双音多频检测模块的设计.doc

第1章绪论双音多频DTMF（Dual Tone Multi-Frequency）信令，就是用两个频率行频和列频来表示电话机键盘上的一个数字。双音多频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。逐渐在全世界范围内使用在按键式电话机上，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。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。另外，它也可以在数据通信系统中广泛地用来实现各种数据流和语音等信息的远程传输。 近年来DTMF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 终端等。通过软件产生与检测DTMF信令，是一项较有价值的工程应用。这是一种技术，就是电话机上的一个按键按下去时，电话机向交换机同时发送两个频率的信号，告诉交换机按的是哪个按键，以前采用脉冲方式，速度慢，一共有8个频率的音频信号，分为2组，每组4个，两两组合共可以代表16个按键，分别代表0-9 、#、*等按键。 第2章双音多频（DTMF）信号的设计2.1设计目的及意义双音多频信号（DTMF）是电话系统中电话机与交换机之间的一种用户信令，通常用于发送被叫号码。双音多频信号是贝尔实验室发明的，其目的是为了自动完成长途呼叫。 电话拨号有两种，脉冲和音频，所谓音频也称双音多频（DTMF）信号的拨号方式，双音多频既是电话拨号时每按一个键，有两个音频频率叠加成一个双音频信号，十二个按键由七个音频频率区分。在使用双音多频信号之前，电话系统中使用一连串的断续脉冲来传送被叫号码，称为脉冲拨号。脉冲拨号需要电信局中的操作员手工完成长途接续。双音多频的拨号键盘是44的矩阵，每一行代表一个低频，每一列代表一个高频。每按一个键就发送一个高频和低频的正弦信号组合，比如1相当于697和1209赫兹(Hz)。交换机可以解码这些频率组合并确定所对应的按键。本次课设的目的就是通过学习和掌握现代交换原理的基础上，设计一个双音多频检测模块并对电路进行仿真，综合应用所学知识，进行一次比较全面的训练，为今后的学习和工作积累经验。此外，该题目还涵盖了通信原理、电路分析、交换原理等主要课程的知识点，学生通过该题目的设计过程，可以初步掌握DTMF编/解码技术原理和相关电路设计、开发原理，得到系统的训练，提高解决实际问题的能力。2.2双音多频（DTMF）信号的组成双音多频信号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，广泛应用于电话通信系统中。近年来，双音多频信号也应用在交互式控制中，如在语言控制、语言邮件、电话银行和ATM 终端等的应用。音频拨号电话当人们按下某一个按键时，会产生一组特定的双音信号，称为双音多频信号，电话交换机会对该信号进行处理，根据两个单音频率来识别所按下的号码。将电话拨号盘上的数字09 和两个标有“*”和“#”的特殊按钮进行频率分配，如图所示。包括两个频率低频段包括的频率是697Hz，770Hz，852Hz 和941Hz，称为行频。高频段内含的频率 1209Hz，1336Hz，1477Hz，1633Hz，称为列频，它们可频率分配构成16 种频率组合，每一种组合由一对正弦频率信号唯一确定。其中第四列1633Hz 对应的按键目前并没有使用，留待将来扩展使用。 双频拨号的频率分配 列行1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz 123A770Hz 4 5 6 B852Hz 7 8 9C941Hz * 0 # D2.3DTMF信号的应用DTMF 信号即双音多频信号,最先用于程控电话交换系统来代替号盘脉冲信号。如图1：主叫用户摘机按键拨号后，电话号码所对应的DTMF信号通过电话线传到程控交换机中的DTMF接受电路，交换机中的微机识别被叫电话号码后，接通主被叫用户实现双方通话。DTMF信号还用于自动控制系统，如果把DTMF的发送电路用于主控系统，接受电路用于被控系统，就可以方便地组成有线或无线通信系统，如图2所示，其通道数视需要而定，16通道以内每通道只需编一位号码即可，若需要更多通道，则可象电话号码编号一样编为两位或两位以上的号码。2.4仿真软件介绍PROTEL软件概述PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100布通率。在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上。MATLAB软件概述MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。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。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。2.5电路设计中的核心器件MT8870MT8870 音调译码器（Tone Decoder）是MITEL 公司所开发生产为一颗常用复频译码IC，这个电路可以接收DTMF 信号，是一个完整的DTMF 接收器。它接收了DTMF 信号后，内部将信号分成高频带和低频带，并将此信号送至数字译码器，然后将讯号送至数字译码器以解出按键值，接着将解出的按键值以二进制的方式以四条线(Q1、Q2、Q3、Q4)输出到外部共享Bus 上，其MT8870 接脚说明如表1及内部结构如图2。值得一提的是，当MT8870 解出一个按键值且输出到外部时，其STD 接脚会由低态升为高态，经一段时间后再降为低态，我们便可利用此特点侦测到此脚有讯号时便马上将Q1-Q4 接脚所产生的值读入CPU，然后解出电话的按键值。MT8870在DTMF中的应用：MT8870组成收号电路，它的输入为来自模拟用户接口双音多频信号，输出为4位二进制数据，供处理器从数据总线读入。MT8870的功能模块图见图2。其收号过程如下：模拟信号从IN-脚引入后，经双音滤波器初步滤除带外干扰信号，随后，此滤出信号在经高群滤波器和低群滤波器分别滤出其中的高频和低频分量，这两种分量分别通过过零检测后送给数字检测计算电路；该电路对音频信号进行进一步的优化，能排除外部噪声因偶然含有默写特定频率而被编码器编码，或则影响编码器的编码，从而引起后续的收号错误。当高、低频组信号同时被编码器测到时，ESt脚将输出高电平作为有效检测DTMF信号的标志，而当DTMF信号消失时，ESt脚将输出低电平。为了防止外部噪声被MT8870误编码，编码器要求被编码的音频信号能维持一段时间，这段时间由外部的一个RC电路来决定。如前所述，当音频信号被检测到时。ESt输出高电平l，电容放电，VC上的电压值上升(假设信号在整个要求时间内部存在)，VC升到一个门限值VTST时，该音频信号被编码，变成了数字信号，该数字信号将被锁存起来，此时，GT就为高，使VC点的电压由门限值升到VDD，此后，只要ESt仍保持为高，GT就为高，外部的RC电路回到初始状态，随后，经过一段锁存操作引起的延时后，StD脚输出高电平，表示信号锁存完毕。这时，外部期间若要从D1D4上读这四位编码，应使TOE为高，打开锁存器，这就完成了DTMF的收号任务。MC74HC4511双列16脚封装，BCD-7段锁存或译码或驱动器，它将输入BCD标准代码变换成驱动七段数码管所需的码信号。它又称四线七段锁存译码器，其中四线A-D为BCD码输入端，高电平有效，A为低位输入端，D为高位输入端，七段a-g输出高电平以驱动共阴极数码管发光，LE为锁存控制端，高电平时能够锁存输入的BCD码，LT为灯侧试反相控制端，BI为消隐反相控制端。2.6主要参数设置检测DTMF信号的DFT参数选择 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。确定8KHz，N205，。第3章双音多频（DTMF）信号的产生与检测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，戈泽尔算法。3.1双音多频信号的产生DTMF双音频信号由两个二阶数字正弦振荡器产生，一个用来产生行音频信号，另个一产生列音频信号。DTMF 编解码器的音频信号产生部分是基于两个二阶的数字正弦波振荡器，一个产生行频，一个产生列频。振荡器的框图如下。假设时间连续的 DTMF信号用表示，式中是按照表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，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。产生DTMF信号的流程图3.2双音多频信号检测在接收端，要对收到的双音多频信号进行检测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。DTMF 信号检测流程图3.3MATLAB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。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)，则第4章双音多频（DTMF）信号的仿真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。4.1硬件连接图上图是利用Protel仿真软件实现的双音多频信号检测硬件图硬件连接图显示部分4.2仿真程序运行结果1、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。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=fix(TN/10(8-l); TN=TN-d*10(8-l); for p=1:4; for q=1:4; if tm(p,q)=abs(d); break,end % 检测码相符的列号q endif tm(p,q)=abs(d); break,end % 检测码相符的行号p end n=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(4,2,l); stem(K,val,.);grid;xlabel(k);ylabel(|X(k)|) % 画出DFT(k)幅度 axis(10 50 0 120) limit = 80; % for s=5:8; if val(s) limit, break, end % 查找列号 end for r=1:4; if val(r) limit, break, end % 查找行号 end TNr=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)2、运行结果：（1）、运行程序，根据提示键入8位电话号码12341234，然后回车。（2）、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幅频谱图如下图所示。（3）、左上角的第一个图在k=18和k=31两点出现峰值，所以对应第一位号码数字1。最后显示检测到的电话号码12341234。.第5章总结通过此次实验，我们对DTMF的基础知识有了个比较深刻的了解，掌握了DTMF的信号产生及信号检验的原理及方法，加深了对双音多频信号的产生与检测的理解，提高了利用交换原理知识处理系统问题的能力。并联系以往学习的知识，利用PROTEL仿真软件，使自己掌握了更多有用的知识。利用PROTEL仿真软件实现了对双音多频信号的产生与检测的仿真分析，可以得到理想的实验要求，并且更加深刻学生对双音多频信号的产生与检测的认识，通过本次试验，明显感受到利用PROTEL仿真软件是非常方便的，而且经济，这种仿真软件一定会在以后的课程设计中得到更广泛的应用。 通过对双音多频信号的产生与检测仿真实验，PROTEL仿真软件的实验结果非常接近理论值，而且比实际操作安全，方便。并且把理论与实践有效地结合在一起，有利于学生对交换原理-课程的学习。 通过这次课程设计，巩固了对双音多频信号的产生与检测的理解，同时掌握了