数字信号处理课设报告黄金-2

课程设计报告课程名称数字信号处理课程设计题目名称双音多频（DTMF）信号实验日期2012.12.24—2013.1.3指导教师焦瑞莉学院信息与通信工程学院___专业____电子信息工程________班级/学号__电信1003/2010010542学生姓名黄金成绩_______________________指导教师签字210级“数字信号处理课程设计”任务书题目2双音多频（DTMF）信号主要内容学习双音多频（DTMF）信号原理，并用MATLAB编程实现，加深对DTMF产生和DTMF解码算法（Goertzel算法）的理解。设计要求基于MATLAB语言实现DTMF信号产生与解码运算过程。1.实现双音多频信号产生函数，它接收含有拨号数字的一个数组，并产生在8kHz采样频率下每个数字半秒持续期的适当声音信号。2.实现基于Goertzel算法的解码函数，它接收一个DTMF信号并产生含有拨号数字的一个数组。主要仪器设备1、计算机1台，安装MATLAB软件主要参考文献[美]维纳.K.恩格尔，约翰.G.普罗科斯著，刘树棠译.数字信号处理——使用MATLAB[M].西安：西安交通大学出版社，2002.课程设计进度计划（起止时间、工作内容）本课程设计共安排5个题目，这是其中题目之一。整个课程设计共24学时，分1.5周安排，具体进度如下：4学时复习题目相关知识，掌握实现的原理；12学时用MATLAB语言实现题目要求；4学时进一步完善功能，现场检查、答辩；4学时完成课程设计报告。课程设计开始日期2012.12.24课程设计完成日期2013.1.3课程设计实验室名称信号与信息处理实验室地点实验楼3-501、503资料下载地址实践环节/数字信号处理课程设计3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。关键词：GEORTZEL算法，双音多频，快速傅立叶变换，MATLAB4目录10级“数字信号处理课程设计”任务书...................................................................................错误!未定义书签。摘要..............................................................................................................................................................................3正文...............................................................................................................................................错误!未定义书签。一.相关知识介绍....................................................................................................................................5二.设计过程............................................................................................................................................9三.实验总结和心得..............................................................................................................................13参考文献....................................................................................................................................................................145一、相关知识介绍1．双音频信号产生与检测的原理介绍双音多频（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。这种信号制式具有很高的拨号速度，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：697Hz,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1所示。表中最后一列在电话中暂时未用。列行1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123A770Hz456B852Hz789C942Hz*0#D表2-1双频拨号的频率分配6DTMF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．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。3．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。7K是要求计算的DFT[xn]的频点序号向量，用N表示xn的长度，则要求1≤K≤N。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，其中存放的是由K指定的频率点的DFT[x(n)]的值。设X(k)=DFT[x(n)]，则()(()),1,2,,length()XgkiXKiiK。K值的计算K=N*f/fs（f=697Hz,770Hz,852Hz，941Hz，1209Hz,1336Hz,1477Hz，1633Hz）4．MATLAB工具简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。[13]MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：●数值分析●数值和符号计算●工程与科学绘图●控制系统的设计与仿真●数字图像处理技术●数字信号处理技术●通讯系统设计与仿真●财务与金融工程8MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。它有如下的特点：1.功能强的数值运算――在MATLAB环境中，有超过500种数学、统计、科学及工程方面的函数可使用，函数的标示自然，使得问题和解答像数学式子一般简单明了，让使用者可全力发挥在解题方面，而非浪费在电脑操作上。2.先进的资料视觉化功能――MATLAB的物件导向图形架构让使用者可执行视觉数据分，并制作高品质的图形，完成科学性或工程性图文并茂的文章。3.高阶但简单的程式环境――作为一种直译式的程式语言，MATLAB容许使用者在短时间内写完程式，所花的时间约为用FORTRAN或C的几分之一，而且不需要编译(compile)及联结(link)即能执行，同时包含了更多及更容易使用的内建功能。4.开放及可延伸的架构――MATLAB容许使用者接触它大多数的数学原始码，检视运算法，更改现存函数，甚至