DTMF 信号系统的 Matlab 仿真
摘 要
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,且容易自动检测识别,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
数据的其他通信系统中,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。本文着重介绍了一种快速的频率检测算法
——GEORTZEL 算法的原理,以及该算法在双音多频拨号检测系统中的应用。并
根据此算法设计出了相应的滤波器,利用 MATLAB 在计算机上对双音多频的信令
产生及检测接收系统进行了仿真测试。
关键词:双音多频,Goertzel 算法,数字信号处理,傅里叶变换;
Ⅰ
Abstract
Dual-tone multi-frequency signaling (DTMF) is tone dialing signals , developed
by AT&T , and used in telephone networks. This signal system has a high rate of
speed dial and easy automatic identification, soon took the place of the original
dial-up form of pulse counting method used. This dual-tone multi-frequency signaling
system is not only used in the telephone network , can also be used in other
communication systems to transfer decimal data, e-mail and banking system. These
system users can select send DTMF signals by telephone voice menu for operation.
DTMF signaling system is a typical small signal processing system , it is to use
digital methods to produce the analog signal and transmission , which also used the D
/ A converter; at the receiving end with D / A converter to convert it into a ditigal
signal, and digital signal processing. This article specially introduced the theory of a
fast check algorithm --GEORTZEL algorithm, and its application in detecting the
double tone multi frequency system. We designed the corresponding filter according
to the algorithm the same time
,
and we imitate the whole dialing process of the system
through the MATLAB in the computer at last.
Keywords: Dual-tone multi-frequency (DTMF); GEORTZEL algorithm; Digital
signal processing (DSP); Fourier transfer;
Ⅱ
目 录
摘要 ……………………………………………………………………………… Ⅰ
Abstract
……………………………………………………………………………Ⅱ
1.绪论…………………………………………………………………………………1
1.1 引言…………………………………………………………………………1
1.2 数字信号简介………………………………………………………………1
1.3 数字滤波器…………………………………………………………………3
1.4 频率分析……………………………………………………………………4
1.4.1 傅里叶级数及傅里叶变换………………………………………… 4
1.4.2 Z 变换及系统函数……………………………………………… 4
1.4.3 离散系统傅里叶变换(DFT)………………………………………5
2.双音多频(DTMF)通信系统………………………………………………………6
2.1 双音多频(DTMF)信号简介………………………………………………6
2.2 双音多频(DTMF)信号的产生……………………………………………6
2.3 双音多频(DTMF)信号的检测……………………………………………7
3.戈泽尔(Goertzel)算法………………………………………………………… 11
3.1 戈泽尔(Goertzel)算法原理…………………………………………… 11
3.2 戈泽尔(Goertzel)算法程序…………………………………………… 13
4.检测双音多频信号(DTMF)的 DFT 参数………………………………………… 14
4.1 频谱分析的分辨率……………………………………………………… 14
4.2 频谱分析的频率范围…………………………………………………… 14
4.3 检测频率的准确性……………………………………………………… 14
5.双音多频(DTMF)系统的 Matlab 实现………………………………………… 16
5.1 Matlab 简介……………………………………………………………… 16
5.2 双音多频(DTMF)系统的仿真……………………………………………17
6.结束语…………………………………………………………………………… 21
致谢………………………………………………………………………………… 22
参考文献…………………………………………………………………………… 23
1 绪论
1.1 引言
双音多频(
Dual Tone Multi Frequency
,
DTMF
)信号,由美国
AT&T
贝尔
实验室研制,用于音频电话网络中的拨号信号。一方面这种信号具有非常高的拨
号速度,另一方面它便于自动检测识别及电话业务的拓展,所以很快代替了原有
的脉冲计数方式的拨号形式。
自 1876 年美国贝尔发明电话以来,电话交换技术发展主要经历了三个阶段:
人工交换、机电交换、电子交换。早在 1878 年就出现了人工供电制交换机,它
借助话务员进行话务连接。15 年后步进制的交换机问世,这种交换机属于“直
接控制”方式,用户通过话机拨号脉冲直接控制步进接续器做升降和旋转动作。
从而自动完成用户间的接续。这种交换机虽然实现了自动接续,但存在着速度慢、
效率低、杂音大与机械磨损严重等缺点。直到 1938 年发明了纵横制交换机由直
接控制过渡到间接控制方式,随后又出现了电子交换机及程控交换机等。用户的
拨号脉冲不再直接控制接线器动作,而先由记发器接收、存储,然后通过标志器
驱动接线器,以完成用户间接续。由于标志器记取的是标识信号,所以可以不采
用不稳定的脉冲计数方式,逐步发展到数字号码标识,所以快速、稳定灵活的
DTMF 音频拨号方式取代了脉冲计数方式。
本文主要阐述
GOERTZEL
算法在双音拨号系统中的应用,并利用
Matlab
的
强大功能,用软件实现
DTMF
(双音多频)信号的检测。
1.2 数字信号简介
信号是反映消息的物理量,是消息的表现形式。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。信息可以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
1
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。
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。因此在实际的操作中,数字信号更容易处理。随
着数字电子技术的发展,在语音处理、通信控制、图象处理等领域
DSP(Digital
Signal Processor
数字信号处理器 )也得到了越来越广泛的应用。
数字通信抗干扰能力强、无噪声积累,由于数字信号的幅值为有限个离散值
(通常取两个幅值),在传输过程中虽然也受到噪声的干扰,但当信噪比恶化到一
定程度时,即在适当的距离采用判决再生的方法,再生成没有噪声干扰的和原发
送端一样的数字信号,所以可实现长距离高质量的传输。
较之传统的方法,数字信号处理系统自身有着无可比拟的优点:
(1)便于加密处理
信息传输的安全性和保密性越来越重要,数字通信的加密处理的比模拟
通信容易得多,以话音信号为例,经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运
算进行加密、解密处理。
(2)便于存储、处理和交换
数字通信的信号形式和计算机所用信号一致,都是二进制代码,因此便
于与计算机联网,也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换,可使通信
网的管理、维护实现自动化、智能化。
(3)设备便于集成化、微型
数字通信采用时分多路复用,不需要体积较大的滤波器。设备中大部分
电路是数字电路,可用大规模和超大规模集成电路实现,因此体积小、功耗低。
(4)便于构成综合数字网和综合业务数字网
采用数字传输方式,可以通过程控数字交换设备进行数字交换,以实现
传输和交换的综合。另外,电话业务和各种非话业务都可以实现数字化,构成综
合业务数字网。
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