双音多频信号的产生和检测

摘要

所谓双音多频(DTMF )，就是用两个频率一一行频和列频来表示电话机键盘上的一个数字。DTMF电话的指令正在迅速的取代脉冲指令。除了在电话呼叫信号中使用外，DTMF

还广泛的使用在交互式控制应用，例如电话银行、电子邮件甚至家电远程控制等，用户可以

从电话机发送DTMF信号来做菜单选择。

本文基于MATLAB的双音多频拨号系统的仿真实现。主要涉及到电话拨号音合成的基本原理及识别的主要方法，利用MATLAB软件以及GOERTZEL算法实现对电话通信系统

中拨号音的合成与识别。并进一步利用MATLAB中的图形用户界面GUI制作简单直观的模拟界面，根据提示输入8位电话号码，通过按下输入键可以听见8位电话号码对应的DTMF 信号的声音，通过按下解码键可输出相应的8幅频谱图，并显示检测到的电话号码。

关键词：多音双频MATLAB GOERTZEL算法频谱图

第一章、绪论

1 • 1研究背景及意义

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。

1.2研究内容及任务说明

DTMF编码，是将电话拨号盘上的数字0~9，字母A~D,及*、#，共16个字符，用音频范围的8个频率表示出来，具体来说，将8个频率分为高频群和低频群两组，分别作为列频和行频，每一个键的频率模式由来自于列频和行频的两个频率叠加而成。

要求生成8位电话号码的DTMF信号，并在接受端进行检测。生成和检测模块要求分开。

第二章双音频信号产生与检测的原理和内容

2.1双音频信号产生与检测的原理介绍

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：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sin(2f1t) sin(2f2t)表示，其中f1 = 679Hz ,

12

°9Hz 。这样8个频率形成16种不同的双频信号。

表1所示。

行、、

1209Hz 1336Hz 1477Hz 633Hz

697Hz 1 2 3 A 770Hz 4 5 6 B 852Hz 7 8 9 C 942 Hz

*

#

D

表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。

2.2电话中的双音多频(DTMF )信号的产生与检测 2.2.1双音多频信号的产生

假设时间连续的DTMF 信号用X(t)二Si 门(2一和)• Si n(2二f 2t)表示，式中f 1和f 2是按照

表1选择的两个频率，f 1代表低频带中的一个频率，

f 2

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

x(n) =si n(2f n/8000) si n(2f 2 n/8000)

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。

2.2.2基于短时能量公式和 Goertzel 算法的双音多频信号分离及检测

(1 )在接收端，首先要对一组 8位电话号码组成的 DTMF 信号进行分离。本设计通过计算

短时能量来分离每一段信号。

如果这个能量高于一个确定的阈值至少 10ms ，我们就认为DTMF 信号产生了。

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，

具体号码以及符号对应的频率如

2X + 1