数字信号处理课程设计数字信号处理在双音多频拨号系统中的应用汇总

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1、精心整理数字信号处理课程设计题目：数字信号处理在双音多频拨号系统中的应用 学校：南昌航空大学科技学院 专业：自动化 班级:1182022 学号：27 姓名: 吴哲祺 2014年1月13日2014年1月17日设计任务设计程序，读入8位电话号码，依据键入的8位电话号码产生时域离散双音多频DTMF信号，并连续发出8位号码对应的双音频声音。对时域离散DTMF信号进展频率检测，画出幅度谱。依据幅度谱的两个峰值，分别查找并确定输入8位电话号码，并将其输出。设计步骤：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DFT；3) 编写实现输

2、入输出功能的程序；4) 编写波形输出程序；5) 用matlab的相应函数进展检验。要求：1) 用构造化设计方法。一个程序划分成假设干模块，每一个模块的函数功能要划分好，总体设计应画出流程图；2) 输入输出界面要友好；3) 源程序书写要标准，加必要的注释；4) 要供应通过Matlab函数进展检验的结果；5) 程序必须要要能运行起来。一、 原理 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贝尔公司试验室研制，并用于电话网络中。这种信号制式具有很高的拨号速度，且简洁自动监测识别，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

3、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展操作。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展传输，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，并进展数字信号处理与识别。为了系统的检测速度并降低本钱，还开发一种特别的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，包括戈泽尔算法，最终进展模拟试验。下面先介绍电话中的DTMF信号的组成

4、。1. 电话中的DTMF信号的组成在电话中，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。详细号码以及符号对应的频率如表1所示。表中最终一列在电话中短暂未用。表1双频拨号的频率安排列行1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123A770Hz456B852H

5、z789C941Hz*0#DDTMF信号在电话中有两种作用，一个是用拨号信号去限制交换机接通被叫的用户电话机，另一个作用是限制电话机的各种动作，如播放留言、语音信箱等。2. 电话中的双音多频DTMF信号的产生与检测1双音多频信号的产生假设时间连续的 DTMF信号用表示，式中是遵照表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。明显采纳数字方法产生DTMF信号，便利而且体积小。下面介绍采纳数字方法产生DTMF信号。规定用8KHz对DTMF信号进展采样，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序列值简洁，但实际中要占用一些计算时间

6、，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，存放在存储器中，运行时只要按依次和必须的速度取出便可。这种方法要占用必须的存储空间，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展检测，检测两个正弦波的频率是多少，以判定所对应的十进制数字或者符号。明显这里仍旧要用数字方法进展检测，因此要将收到的时间连续 DTMF信号经过A/D变换，变成数字信号进展检测。检测的方法有两种，一种是用一组滤波器提取所

7、关怀的频率，依据有输出信号的2个滤波器判定相应的数字或符号。另一种是用DFTFFT对双音多频信号进展频谱分析，由信号的幅度谱，判定信号的两个频率，最终确定相应的数字或符号。当检测的音频数目较少时，用滤波器组实现更适宜。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，而且还要占用许多内存，因此不如干脆用DFT适宜。下面介绍Goertzel算法，这种算法的实质是干脆计算DFT的一种线性滤波方法。这里略去Goertzel算法的介绍请参考文献【1】，可以干脆调用MATLAB信号处理工具箱中戈泽尔算法的函数Goertzel，计算N点DFT的几个感爱好的频点的值3. 检

8、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对模拟信号进展频谱分析的问题。依据第三章用DFT对模拟信号进展谱分析的理论，确定三个参数：1采样频率，2DFT的变换点数N，3须要对信号的视察时间的长度。这三个参数不能随意选取，要依据对信号频谱分析的要求进展确定。这里对信号频谱分析也有三个要求： 1频率辨别率，2谱分析的频谱范围，3检测频率的精确性。（1） 频谱分析的辨别率 视察要检测的8个频率，相邻间隔最小的是第一和其次个频率，间隔是73Hz，要求DFT最少能够辨别相隔73Hz的两个频率，即要求。DFT的辨别率和对信号的视察时间有关， 。考虑到牢靠

9、性，留有富有量，要求按键的时间大于40ms。（2） 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，假如发觉二次谐波很大，那么不能确定这是DTMF信号。这样频谱分析的频率范围为6973266Hz。遵照采样定理，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必须满意的。遵照，8KHz，算出对信号最少的采样点数为。3 检测频率的精确性这是一个用DFT检测正弦波频率是否精确的问题。

10、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，假如是一个周期序列，截取周期序列的整数倍周期，进展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精确频率。分析这些DTMF信号，不行能经过采样得到周期序列，因此存在检测频率的精确性问题。 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，盼望选择一个适宜的N，运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，但可以精确判定所对应的DTMF频率，即可以精确判定所对应的数字或符

11、号。经过分析探究认为N205是最好的。遵照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。表2 频率误差8个基频/Hz最近的整数k值DFT的k值肯定误差二次谐波/Hz对应的k值最近的整数k值肯定误差69717.861180.319139435.024350.02477019.531200.269154038.692390.30885221.833220.167170442.813430.18794124.113240.113188247.285470.285120930.981310.019241860.752610.248133634.235340.235

12、267267.134670.134147737.848380.152295474.219740.219163341.846420.154326682.058820.058 通过以上分析，确定8KHz，N205。4. DTMF信号的产生与识别仿真试验下面先介绍MATLAB工具箱函数goertzel，然后介绍DTMF信号的产生与识别仿真试验程序。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，那么要求1KN。由表2可知，假如只计算D

13、TMF信号8个基频时，K=18，20，22，24，31，34，38，42，假如同时计算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)，那么。 DTMF信号的产生与识别仿真试验在MATLAB环境下进展，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进展谱分析，显示每一位号码数字的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

14、每一位对应的号码数字，最终输出8位电话号码。二、 设计过程1. 设置参数，并读入8位电话号码。设置每位电话号码所对应的高频重量和低频重量。2. 依据键入的8位电话号码产生相应的时域离散DTMF信号，添加程序，连续发出8位电话号码对应的双频声音。3. 对时域离散DTMF信号进展频率检测，画出幅度谱。4. 依据幅度谱的两个峰值，分别查找并确定输入8位电话号码。5. 将8位电话号码表示成一个8位数并输出。开 始输入8位电话号码检测与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用Goertzel算法计算八点DFT样本画出8点DFT样本幅度检测8点DFT模值查找8点样本所对应的低频带与高

15、频带输出检测出的8位电话号码结 束三、 结果与验证1运行结果键入8位电话号码: 12345678接收端接检测的号码为：12345678对时域离散DTMF信号进展频率检测，幅度谱图如下：六位的幅度谱图如下：与八位比照2由DTMF信号在8个近似基频点的DFT幅度图可知，第一幅图低频K1=8，K2=31，由表2可知f1=697Hz,f2=1209Hz,由表1可知对应的号码为1； 其次幅图低频K1=18，K2=34，由表2可知f1=697Hz,f2=1336Hz,由表1可知对应的号码为2；第三幅图低频K1=18，K2=38，由表2可知f1=697Hz,f2=1477Hz,由表1可知对应的号码为3；第四

16、幅图低频K1=20，K2=31，由表2可知f1=770Hz,f2=1209Hz,由表1可知对应的号码为4；第五幅图低频K1=20，K2=34，由表2可知f1=770Hz,f2=1336Hz,由表1可知对应的号码为5；第六幅图低频K1=20，K2=38，由表2可知f1=770Hz,f2=1477Hz,由表1可知对应的号码为6；第六幅图低频K1=22，K2=31，由表2可知f1=852Hz,f2=1209Hz,由表1可知对应的号码为7；第八幅图低频K1=22，K2=34，由表2可知f1=852Hz,f2=1336Hz,由表1可知对应的号码为8；即最终输出号码为12345678，与程序运行结果一样。

17、四、 界面设计 实现更加友好的人机对话的界面，参加了界面窗口，各种数据可以从窗口干脆输入，并且设置起先按钮和去除按钮，可以从窗口选择六位或者八位电话号码的输入，在窗口中可以干脆显示出电话号码DFT的幅值，简洁、便利。下列图为详细的界面窗口，输入为八位电话号码：12345678，接收到电话号码：12345678。下列图为对应各位电话号码的DFT幅值。五、分析和总结通过本次课程设计，首先使我对于双音多频拨号系统有了更全面的相识和理解，双音多频拨号系统是此时此刻最常用的拨号系统，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,770H

18、z,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。其次，对于数字信号处理中许多理解不清晰的问题也加深了理解，对也DFT有了更深一层的理解，并且学习到计算DFT的新算法: Goerztel函数，更加便利了DFT的计算。再次，对于MATLAB的设计也更加清晰明白，matlab用起来挺顺手的，比C语言简洁。但是用到细微环节处的时候却困难重重，因为许多学问都没有学习，就算知道函数名，也不知道如何调用。通过自己查询相关资料，客服了相关的问题，使自己对MATLAB的相识及应用也进入了一个新的层次。总而言之，通

19、过本次试验，加深了对于Matlab的了解，同时复习了数字信号方面的相关学问，对于还不太清晰的相关学问，通过进一步的查找得到了很好的解决。了解了双音多频信号的产生、检测、包括对双音多频信号进展DFT时的参数选择等的相关学问。附录：主要程序% DTMF双频拨号信号的生成和检测程序八位数字程序：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个数N=205;K=18,20,22,24,31,34,38,42; %8个基频重量对应的8个k值f1=697,770,852,941;% 行频率向量f2=1209,1336

20、,1477,1633;% 列频率向量TN=input(键入8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=1:8; %分别对每位号码数字处理：产生信号，发声，检测 d=fix(TN/10(8-m); %计算出与第l位号码数字 TN=TN-d*10(8-m); for p=1:4; for q=1:4; if tm(p,q)=abs(d); break,end end % 检测与m位号码相符的列号q if tm(p,q)=abs(d); break,end end % 检测与m位号码相符的行号p n=0:1023; % 为了发声，加长序列 x = sin(

21、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) %相邻号码响声之间加0.1秒停顿 % 接收检测端的程序 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,m); stem(K, Val,.);grid;xlabel(k);ylabel(|X(k)|) % 画出DFT(k)幅度 axis(10 50 0 120) limit = 80;%基频检测门限为80

22、for 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(8-m);enddisp(接收端检测到的号码为：) % 显示接收到的字符disp(TNr)六位号码程序：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个数N=205;K=18,20,22,24,31,34,38,42; %8个基频重量对应的8个k值f1=697,7

23、70,852,941;% 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; %分别对每位号码数字处理：产生信号，发声，检测 d=fix(TN/10(6-m); %计算出与第l位号码数字 TN=TN-d*10(6-m); for p=1:4; for q=1:4; if tm(p,q)=abs(d); break,end end % 检测与m位号码相符的列号q if tm(p,q)=abs(d); break,end end % 检测与m位号码相符的行号p

24、n=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) %相邻号码响声之间加0.1秒停顿 % 接收检测端的程序 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(3,2,m); stem(K, Val,.);grid;xlabel(k);ylabel(|X(k)|) % 画出DFT(k)幅度 axis(10 50 0 120) limit = 80;%基频检测门限为80 for 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);enddisp(接收端检测到的号码为：) % 显示接收到的字符disp(TNr)