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1、大学实验报告学院: 信电学院 班级: 电信112 姓名: 王丙全 学号: 2011081245课程: 电子信息工程综合实验 日期: 2015年 1 月 8 日 成绩: 实验一、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了解双音多频信号的产生、检测、包括对双音多频信号进行DFT时的参数选择等。2初步了解数字信号处理在是集中的使用方法和重要性。3掌握matlab的开发环境。二、实验原理双音多频(Dual Tone Multi Frequency, DTMF)信号是音频电话中的拨号信号,由美国AT&T贝尔公司实验室研制,并用于电话网络中。这种信号制式具有很高的拨号速度,且容易自动监测识别,
2、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的产生方法和检测方法,包括戈泽尔算
3、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4.1所示。表中最后一列在电话中暂时未用。 表4.1 双频拨号的频率分配 列行1209Hz1336Hz1477Hz633Hz697
4、Hz 123A770Hz 4 5 6 B852Hz 7 8 9C942Hz * 0 # D 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 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,式中是按照表4.1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,
5、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
6、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
7、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。 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:(1)采样频率,(2)DFT的变换点数N,(3)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: (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 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73
8、Hz,要求DFT最少能够分辨相隔73Hz的两个频率,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。 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,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。
9、按照,8KHz,算出对信号最少的采样点数为。 3 检测频率的准确性 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
10、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4.2。表4.28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69717.861180.139139435.024350.02477019.531200.269154038.692390.30885221.833220.167170442.813430.18794124.113240.113188247.285
11、470.285120930.981310.019241860.752610.248133634.235340.235267267.134670.134147737.848380.152295474.219740.219163341.846420.154326682.058820.058通过以上分析,确定8KHz,N205,。 4 DTMF信号的产生与识别仿真实验下面先介绍MATLAB工具箱函数goertzel,然后介绍DTMF信号的产生与识别仿真实验程序。Goerztel函数的调用格式额为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
12、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4.2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,其中存放的是由K指定的频率点的DFTx(n)的值。设X(k)= DFTx(n),则。 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
13、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。三、实验仪器和设备PC机1台, matlab编程软件四、预习要求1复习matlab编程软件的使用方法;2学习指导书介绍的相关知识。 五、实验内容及步骤1安装Matlab6.x软件实验平台 (如系统已安装Matlab 6.软件 ,直接进第二步)。2. 熟悉指导书介绍的相关知识原理和方法进行编程和调试实验。3. 设置参数,并读入6或8位电话号码;4. 据键入号码产生时域离散DTMF信号,并连续发出6或8位号码对应的双音频声音;5. 对时域离
14、散DTMF信号进行频率检测,画出幅度谱;6. 根据幅度谱的两个峰值,分别查找并确定输入6或8位电话号码六,程序清单与运行结果1.程序清单程序分四段: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。根据程序中的注释很容易分析编程思想和处理算法。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for l=1:8; d=