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1、目录第一章课程设计依据、内容及要求11.1课程设计依据11.2课程设计内容11.3课程设计要求1第二章 双音频信号产生与检测的原理和内容22.1双音频信号产生与检测的原理介绍22.2 电话中的双音多频（DTMF）信号的产生与检测32.2.1双音多频信号的产生32.2.2基于Goertzel算法的双音多频信号检测3第三章仿真程序与运行结果63.1设计程序63.2运行结果：8第四章 设计总结9第一章 课程设计依据、内容及要求1.1课程设计依据在掌握数字信号处理相关理论的基础上，根据数字信号处理课程所学知识，利用Matlab软件产生电话中的DTMF信号。用DFT检测DTMF信号所含有的两个音频频率。
2、1.2课程设计内容1.双音多频信号的产生，DTMF信号用两个不同频率正弦信号相加，一个高频一个低频。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，以判断对应的十进制数字或符号。根据教材第3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变换点数N；（3）对信号的观察时间的长度Tp。这三个参数不能随机选取，要根据对信号频谱分析的要求进行确定。对信号频谱分析也有三个要求：（1）频率分辨率；（2）谱分析的频谱范围；（3）检测频率的准确性。1.3课程设计要求1. 要求独立完成设计任务。2. 课程设计说明书封面格式要求
3、见天津城市建设学院课程设计教学工作规范附表13. 课程设计的说明书要求简洁、通顺，计算正确，图纸表达内容完整、清楚、规范。4. 要求：正确运行程序，任意输人6为电话号码，输出相应的幅度谱，观察程序运行结果，判断程序谱分析的正确性。5. 课设说明书要求：1) 说明题目的设计原理和思路、采用方法及程序。2) 详细说明调试方法和调试过程，并给程序加注释。第二章 双音频信号产生与检测的原理和内容2.1双音频信号产生与检测的原理介绍双音多频（Dual Tone Multi Frequency, DTMF）信号是音频电话中的拨号信号，由美国AT&T贝尔公司实验室研制，并用于电话网络中。这种信号制式具有很高
4、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。这种双音多频信号制式不仅用在电话网络中，还可以用于传输十进制数据的其它通信系统中，用于电子邮件和银行系统中。这些系统中用户可以用电话发送DTMF信号选择语音菜单进行操作。 DTMF信号系统是一个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
5、的产生方法和检测方法，包括戈泽尔算法，最后进行模拟实验。在电话中，数字09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、低频带中各一个频率构成，例如1用697Hz和1209Hz两个频率，信号用表示，其中，。这样8个频率形成16种不同的双频信号。具体号码以及符号对应的频率如表1所示。表中最后一列在电话中暂时未用。列行1209Hz1336Hz1477Hz633Hz697Hz123A770Hz456B852Hz7
6、89C942Hz*0#D表2-1 双频拨号的频率分配DTMF信号在电话中有两种作用，一个是用拨号信号去控制交换机接通被叫的用户电话机，另一个作用是控制电话机的各种动作，如播放留言、语音信箱等。2.2 电话中的双音多频（DTMF）信号的产生与检测2.2.1双音多频信号的产生假设时间连续的 DTMF信号用表示，式中是按照表1选择的两个频率，代表低频带中的一个频率，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 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
7、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信号通过电话线路送到交换机。2.2.2基于Goertzel算法的双音多频信号检测（1）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
8、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，而且还要占用很多内存，因此不如直接用DFT合适。下面介绍Goertzel算法，这种算法的实质是直接计算DFT的一种线性滤波方法。这里略去Goertzel算法的介绍，可以直接调用MATLAB信号处理工具箱中戈泽尔算法的函
9、数Goertzel，计算N点DFT的几个感兴趣的频点的值。（2） MATLAB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
10、是由K指定的频率点的DFTx(n)的值。设X(k)= DFTx(n)，则。（3）检测DTMF信号的DFT参数选择 用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：采样频率，DFT的变换点数N，需要对信号的观察时间的长度。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： 频率分辨率，谱分析的频谱范围，检测频率的准确性。 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
11、频率，即要求。DFT的分辨率和对信号的观察时间有关， 。考虑到可靠性，留有富裕量，要求按键的时间大于40ms。 频谱分析的频率范围 要检测的信号频率范围是6971633Hz，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范围为6973266Hz。按照采样定理，最高频率不能超过折叠频率，即，由此要求最小的采样频率应为7.24KHz。因为数字电话总系统已经规定8KHz，因此对频谱分析范围的要求是一定满足的。按照，8KHz，算出对信号最少的采样点数为。 检测
12、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0区间的N点等间隔采样，如果是一个周期序列，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DTMF信号，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（k=0,1,2,-,N-1），相应的模拟域采样点频率为（k=0,1,2,-,N-1），希望选择一个合适的N，使用该公式算出的能接近要检测的频率，或者用8个频率中的任一个频率代入公式中时，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
13、，但可以准确判断所对应的DTMF频率，即可以准确判断所对应的数字或符号。经过分析研究认为N205是最好的。按照8KHz，N205，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69717.861180.139139435.024350.024 77019.531200.269154038.692390.308 85221.833220.167170442.813430.187 94124.113240.113188247.285470.285 120930.981310.01924186
14、0.752610.248 133634.235340.235267267.134670.134147737.848380.152295474.219740.219 163341.846420.154326682.058820.058表2-2 8个基频以其二次谐波对应的k值以及k取整数时的频率误差通过以上分析，确定8KHz，N205，。 第三章 仿真程序与运行结果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位电话号码，程序自动产生每一位号码数字相应的DTMF信号，并送出双频声音，再用DFT进行谱分析，显示每一位号码数字的DTMF信号的DFT幅度谱，安照
15、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号码数字，最后输出8位电话号码。3.1设计程序程序分四段：第一段（27行）设置参数，并读入8位电话号码；第二段（920行）根据键入的8位电话号码产生时域离散DTMF信号，并连续发出8位号码对应的双音频声音；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位电话号码。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; % DTMF信号代表的16个
16、数N=205;K=18,20,22,24,31,34,38,42;f1=697,770,852,941; % 行频率向量f2=1209,1336,1477,1633; % 列频率向量TN=input(键入6位电话号码= ); % 输入8位数字TNr=0; %接收端电话号码初值为零for m=1:6; d=fix(TN/10(6-m); TN=TN-d*10(6-m); for p=1:4; for q=1:4; if tm(p,q)=abs(d); break,end % 检测码相符的列号q endif tm(p,q)=abs(d); break,end % 检测码相符的行号p end n=0
17、: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) % 接收检测端的程序 X=goertzel(x(1:N),K+1); % 用Goertzel算法计算八点DFT样本 val = abs(X); % 列出八点DFT向量 subplot(3,2,m); stem(K,val,.);grid;xlabel(k);ylabel(|X(k)|) % 画出8点DFT幅度 axis(10 50 0 120) limit = 80; f
18、or s=5:8; if val(s) limit, break, end % 查找列号 end for r=1:4; if val(r) limit, break, end % 查找行号 end TNr=TNr+tm(r,s-4)*10(6-m);%将6位电话号码表示成一个6位数，以便显示enddisp(接收端检测到的号码为：) % 显示接收到的字符disp(TNr)图3-1 matlab界面中的程序运行3.2运行结果：（1）、运行程序，根据提示键入6位电话号码135246，然后回车。（2）、回车后可以听见6位电话号码对应的DTMF信号的声音，并输出相应的6幅频谱图如下图所示。（3）左上角的
19、第一个图在k=18和k=31两点出现峰值，对应电话机上的数字应该在第一行第一列，所以对应第一位号码数字1(参照表1)。从后面的图中可以依次读出第一行第三列3、第二行第二列5、第一行第二列2、第二行第一列4、第二行第三列6，即最后显示检测到的电话号码135246。检测成功，说明电话机双音频信号产生系统的设计是可行的。图3-2 DTMF信号检测中得到的频谱图第四章 设计总结这学期我们学习了通信原理课程这门课程并开设了实验，同时在短学期中进行了为期一周的课程设计，目的是让我们更深刻的理解通信原理这门课，并且把所学的理论与实践相联系。我拿到题目后，上网查阅老师给的参考资料，将英文翻译成中文，了解了双音
20、多频信号检测的原理。参考资料所给内容比较简单且Matlab的程序有缺省和错误，所以我又学习通信原理中相关知识并查阅一些资料，学习Matlab的使用方法，最终写出程序，进行了调试、仿真，并完成报告。这次课程设计，我学会了很多东西。熟悉了仿真软件Matlab的使用方法，学会了Matlab程序的编写，完成仿真。我还意识到英文水平的重要性，我们学习电信专业，会需要了解国外先进的技术及最新，也需要阅读经典书籍和各种文献、资料，因此需要扎实的英语阅读和翻译功底，尤其是相关的专业词汇。此外，这次课程设计还加深了对我通信原理理论知识的理解，了解通信原理知识和其它课程的联系，例如交换技术、数字信号处理等，及其在实际生活中的应用，增强了自己查阅资料的动手能力。
