusesofPLOT,theimaginarypartisignored.Variouslinetypes,plotsymbolsandcolorsmaybeobtainedwithPLOT(X,Y,S)whereSisacharacterstringmadefromoneelementfromanyorallthefollowing3columns:bblue.point-solidggreenocircle:dottedrredxx-mark-.dashdotccyan+plus--dashedmmagenta*staryyellowssquarekblackddiamondvtriangle(down)^triangle(up)<triangle(left)>triangle(right)ppentagramhhexagramForexample,PLOT(X,Y,”c+:”)plotsacyandottedlinewithaplusateachdatapoint;PLOT(X,Y,”bd”)plotsbluediamondateachdatapointbutdoesnotdrawanyline.PLOT(X1,Y1,S1,X2,Y2,S2,X3,Y3,S3,...)combinestheplotsdefinedbythe(X,Y,S)triples,wheretheX”sandY”sarevectorsormatricesandtheS”sarestrings.Forexample,PLOT(X,Y,”y-”,X,Y,”go”)plotsthedatatwice,withasolidyellowlineinterpolatinggreencirclesatthedatapoints.ThePLOTcommand,ifnocolorisspecified,makesautomaticuseofthecolorsspecifiedbytheaxesColorOrderproperty.ThedefaultColorOrderislistedinthetableaboveforcolorsystemswherethedefaultisblueforoneline,andformultiplelines,tocyclethroughthefirstsixcolorsinthetable.Formonochromesystems,PLOTcyclesovertheaxesLineStyleOrderproperty.PLOTreturnsacolumnvectorofhandlestoLINEobjects,onehandleperline.TheX,Ypairs,orX,Y,Striples,canbefollowedbyparameter/valuepairstospecifyadditionalpropertiesofthelines.程序与波形例如%Generalparameterclearall;t_symbol=0.1;f_sample=8000;t_sample=1/8000;frequency_LL=[697770852941];frequency_HH=[1209133614771633];symbols=[”1””2””3””a”;”4””5””6””b”;”7””8””9””c”;”#””0””*””d”];ID_string=input(”pleaseinputyourIdenticalString”,”s”)SNR_dB=input(”pleaseinputSNRindB”);SNR=power(10,SNR_dB/10);signal_amplitude=1;power_of_signal=1;sigma=sqrt(1/SNR);LL=length(ID_string);total_ss=[];fornn=1:LL[row,col]=identify_ID(ID_string(nn));[ss1,ss2]=generate_DTMF_signal(row,col);ss=ss1+ss2;total_ss=[total_ssss];endfigurenoise=sigma*randn(1,length(total_ss));zz=total_ss+noise;subplot(2,1,1);plot(zz);subplot(2,1,2);plot(abs(fft(zz)));zzz=zz;%detectsignalstartingpositionNN1=t_symbol/t_sample;NN2=NN1/2;NN=length(zzz)/NN1;vector=[1,NN1,-500,500];%符号检测个符号检测figure4个匹配滤波器运算ss(1)=1;ss(2)=0;coef=2*pi*frequency_LL(k)/f_sample;b0=sin(coef);a1=2*cos(coef);forn=3:NN1ss(n)=a1*ss(n-1)-ss(n-2)+b0*zzz(n+nn*NN1);endXX(k)=0;fortt=1:5,XX(k)=XX(k)+ss(NN2-tt)*ss(NN2-tt);endXX(k)subplot(4,2,k);plot(ss,”r”);AXIS(vector);end4个匹配滤波器运算ss(1)=1;ss(2)=0;coef=2*pi*frequency_HH(k)/f_sample;b0=sin(coef);a1=2*cos(coef);forn=3:NN1ss(n)=a1*ss(n-1)-ss(n-2)+b0*zzz(n+nn*NN1);endYY(k)=0;fortt=1:5,YY