实验六数字信号处理在双音多频拨号系统中的应用

一、实验目的1.了解双音频信号的特点2.学会双频拨号的使用3.了解并检测DTMF信号的DFT参数选择二、实验环境计算机MATLAB软件三、实验原理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dijizh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。下面先介绍电话中的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)2sin()2sin(21tftf表示，其中Hzf6791，Hzf12092。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10.6.1所示。表中最后一列在电话中暂时未用。表1双频拨号的频率分配：列行1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123A770Hz456B852Hz789C942Hz*0#DDTMF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)2sin()2sin()(21tftftx表示，式中21ff和是按照表10.10.1选择的两个频率，1f代表低频带中的一个频率，2f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)8000/2sin()8000/2sin()(21nfnfnx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）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（请参考文献[19]），可以直接调用MATLAB信号处理工具箱中戈泽尔算法的函数Goertzel，计算N点DFT的几个感兴趣的频点的值。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69717.861180.139139435.024350.02477019.531200.269154038.692390.30885221.833220.167170442.813430.18794124.113240.113188247.285470.285120930.981310.019241860.752610.248133634.235340.235267267.134670.134147737.848380.152295474.219740.219163341.846420.154326682.058820.058四、实验过程（实验步骤、记录、数据、分析、结果）（1）运行仿真程序exp6.m，任意送入6位电话号码，打印出相应的幅度谱。观察程序运行结果，对照表1和表2，判断程序谱分析的正确性。实验代码：6位号码%DTMF双频拨号信号的生成和检测程序%clearall;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];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6位数字TNr=0;%接收端电话号码初值为零forl=1:6;d=fix(TN/10^(6-l));TN=TN-d*10^(6-l);forp=1:4;forq=1:4;iftm(p,q)==abs(d);break,end%检测码相符的列号qendiftm(p,q)==abs(d);break,end%检测码相符的行号pendn=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)%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,l);stem(K,val,'.');grid;xlabel('k');ylabel('|X(k)|')%画出DFT(k)幅度axis([10500120])limit=80;%fors=5:8;ifval(s)limit,break,end%查找列号endforr=1:4;ifval(r)limit,break,end%查找行号endTNr=TNr+tm(r,s-4)*10^(6-l);enddisp('接收端检测到的号码为：')%显示接收到的字符disp(TNr)分析：运行程序，根据提示键入6位电话号码678012，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幅频谱图如图1所示，左上角的第一个图在k=20和k=38两点出现峰值，所以对应第一位号码数字6。最后显示检测到的电话号码678012。（2）分析该仿真程序，将产生、检测和识别6位电话号码的程序改为能产生、检测和识别8位电话号码的程序，并运行一次，打印出相应的幅度谱和8位电话号码。实验代码：8位号码%DTMF双频拨号信号的生成和检测程序%clearall;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];f1=[697,770,852,941];%行频率向量f2=[1209,1336,1477,1633];%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forl=1:8;d=fix(TN/10^(8-l));TN=TN-d*10^(8-l);forp=1:4;forq=1:4;iftm(p,q)==abs(d);break,end%检测码相符的列号qendiftm(p,q)==abs(d);break,end%检测码相符的行号pendn=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)%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figure(2)subplot(4,2,l);stem(K,val,'.');grid;xlabel('k');ylabel('|X(k)|')%画出DFT(k)幅度axis([10500120])limit=80;%fors=5:8;ifval(s)limit,break,end%查找列号endforr=1:4;ifval(r)limit,break,end%查找行号endTNr=TNr+tm(r,s-4)*10^(8-l);enddisp('接收端检测到的号码为：')%显示接收到的字符disp(TNr)分析：运行程序，根据提示键入8位电话号码45678012，回车后可以听见8位电话号码对应的DTMF信号的声音，并输出相应的8幅频谱图如图所示，左上角的第一个图在k=20和k=31两点出现峰值，所以对应第一位号码数字4。最后显示检测到的电话号码45678012。五、思考题简述DTMF信号的参数：采样频率、DFT的变换点数以及观测时间的确定原则。答：1.观测时间的确定：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HzF73min。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.采样频率的确定：频谱分析的频率范围为697～3266Hz。按照采样定理，最高频率不能超过折叠频率，即HzFs36225.0，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sF＝8KHz，因此对频谱分析范围的要求是一定满足的。3.DFT的变换点数的确定：DFT的频率采样点频率为Nkk/2（k=0,1,2,---,N-1），相应的模拟域采样点频率为NkFfsk/（k=0,1,2,---,N-1），希望选择一个合适的N，使用该公式算出的kf能接近要检测的频率，或者用8个频率中的任一个频率'kf代入公式'/ksfFkN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N＝205是最好的。六、实验总结1.在DTMF信号的参数设定的时候要按照一定的原则来，否则得到的输出不够准确；2.要注意频谱分析的频率范围要检测的信号频率范围是697～1633Hz，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697～3266Hz。按照采样定理，最高频率不能超过折叠频率，即HzFs36225.0，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sF＝8KHz，因此对频谱分析范围的要求是一定满足的。按照msTp7.13min，sF＝8KHz，算出对信号最少的采样点数为110minminspFTN。