双音多频DTMF信号的MATLAB仿真

数字信号处理

课程设计

《双音多频（DTMF）信号的MATLAB仿真》

院系：闽江学院计算机科学系

专业：通信工程

组长:蔡小红

组员：王垚天何杰坤

王晓清苏月琴

罗烨

指导老师：方荟

时间：2015年1月5日-2015年1月9日

双音多频（DTMF）信号的MATLAB仿真

任务分配安排表

目录

一、摘要

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，应用D/A变换器，采用快速的频率检测算法——戈泽尔（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。对读入的电话号码，根据键入的号码数产生时域离散双音多频（DTMF）信号，并连续发出号码对应的双音频声音。同时进行时域离散DTMF信号进行检测，画出幅度谱，并用MATLAB在计算机上对双音多频的信号产生及检测接收系统进行了仿真测试。

关键词双音多频戈泽尔算法DFT

二、引言

DTMF（Double?Tone?MulitiFrequency,双音多频）作为实现电话号码快速可靠传输的一种技术，具有很强的抗干扰能力和较高的传输速度，广泛用于电话通信系统中。另外，它也可以在通信系统中广泛用来实现各种数据和语音等信息的远程传输，技术非常成熟、专业芯片种类繁多，在民用、金融、工业等领域的应用非常普及，甚至有通过软件来产生和检测DTMF信令方面的应用。但随着现代工业的持续发展，利用DTMF信令作为通信系统中的控制信号的通信设备正遭受着前所未有的各种日益复杂的干扰，尤其是与DTMF信令的同频干扰，使通信设备频频出现误动作等严重事故，所以消除与DTMF同频干扰已是利用该控制方式控制的通信系统不得不解决的一个问题。

三、设计要求

设计要求

（1）按一个数字键如“1”，则产生频率为697Hz和1209Hz的两个正弦波，并相加；

（2）可用查表法求数字键对应的频率，为此先建立拨号数字表矩阵；

（3）电话音频信号在数字信号处理时，取样频率为8KHz，每个数字信号持续时间为100ms，后面加上100ms的间隔（用0表示）；

（4）设计好各按键提示音，并能播放演示；

（5）编制GUI用户界面；

设计步骤

（1）总体设计搭建框架，确定人机对话界面，确定输入输出函数接口；

（2）编写主要程序，包括戈泽尔算法和N点DFT；

（3）编写实现输入输出功能的程序；

（4）编写波形输出程序；

（5）用matlab的相应函数进行检验；

（6）编写GUI，并绑定各功能，加以实现。

设计程序

读入电话号码，根据键入的电话号码产生时域离散双音多频（DTMF）信号，并连续发出号码对应的双音频声音。对时域离散DTMF信号进行频率检测，画出幅度谱。根据幅度谱的两个峰值，分别查找并确定输入电话号码，并将其拨号并响应。

设计GUI

实现更加友好的人机对话的界面，加入了界面窗口，各种数据可以从窗口直接输入，并且设置开始按钮和清除按钮，可以从窗口选择六位或者八位电话号码的输入，在窗口中可以直接显示出电话号码基频的幅值，简洁、方便。

图3.4.1具体的界面窗口。

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，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，用到了D/A 变换器。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。

3.5.1电话中的DTMF 信号的组成

过去的电话拨号时靠脉冲计数确定0-9这10个数字的，不仅拨号速度慢，也不能扩展电话上网其他服务功能。现在均采用双音拨号。在电话中，数字0-9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(21t f t f ππ+

表示，其中Hz f 6791=，Hz f 12092=。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。

表1双频拨号的频率分配

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。

3.5.2电话中的双音多频（DTMF ）信号的产生

DTMF 编码器基于两个二阶数字正弦波振荡器，一个用于产生行频，一个用于产生列频。典型的DTMF 信号频率范围是700~1700Hz ，选取8000Hz 作为采样频率，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，另一个产生列音频信号。在电话键盘上的每次按键会产生式表示的两个音调之和。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()(21n f n f n x ππ+=……………………………………①

两个频率f1,f2唯一确定了被按压的键。具体数字对应的两个频率如上表1所示。

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。本实验采用查表法即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。

3.5.3 Goerztel函数与DTMF信号的产生

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函数的调用格式为：

Xgk=goertzel(xn,K)………………………………………②

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

Xgk i X K i i K

==L……………………③

()(()), 1,2,,length()

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，拨打电话号码。对不同号码发生模拟响应。

四、设计过程

1.设置参数并读入电话号码。设置每位号码所对应的高频分量和低频分量。

2.根据键入的电话号码产生相应的时域离散DTMF信号，添加拨号程序（），连续发出电话号码对应的双频声音，并模拟拨号，程序根据所拨号码响应。

3.键入按键时对时域离散DTMF信号进行检测，画出幅度谱发生响应。

4.设计GUI界面将程序可视化。

5.界面优化，素材整合。

五、调试与结果

运行结果如下图所示

图5.1.1 图拨打10000结果

键入电话号码: 10000，接收端接检测的号码为：10000，同时播放语音，对时域离散DTMF信号进行数据检测，拨其他号码时语音提示所拨打号码为空号。

调试中遇到的问题及解决方法

（1）音乐播放函数报错，经过查找后改用audiopiayer函数实现功能。

（2）使用matlab全局变量时遇到问题，通过使用global定义变量,并在每个使用到的地方先声明全局变量来解决问题。

（3）对gui界面使用不熟悉，通过网上教学视频学习gui的界面设计。六、分析和总结

小组总结

通过本次课程设计，首先使我们对于双音多频拨号有了更全面的认识和理解，双音多频拨号是现在最常用的拨号系统，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及941Hz；高频带也有四个频率：1209Hz、

1336Hz、1477Hz及1633Hz。每一个数字均由高、低频带中各一个频率构成。其次，对于数字信号处理中很多理解不清晰的问题也加深了理解，也对DFT有了更深一层的理解，并且学习到计算DFT的新算法: Goerztel函数，更加方便了DFT的计算。若有机会接触到双音多频，可针对音频信号的频率检测进行深一步的研究双音频，如作为控制信号时，可以在有线网络或无线网络中通过广播形式发出,实现有效的通信识别和可靠的远程控制,以保证广播系统运行的安全和稳定等实际生活中的运用。

再次，对于MATLAB的设计也更加清晰明了，matlab用起来挺顺手的，比C 语言简单。但是用到细节处的时候却困难重重，因为很多知识都没有学习，就算知道函数名，也不知道如何调用。通过自己查询相关资料，克服了相关的问题，使自己对MATLAB的认识及应用也进入了一个新的层次。

总而言之，通过本次试验，加深了对于Matlab的了解，同时复习了数字信号方面的相关知识，对于还不太清楚的相关知识，通过进一步的查找得到了很好的解决。了解了双音多频信号的产生、包括对双音多频信号进行DFT时的参数选择等的相关知识。在做MATLAB界面，做好以后同时会产一个M文件，只要把代码编写在对应的控件中即可以方便的实现仿真。实验结果表明基于MATLAB的DTMF编解码具有速度快、精度高、稳定性好以及便于灵活应用等特点。而利用MATLAB语言可以较好地、快速地进行算法的仿真。

成员总结

何杰坤：通过这次课程设计，对用GUI做界面有了更深的认识，也对用MATLAB做音频处理有了一些基础的认识；让我学到了很多知识，也学习到了很多和matlab相关的知识。虽然只是模拟通话，但是我还是希望在硬件实现上有所提高。

蔡小红：课程设计使我熟悉基本的Matlab仿真的使用，还意识到英文水平的重要性，我们学习通信专业的，还需要了解更多的专业英文，此外这次课程设计还加深了对于数字信号处理原理知识的理解。

王晓清：通过本次课程设计，对MATLAB软件有了更深刻的了解和应用，把动手设计和课本知识紧密的联系起来。明白团队意识的重要性，最后让自己对设计报告的编写有了新的认识。

苏月琴：学习到关于matlab的一些新知识。对团队力量有了新的认识。意识到团队的重要，和前期策划的重要。认识到自己还需加强团队合作能力。

罗烨：在这次课设中，我不仅学到了很多编程知识，更学到了遇到问题时解决的方法。并且意识到在一个项目里团队合作比任何都来得重要。

王垚天：这次课程设计最大的感想是不管学什么东西，都要自己真真实实的动手去做。因为我自己本来偏向于网络硬件方面的，对软件一直不是很擅长，但是在课程设计中，自己真的去思考一个功能的实现，一个代码的编写时，才突然发现其实并没有想象中那么困难。

七、参考文献

1.《数字信号处理课程设计指导书》

2．《数字信号处理教程》，程佩青，清华大学出版社，2007

3．《MATLAB数字信号处理与应用》，李正周，北京清华大学出版社，2008

4.《双音多频信号产生及解码研究》赵霞，微电子学，2001年，第6期

5.数字信号处理及MATLAB实现，余成波、杨菁、杨如民、周登义，清华大学出版社，2005

八、附录：主要程序

function varargout = main(varargin)

gui_Singleton = 1;

gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ...

'gui_Singleton', gui_Singleton, ...

'gui_OpeningFcn', @main_OpeningFcn, ...

'gui_OutputFcn', @main_OutputFcn, ...

'gui_LayoutFcn', [] , ...

'gui_Callback', []);

if nargin && ischar(varargin{1})

= str2func(varargin{1});

end

if nargout

[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else

gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});

end

function main_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) = hObject;

guidata(hObject, handles);

function varargout = main_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout{1} = ;

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

global num_string;

global bool;

num_string=strcat(num_string,'1');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(1);

else

Signal(1);

end

function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)

global num_string;global bool;

num_string=strcat(num_string,'2');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(2);

else

Signal(2);

end

function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles) global num_string;global bool;

num_string=strcat(num_string,'3');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(3);

else

Signal(3);

end

function pushbutton4_Callback(hObject, eventdata, handles) global num_string;global bool;

num_string=strcat(num_string,'4');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(4);

else

Signal(4);

end

function pushbutton5_Callback(hObject, eventdata, handles) global num_string;global bool;

num_string=strcat(num_string,'5');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(5);

else

Signal(5);

end

function pushbutton6_Callback(hObject, eventdata, handles) global num_string;global bool;

num_string=strcat(num_string,'6');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(6);

else

Signal(6);

end

function pushbutton7_Callback(hObject, eventdata, handles) global num_string;global bool;

num_string=strcat(num_string,'7');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(7);

else

Signal(7);

end

function pushbutton8_Callback(hObject, eventdata, handles) global num_string;global bool;

num_string=strcat(num_string,'8');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(8);

else

Signal(8);

end

function pushbutton9_Callback(hObject, eventdata, handles) global num_string;global bool;

num_string=strcat(num_string,'9');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(9);

else

Signal(9);

end

function pushbutton10_Callback(hObject, eventdata, handles) global num_string;global bool;

num_string=strcat(num_string,'*');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(42);

else

Signal(42);

end

function pushbutton11_Callback(hObject, eventdata, handles) global num_string;global bool;

num_string=strcat(num_string,'0');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(0);

else

Signal(0);

end

function pushbutton12_Callback(hObject, eventdata, handles) global num_string;global bool;

num_string=strcat(num_string,'#');

set,'string',num_string);

if bool==0;

Music(35);

else

Signal(35);

end

function pushbuttonCall_Callback(hObject, eventdata, handles) global bool;

global num2_string;

global num_string;

num2_string=num_string;

num_string='';

Call();

if str2num(num2_string)==10000;

bool=1;

Music(10000);

else

Music(11);

end

set,'string',num2_string);

set,'string','');

function pushbuttonDown_Callback(hObject, eventdata, handles) global num_string;

global music;

global bool;

bool=0;

num_string='';

set,'string','');

set,'string','');

music=0;

function text1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)

function text2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)

function y=Signal(d);

tm=[1,2,3,65; 4,5,6,66; 7,8,9,67; 42,48,35,68];

N=205;

Fs=8000;

K=[18,20,22,24,31,34,38,42];

f1=[697,770,852,941];

f2=[1209,1336,1477,1633];

for p=1:4;

for q=1:4;

if tm(p,q)==abs(d); break;end

end

if tm(p,q)==abs(d); break;end

end

n=0:1023;

y = sin(2*pi*n*f1(p)/Fs) + sin(2*pi*n*f2(q)/Fs); sound(y,Fs);

X=goertzel(y(1:205),K+1);

val=abs(X);

stem(K,val,'.');grid on;xlabel('k');ylabel('|X(k)|');

function v=Call();

global num2_string;

tm=[1,2,3,65; 4,5,6,66; 7,8,9,67; 42,0,35,68];

Fs=8000;

f1=[697,770,852,941];

f2=[1209,1336,1477,1633];

TN=str2num(num2_string);

len=length(num2_string);

for l=1:len;

d=fix(TN/10^(len-l));

TN=TN-d*10^(len-l);

for p=1:4;

for q=1:4;

if tm(p,q)==abs(d); break;end

end

if tm(p,q)==abs(d); break;end

end

n=0:1023;

y = sin(2*pi*n*f1(p)/Fs) + sin(2*pi*n*f2(q)/Fs);

sound(y,Fs);

pause;

end

function Music(d);

global music;

tm=[1,2,3,65; 4,5,6,66; 7,8,9,67; 42,0,35,68];

N=205;

Fs=8000;

K=[18,20,22,24,31,34,38,42];

f1=[697,770,852,941];

f2=[1209,1336,1477,1633];

for p=1:4;

for q=1:4;

if tm(p,q)==abs(d); break;end

end

if tm(p,q)==abs(d); break;end

end

hfile =[int2str(d),'.wav'];

[y, Fs, nbits] = wavread(hfile);

music=audioplayer(y,Fs);

play(music);

n=0:1023;

y = sin(2*pi*n*f1(p)/8000) + sin(2*pi*n*f2(q)/8000); X=goertzel(y(1:205),K+1);

val=abs(X);

stem(K,val,'.');grid on;xlabel('k');ylabel('|X(k)|');

end