基于MATLAB的DTMF信号的仿真分析~(完整版毕业设计)

河南科技大学本科毕业设计（论文）I基于MATLAB的DTMF信号的仿真分析摘要双音多频信号由于具有抗干扰性强和高速率传输的优点，在世界范围内使用在按键式电话机上。近年来，DTMF信号也应用在交互式控制中，诸如语言菜单、语言邮件、电话银行和ATM终端以及VOIP系统中，研究其在MATLAB下的仿真实现，有助于其具体系统的优化设计。本文首先阐述了DTMF信号的原理，介绍了在MATLAB仿真软件中产生的DTMF信号的方法，对GEORTZEL算法和快速傅里叶变换法提取的频谱方面的性能进行分析比较。本文仿真时采用GEORTZEL算法，在白噪声的环境下对输入的DTMF信号提取频谱信息，即所谓的检测过程。本文还用MATLAB的图形控制语句“uicontrol”创建一个按键“pushbutton”的DTMF信号的模拟键盘。发声部分的程序是按照国际标准规定的双音多频拨号系统的频率，每个按键对应低音频组的一个频率和高音频组的一个频率，即每按一键发出特定的双音，并且在频谱图上显示相应的双频。关键词：GEORTZEL算法，双音多频，快速傅立叶变换，MATLAB河南科技大学本科毕业设计（论文）IITHEANALYSISOFDTMFSIGNALSIMULATIONWITHMATLABABSTRACTDualToneMultiFrequencysignalasastronganti-interferenceandtheadvantagesofhigh-speedtransmissionisnowbeingusedworldwideinthepush-buttontelephone.DTMFsignalsarealsoappliedinrecentyears,interactivecontrol,suchasthelanguagemenu,languagee-mail,phonebankingandATMterminals,andVOIPsystems,andthusunderstudyintheMATLABsimulationhelpsoptimizethedesignoftheirspecificsystems.ThispaperdescribestheprinciplesandhowDTMFsignalsgeneratedbyMATLABDTMFsignals,andwiththeGEORTZELalgorithmandtheFFTalgorithmforfastFourierspectrumanalysisandcomparisonofextraction,andthen,getwiththeGEORTZELalgorithminthecontextofwhitenoiseontheinputDTMFsignalextractingspectralinformation,theso-calleddetectionprocess.AtthesametimeusingMATLAB'sgraphicalcontrolstatementsuicontrolbuttontocreateapushbuttontheDTMFsignalanalogkeyboard.Soundpartoftheprograminaccordancewithinternationalstandardsfordual-tonemulti-frequencydialingsystemfrequency,eachkeycorrespondstoagroupoflowaudiofrequencyandahighfrequencyoftheaudiogroup,thatis,eachissuedbyaspecifictwo-tonekeys,andSpectrumshowninthecorrespondingfrequency.KEYWORDS：GEORTZEL,Dual-ToneMulti-Frequency,FastFourierTransfer,MATLAB河南科技大学本科毕业设计（论文）III目录前言................................................................................................1第1章概述......................................................................................2§1.1信号概述................................................................................2§1.2数字信号概述........................................................................2§1.3数字滤波器............................................................................3§1.4频率分析................................................................................4第2章DTMF信号产生和检测原理................................................6§2.1DTMF信号.............................................................................6§2.2DTMF信号的识别及算法实现..............................................7§2.2.1DTMF信号的识别...........................................................7§2.2.2DTMF信号的检测...........................................................9§2.3GOERTZEL算法原理..........................................................12第3章双音多频系统的MATLAB设计与实现............................17§3.1MATLAB工具简介..............................................................17§3.2DTMF信号的产生、检测....................................................19§3.2.1双音多频信号的产生....................................................19§3.2.2双音多频信号的检测....................................................19§3.3DTMF信号键盘的仿真........................................................23结论..............................................................................................30参考文献..........................................................................................31致谢..............................................................................................33外文资料原文..................................................................................34外文资料译文..................................................................................41河南科技大学本科毕业设计（论文）1前言双音多频(DualToneMultiFrequency,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。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。作为实现电话号码快速可靠传输的一种技术，它具有很强的抗干扰能力和较高的传输速度，因此，可广泛用于电话通信系统中，但绝大部分是用作电话的音频拨号。研究其在MATLAB下的仿真实现有助于其具体系统的优化设计。MATLAB语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言，包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。MATLAB语言像Basic、Fortran和C语言一样规定了矩阵的一系列运算符，它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。参考国内外同类设计，本次设计吸取了其中的设计经验，争取少走弯路。关于DTMF信号的产生，主要有计算法和查表法两种方法。计算法程序比较简单，但需要占用计算时间，影响运行速度。查表法是先将各正弦波的序列计算出来，存在存储器中，运行时按一定顺序和速度读出，它占用一定存储空间，速度快。关于DTMF的检测。关键是通过戈泽尔算法计算信号的DFT。在确定了3个参数（采样频率，DFT变换点数，对信号的观测周期）之后，就可以在接收端实现对DTMF信号的检测。在得到DTMF（双音多频）信号的生成与检测结果后进行分析，并对用戈泽尔算法和快速傅里叶FFT算法提取的频谱进行分析比较，然后得到用戈泽尔算法在白噪声的环境下对输入的DTMF信号提取频谱信息，最后，根据提取的频谱信息对输入信号进行检测解码。河南科技大学本科毕业设计（论文）2第1章概述§1.1信号概述信号是反映消息的物理量，是消息的表现形式。人们所说的信息，是指存在于消息之中的新内容，例如人们从各种媒体上获得原来未知的消息，就是获得了信息。可见信息需要借助某些物理量（如声、光、电）的变化来表示和传递。由于非电的物理量可以通过各种传感器较容易地转换成电信号，而电信号又容易传送和控制，所以使其成为应用最广的信号。电信号是指随着时间而变化的电压或电流，因此在数学描述上可将它表示为时间的函数，并可画出其波形。信息通过电信号进行传送、交换、存储、提取等。电信号的形式是多种多样的，可以从不同的角度进行分类。根据信号的随机性可以分为确定信号和随机信号；根据信号的周期性可分为周期信号和非周期信号；根据信号的连续性可以分为连续时间信号和离散信号；在电子线路中将信号分为模拟信号和数字信号。本文主要阐述GOERTZEL算法在双音拨号系统中的应用，并利用Matlab6.5的强大功能，用软件实现DTMF（双音多频）信号的检测。[1]§1.2数字信号概述我们每天遇到的信号，大部分都是模拟信号。离散时间信号只被定义在一种特定的时间瞬间集合上，表现为具有连续数值范围的数值序列。而数字信号在时间上和幅值上都有离散的数字。因此