雙音多頻檢測模塊的設計說明

1、第 1 章緒論雙音多頻 DTMF(Dual Tone Multi-Frequency )信令，就是用兩個頻率 行頻和列頻來表示機鍵盤上的一個數字。 雙音多頻信號是音頻中的撥號信號， 由 美國 AT&T貝爾公司實驗室研制，并用于網絡中。這種信號制式具有很高的撥號 速度，且容易自動監(jiān)測識別，很快就代替了原有的用脈沖計數方式的撥號制式。 逐漸在全世界圍使用在按鍵式機上， 這種雙音多頻信號制式不僅用在網絡中， 還 可以用于傳輸十進制數據的其它通信系統(tǒng)中， 用于電子和銀行系統(tǒng)中。 這些系統(tǒng) 中用戶可以用發(fā)送 DTMF信號選擇語音菜單進行操作。作為實現快速可靠傳輸的 一種技術， 它具有很強的抗干擾能力和較

2、高的傳輸速度， 因此，可廣泛用于通信 系統(tǒng)中。但絕大部分是用作的音頻撥號。 另外，它也可以在數據通信系統(tǒng)中廣泛 地用來實現各種數據流和語音等信息的遠程傳輸。 近年來 DTMF也應用在交互式 控制中，諸如語言菜單、語言、銀行和 ATM 終端等。通過軟件產生與檢測 DTMF 信令，是一項較有價值的工程應用。 這是一種技術， 就是機上的一個按鍵按下去 時，機向交換機同時發(fā)送兩個頻率的信號， 告訴交換機按的是哪個按鍵， 以前采 用脈沖方式，速度慢，一共有 8個頻率的音頻信號，分為 2組，每組 4 個，兩兩 組合共可以代表 16 個按鍵，分別代表 0-9 、#、*等按鍵。第 2 章雙音多頻（ DTMF）

3、信號的設計2.1 設計目的及意義雙音多頻信號 （DTMF）是系統(tǒng)中機與交換機之間的一種用戶信令， 通常用于 發(fā)送被叫。雙音多頻信號是貝爾實驗室發(fā)明的， 其目的是為了自動完成長途呼叫。撥號有兩種， 脈沖和音頻，所謂音頻也稱雙音多頻 （DTMF）信號的撥號方式， 雙音多頻既是撥號時每按一個鍵， 有兩個音頻頻率疊加成一個雙音頻信號， 十二 個按鍵由七個音頻頻率區(qū)分。 在使用雙音多頻信號之前， 系統(tǒng)中使用一連串的斷 續(xù)脈沖來傳送被叫， 稱為脈沖撥號。 脈沖撥號需要電信局中的操作員手工完成長 途接續(xù)。雙音多頻的撥號鍵盤是 44的矩陣，每一行代表一個低頻，每一列代 表一個高頻。每按一個鍵就發(fā)送一個高頻和低

4、頻的正弦信號組合，比如 1 相當 于 697 和 1209赫茲（Hz） 。交換機可以解碼這些頻率組合并確定所對應的按鍵。 本次課設的目的就是通過學習和掌握現代交換原理的基礎上， 設計一個雙音多頻 檢測模塊并對電路進行仿真， 綜合應用所學知識， 進行一次比較全面的訓練， 為 今后的學習和工作積累經驗。此外，該題目還涵蓋了通信原理 、電路分析、交換原理等主要課程 的知識點，學生通過該題目的設計過程， 可以初步掌握 DTMF編/ 解碼技術原理和 相關電路設計、開發(fā)原理，得到系統(tǒng)的訓練，提高解決實際問題的能力。2.2 雙音多頻（ DTM）F 信號的組成雙音多頻信號作為實現快速可靠傳輸的一種技術， 它具

5、有很強的抗干擾能力 和較高的傳輸速度，因此，廣泛應用于通信系統(tǒng)中。近年來，雙音多頻信號也應 用在交互式控制中，如在語言控制、語言、銀行和 ATM 終端等的應用。音頻撥號當人們按下某一個按鍵時， 會產生一組特定的雙音信號， 稱為雙音 多頻信號， 交換機會對該信號進行處理， 根據兩個單音頻率來識別所按下的。 將 撥號盤上的數字 09 和兩個標有“ * ”和“#”的特殊按鈕進行頻率分配，如圖 所示。包括兩個頻率低頻段包括的頻率是 697Hz，770Hz，852Hz 和 941Hz，稱為 行頻。高頻段含的頻率 1209Hz，1336Hz， 1477Hz，1633Hz，稱為列頻，它們可 頻率分配構成 1

6、6 種頻率組合，每一種組合由一對正弦頻率信號唯一確定。其中 第四列 1633Hz 對應的按鍵目前并沒有使用，留待將來擴展使用。雙頻撥號的頻率分配列行1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123A770Hz456B852Hz789C941Hz*0#D2.3DTMF信號的應用DTMF信 號即雙音多頻信號 , 最先用于程控交換系統(tǒng)來代替號盤脈沖信號。如圖 1：主叫用戶摘機按鍵撥號后，所對應的 DTMF信號通過線傳到程控交換機中的DTMF接受電路，交換機中的微機識別被叫后，接通主被叫用戶實現雙方通話。DTMF信號還用于自動控制系統(tǒng)，如果把 DTMF的發(fā)送電路用于主控系統(tǒng)，接 受電路

7、用于被控系統(tǒng)， 就可以方便地組成有線或無線通信系統(tǒng)， 如圖 2 所示，其 通道數視需要而定， 16 通道以每通道只需編一位即可，若需要更多通道，則可 象編號一樣編為兩位或兩位以上的。2.4 仿真軟件介紹PROTEL軟件概述PROTEL是 PORTEL公司在 80 年代末推出的 EDA軟件，在電子行業(yè)的 CAD軟 件中，它當之無愧地排在眾多 EDA軟件的前面， 是電子設計者的首選軟件， 它較 早就在國開始使用， 在國的普及率也最高， 有些高校的電子專業(yè)還專門開設了課 程來學習它， 幾乎所有的電子公司都要用到它， 許多大公司在招聘電子設計人才 時在其條件欄上常會寫著要求會使用 PROTE。L早期的

8、 PROTEL主要作為印制板自動布線工具使用，運行在 DOS環(huán)境，對硬 件的要求很低，在無硬盤 286 機的 1M存下就能運行，但它的功能也較少，只有 電原理圖繪制與印制板設計功能，其印制板自動布線的布通率也低，而現今的 PROTEL已發(fā)展到 PROTEL（99網絡上可下載到它的測試板） ，是個龐大的 EDA軟件， 完全安裝有 200 多 M，它工作在 WINDOWS9環(huán)5境下，是個完整的板級全方位電子 設計系統(tǒng)， 它包含了電路原理圖繪制、 模擬電路與數字電路混合信號仿真、 多層印制電路板設計 （包含印制電路板自動布線） 、可編程邏輯器件設計、 圖表生成、 電子表格生成、支持宏操作等功能，并具

9、有 Client/Server （客戶/ 服務器）體 系結構，同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式，如ORCA，DPSPICE，EXCEL等，其多層印制線路板的自動布線可實現高密度 PCB的100布通率。在國 PROTEL 軟件較易買到，有關 PROTEL軟件和使用說明的書也有很多，這為它的普及提供 了基礎。想更多地了解 PROTEL的軟件功能或者下載 PROTEL9的9 試用版， 可以在 INTERNET上。MATLAB軟件概述MATLAB是矩陣實驗室（ Matrix Laboratory ）的簡稱，是美國 MathWorks公 司出品的商業(yè)數學軟件， 用于算法開發(fā)、 數據可視化、 數據分析

10、以及數值計算的 高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB和 Simulink 兩大部分。MATLAB是由美國 mathworks 公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式 程序設計的高科技計算環(huán)境。 它將數值分析、 矩陣計算、 科學數據可視化以及非 線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中， 為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全 面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran ）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和 Mathematica 、Maple 并

11、稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用 軟件中在數值計算方面首屈一指。 MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、 實現算法、創(chuàng)建用戶界面、接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控 制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形 式十分相似，故用 MATLAB來解算問題要比用 C，FORTRA等N語言完成相同的事情 簡捷得多，并且 MATLAB也吸收了像 Maple等軟件的優(yōu)點 ,使 MATLAB成為一個強 大的數學軟件。在新的版本中也加入了對 C，FORTRA，NC+ ，JAVA的支持。可

12、以直接調用 , 用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到 MATLAB函數庫中方便自 己以后調用，此外許多的 MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直 接進行下載就可以用。2.5 電路設計中的核心器件MT8870MT8870 音調譯碼器( Tone Decoder)是 MITEL 公司所開發(fā)生產為一顆常用 復頻譯碼 IC，這個電路可以接收 DTMF信 號，是一個完整的 DTMF接 收器。它接 收了 DTMF信 號后，部將信號分成高頻帶和低頻帶， 并將此信號送至數字譯碼器， 然后將訊號送至數字譯碼器以解出按鍵值， 接著將解出的按鍵值以二進制的方式 以四條線 (Q1、Q2、Q3、Q4)輸出

13、到外部共享 Bus 上，其 MT8870 接腳說明如表 1 及部結構如圖 2。值得一提的是，當 MT8870 解出一個按鍵值且輸出到外部時， 其 STD 接腳會由低態(tài)升為高態(tài)，經一段時間后再降為低態(tài)，我們便可利用此特 點偵測到此腳有訊號時便馬上將 Q1-Q4 接腳所產生的值讀入 CPU，然后解出的按 鍵值。R7R8VCC100K0.1 信號輸入100KY13.5 79545M5694GSVDDIN-OSC1St/GTEStOSC2Q4Q3Q2Q1OSC2StDTOEINHPWDNVSSIN+VRef31821778151MT8 87016 R913121114 100K IN5IN4IN3IN

14、210 174LS0 42 IN1C40.1 MT8870在 DTMF中的應用：MT8870組成收號電路，它的輸入為來自模擬用戶接口雙音多頻信號，輸出 為 4 位二進制數據，供處理器從數據總線讀入。 MT8870的功能模塊圖見圖 2 。其收號過程如下：模擬信號從 IN- 腳引入后，經雙音濾波器初步濾除帶外干擾信 號，隨后，此濾出信號在經高群濾波器和低群濾波器分別濾出其中的高頻和低頻 分量，這兩種分量分別通過過零檢測后送給數字檢測計算電路； 該電路對音頻信號進行進一步的優(yōu)化，能排除外部噪聲因偶然含有默寫特定頻率而被編碼器編 碼，或則影響編碼器的編碼，從而引起后續(xù)的收號錯誤。當高、低頻組信號同時

15、被編碼器測到時，ESt 腳將輸出高電平作為有效檢測 DTMF信號的標志，而當 DTMF 信號消失時， ESt 腳將輸出低電平。為了防止外部噪聲被 MT8870誤編碼，編碼 器要求被編碼的音頻信號能維持一段時間，這段時間由外部的一個RC電路來決定。如前所述，當音頻信號被檢測到時。 ESt 輸出高電平 l ，電容放電， VC上的 電壓值上升 （ 假設信號在整個要求時間部存在 ） ，VC升到一個門限值 VTST時，該 音頻信號被編碼，變成了數字信號，該數字信號將被鎖存起來，此時， GT 就為 高，使 VC點的電壓由門限值升到 VDD，此后，只要 ESt 仍保持為高， GT就為高， 外部的 RC電路回

16、到初始狀態(tài)，隨后，經過一段鎖存操作引起的延時后， StD 腳 輸出高電平，表示信號鎖存完畢。這時，外部期間若要從D1D4 上讀這四位編碼，應使 TOE為高，打開鎖存器，這就完成了 DTMF的收號任務。MC74HC4511雙列 16 腳封裝， BCD-7段鎖存或譯碼或驅動器，它將輸入 BCD標準代碼變 換成驅動七段數碼管所需的碼信號。它又稱四線七段鎖存譯碼器，其中四線 A-D為 BCD碼輸入端，高電平有效， A為低位輸入端， D為高位輸入端，七段 a-g 輸出高電平以驅動共陰極數碼管發(fā)光， LE 為鎖存控制端，高電平時能夠鎖存輸 入的 BCD碼，LT 為燈側試反相控制端， BI 為消隱反相控制端

17、。2.6 主要參數設置檢測 DTMF信號的 DFT參數選擇DFT 檢測模擬 DTMF信號所含有的兩個音頻頻率，是一個用 DFT對模擬信號 進行頻譜分析的問題。 根據第三章用 DFT對模擬信號進行譜分析的理論， 確定三 個參數：（1）采樣頻率 Fs ，（2）DFT的變換點數 N，（3）需要對信號的觀察時間 的長度 Tp 。這三個參數不能隨意選取，要根據對信號頻譜分析的要求進行確定。 這里對信號頻譜分析也有三個要求：（ 1）頻率分辨率，（2）譜分析的頻譜圍，（3）檢測頻率的準確性。確定 Fs8KHz，N205， Tp 40ms。第 3 章雙音多頻（ DTMF）信號的產生與檢測DTMF信號系統(tǒng)是一個

18、典型的小型信號處理系統(tǒng)，它要用數字方法產生模擬 信號并進行傳輸， 其中還用到了 D/A 變換器；在接收端用 A/D變換器將其轉換成 數字信號， 并進行數字信號處理與識別。 為了系統(tǒng)的檢測速度并降低成本， 還開 發(fā)一種特殊的 DFT算法，稱為戈澤爾 （Goertzel） 算法，這種算法既可以用硬件 （專用芯片)實現， 也可以用軟件實現。 下面首先介紹雙音多頻信號的產生方法和檢 測方法，戈澤爾算法。3.1 雙音多頻信號的產生DTMF雙音頻信號由兩個二階數字正弦振蕩器產生，一個用來產生行音頻信 號，另個一產生列音頻信號。 DTMF編 解碼器的音頻信號產生部分是基于兩個二 階的數字正弦波振蕩器，一個產

19、生行頻，一個產生列頻。振蕩器的框圖如下。假設時間連續(xù)的 DTMF信號用 x(t) sin(2 f1t) sin(2 f2t) 表示，式中 f1和f2 是 按照表 1 選擇的兩個頻率， f1代表低頻帶中的一個頻率， f2 代表高頻帶中的一 個頻率。顯然采用數字方法產生 DTMF信號，方便而且體積小。下面介紹采用數 字方法產生 DTMF信號。規(guī)定用 8KHz對 DTMF信號進行采樣，采樣后得到時域離 散信號為x(n) sin(2 f1n / 8000) sin(2 f2n/8000)形成上面序列的方法有兩種， 即計算法和查表法。 用計算法求正弦波的序列 值容易，但實際中要占用一些計算時間， 影響運

20、行速度。 查表法是預先將正弦波 的各序列值計算出來， 寄存在存儲器中， 運行時只要按順序和一定的速度取出便 可。這種方法要占用一定的存儲空間，但是速度快。因為采樣頻率是 8000Hz，因此要求每 125ms 輸出一個樣本，得到的序列再 送到 D/A 變換器和平滑濾波器，輸出便是連續(xù)時間的 DTMF信號。 DTMF信號通過 線路送到交換機。產生 DTMF信號的流程圖3.2 雙音多頻信號檢測在接收端，要對收到的雙音多頻信號進行檢測個正弦波的頻率是多少， 以判 斷所對應的十進制數字或者符號。 顯然這里仍然要用數字方法進行檢測， 因此要 將收到的時間連續(xù) DTMF信號經過 A/D 變換，變成數字信號進

21、行檢測。檢測的方 法有兩種，一種是用一組濾波器提取所關心的頻率， 根據有輸出信號的 2 個濾波 器判斷相應的數字或符號。另一種是用 DFT（ FFT）對雙音多頻信號進行頻譜分 析，由信號的幅度譜，判斷信號的兩個頻率，最后確定相應的數字或符號。當檢 測的音頻數目較少時， 用濾波器組實現更合適。 FFT是 DFT的快速算法， 但當 DFT 的變換區(qū)間較小時， FFT快速算法的效果并不明顯，而且還要占用很多存，因此 不如直接用 DFT合適。DTMF信 號檢測流程圖3.3MATLAB工具箱函數 goertzelGoerztel 函數的調用格式為：Xgk=goertzel(Xn,K)Xn是被變換的時域序

22、列，用于 DTMF信號檢測時， Xn就是 DTMF信號的 205個采 樣值。K是要求計算的 DFTXn的頻點序號向量，用 N表示 Xn的長度，則要求 1KN。 由表 2 可知，如果只計算 DTMF信號 8 個基頻時，K=18，20，22，24，31，34，38，42， 如果同時計算 8 個基頻及其二次諧波時，K=18，20，22，24，31，34，35，38，39，42，43，47，61，67，74，82。Xgk 是變換結果向量，其中存放的是由 K 指定的頻率點的 DFTx(n) 的值。設 X(k)=DFTx(n) ，則 Xgk(i) X(K(i), i 1,2,L ,length(K)第 4

23、 章雙音多頻（ DTMF）信號的仿真DTMF信號的產生與識別仿真實驗在 MATLAB環(huán)境下進行，編寫仿真程序，運 行程序，送入 8 位，程序自動產生每一位數字相應的 DTMF信號，并送出雙頻聲 音，再用 DFT進行譜分析，顯示每一位數字的 DTMF信號的 DFT幅度譜，安照幅 度譜的最大值確定對應的頻率，再安照頻率確定每一位對應的數字，最后輸出 8 位。4.1 硬件連接圖上圖是利用 Protel 仿真軟件實現的雙音多頻信號檢測硬件圖硬件連接圖顯示部分行頻率向量列頻率向量 輸入 8 位數字接收端初值為零DTMF信號代表的 16 個數檢測碼相符的列號 q4.2 仿真程序運行結果1、程序分四段：第一

24、段（ 27行）設置參數，并讀入 8位；第二段（ 920行） 根據鍵入的 8 位產生時域離散 DTMF信號，并連續(xù)發(fā)出 8 位對應的雙音頻聲音； 第三段（ 2225行）對時域離散 DTMF信號進行頻率檢測，畫出幅度譜；第四段 （2633 行）根據幅度譜的兩個峰值，分別查找并確定輸入 8 位。 程序清單如下：% DTMF雙頻撥號信號的生成和檢測程序 %clear all;clc;tm=1,2,3,65;4,5,6,66;7,8,9,67;42,0,35,68; %N=205;K=18,20,22,24,31,34,38,42; f1=697,770,852,941; % f2=1209,1336,

25、1477,1633; % TN=input( 鍵入 8 位= );%TNr=0; % 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 %end if tm(p,q)=abs(d); break,end % 檢測碼相符的行號 pendn=0:1023; % 為了發(fā)聲，加長序列x = sin(2*pi*n*f1(p)/8000) + sin(2*pi*n*f2(q)/8000);%構成雙頻信號sound(x,8000); % 發(fā)出聲音pause(0.1)% 接收檢

26、測端的程序X=goertzel(x(1:205),K+1); %DFT樣本val = abs(X);%subplot(4,2,l);stem(K,val,.);grid;xlabel(k);ylabel(|X(k)|) %度axis(10 50 0 120) limit = 80; % for s=5:8;if val(s) limit, break, end % end for r=1:4;if val(r) limit, break, end % end TNr=TNr+tm(r,s-4)*10(8-l);end用 Goertzel 算法計算八點列出八點 DFT向量畫出 DFT（k） 幅查

27、找列號查找行號% 顯示接收到的字符disp( 接收端檢測到的為： ) disp(TNr) 2、運行結果：（1）、運行程序，根據提示鍵入 8位 12341234，然后回車。（2）、回車后可以聽見 8 位對應的 DTMF信號的聲音，并輸出相應的 8 幅頻譜圖 如下圖所示。（3）、左上角的第一個圖在 k=18和 k=31兩點出現峰值，所以對應第一位數字 1 最后顯示檢測到的 12341234。 .第 5 章總結通過此次實驗，我們對 DTMF的基礎知識有了個比較深刻的了解， 掌握了 DTMF 的信號產生及信號檢驗的原理及方法， 加深了對雙音多頻信號的產生與檢測的理 解，提高了利用交換原理知識處理系統(tǒng)問題的能力。 并聯(lián)系以往學習的知識， 利 用 PROTEL仿真軟件， 使自己掌握了更多有用的知識。 利用 PROTEL仿真軟件實現 了對雙音多頻信號的產生與檢測的仿真分析， 可以得到理想的實驗要求， 并且更 加深刻學生對雙音多頻信號的產生與檢測的認識， 通過本次試驗， 明顯感受到利 用 PROTEL仿真軟件是非常方便的，而且經濟，這種仿真軟件一定會在以后的課 程設計中得到更廣泛的應用。通過對雙音多頻信號的產生與檢測仿真實驗， PROTEL仿真軟件的實驗結果非 常接近理論值， 而且比實際操作安全， 方便。 并且把理論與實踐有效地結合在一 起，有利于學生對交換原理 - 課程的學習。通過這