电话拨号音的合成与识别

实验题目：电话拨号音的合成与识别

课程简要信息

课程名称：信号与系统仿真实验

课程学时：16课时

项目学时：课内

适用专业：电子信息工程、通信工程

学生年级：大三

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

（1）图形电话拨号面板制作 ：利用MATLAB中 GUI 图形用户界面设计工具制作电话拨号面板，把 DTMF 信号和电话机的键盘矩阵对应起来。

要求：界面整洁美观。

2. DTMF 信号合成 ：对图形电话拨号面板上的各控件单位的动作和变化进行设置，完成回调函数。使对应的按键按照规定的频率组合产生相应的拨号音，完成对应行频及列频的叠加输出。

要求：按键的号码数字正确显示在拨号显示窗口中，并能用耳机测试出不同按键产生的拨号音。

3. DTMF 信号检测识别 ：采用 FFT 算法对信号进行解码分析，首先对接收到的数字信号作 FFT 分析，计算出其幅度谱，进而得到功率谱，组成输入信号的频率必定对应功率谱的峰值，从而确定 DTMF 信号所代表的数字或功能。

要求：识别通信录，模拟展示来电显示。

4. 拓展任务：对拨号音信号进行加噪和识别，对给定的拨号音信号添加白噪声，通过控制信噪比参数，实现不同噪声强度对加噪后的拨号音进行时频分析，以及号码识别尝试记录能够正确识别的最低信噪比。

要求：GUI界面展示加噪拨号音时域和频域波形。

相关知识及背景（限150字）

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

早期的脉冲拨号电话系统需要大量的操作员手工完成长途接续（效率低、易出错）。贝尔实验室的科学家们发明了双音多频（Dual Tone Multi-Frequency，DTMF，用两个特定的单音频率信号的组合来代表数字或功能，目的是为了能让电话系统自动接收号码然后完成呼叫），包括模数转换过程，是电话通信系统中的基础技术，拨号音的合成与识别涉及到信号的时域和频域分析。

表1 DTMF对应频率表

实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

硬件设备 ：计算机、声卡、耳机或音箱等音频输出设备。

软件平台 ：MATLAB 软件，用于制作GUI界面，并编写程序实现电话拨号音的合成与识别。

教学目标与目的（限150字）

如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。

知识目标 ：学生能够描述电话拨号音的合成与识别的产生过程，理解模拟信号和数字信号的转换原理。

能力目标 ：学生能够利用MATLAB中的图形用户界面GUI制作简单直观的模拟界面，并能灵活利用MATLAB软件以及FFT算法实现对电话通信系统中拨号音的合成与识别。

素养目标 ：学生能够认识到通信技术在日常生活中的重要性，培养对专业的认同感和学习成就感，提高对工程应用、科学研究的积极性和主动性。

教学设计与实施进程

课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

本实验的过程是一个比较完整的实践工程，需要经历学习研究、界面设计、回调函数调试、测试效果、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对课堂教学的设计。

设计思路：

实验设计突出“原理性”、“趣味性”、“综合性”和“实用性”。从学生感兴趣的角度（新闻事件）导入实验内容；拓展学习内容（电话拨号系统的发展历程、各类密码保护技术等）；分析回顾时域抽样定理、信号傅里叶分析；阐述双音多频的实验原理；学生动手设计、优化、调试、讨论、总结提升。实验过程中注重师生互动。

从教学痛点出发，丰富教学内容，优化教学手段，改进教学方法，提升学生的学习兴趣和注意力，充分调动学生的实验课堂的参与度，加强学习效果。学生通过设计电话拨号GUI界面（app）并编程实现电话拨号音的合成和识别，初步建立了工程设计的系统思维并提升了编程能力；学生通过计算拨号音的数字频率、利用傅里叶变换对实际信号进行频谱分析，并绘制拨号音的频谱图，加深了对信号与系统理论知识的理解。通过课堂教学使学生掌握了“双音多频”、“白噪声”、“信噪比”等通信、信号处理中的基本概念；通过课堂讨论密码保护技术，拓展了学生的知识面，锻炼了学生多元化思维；通过生活场景的对接，使学生感受到科学技术服务于生活，并引出“科技是双刃剑”的思政元素，强调科技工作者、工程设计者正确价值观的重要性。

实施步骤：五星教学法

案例导入：提升课程的实用性和趣味性，调动学生的关注度。

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课堂讲授：教师通过讲解，使学生了解电话拨号音的基本原理和产生机制，包括如何在Matlab中设计GUI界面和回调函数的编写、双音多频 DTMF 信号的原理、模拟信号与数字信号转换等知识。

实验操作：学生一人一组，在教师的指导下，按照实验内容和步骤，利用 MATLAB 软件进行电话拨号音合成与识别的实验操作。包括制作图形电话拨号面板、合成拨号音、检测识别拨号音等。

小组讨论：学生进行小组讨论，交流实验过程中遇到的问题和解决方案，教师进行巡视指导，引导学生主动思考和探索，提高学生的分析和解决问题的能力。

拓展学习：分析了解白噪声的频谱特性，通过添加白噪声，直观了解信噪比的概念，探讨发出拨号音从而拨通电话的可行性，了解人类语音信号的特点。了解银行内按键音与双音多频的区别，以及手机银行密码按键音演进的原因以及各类密码保护技术等。

总结归纳：教师对学生的实验结果进行考评和归纳总结，强调实验中的重点和难点，解答学生在实验过程中存在的疑问，使学生对电话拨号音合成与识别的原理和方法有更深入的理解。

在设计中，要注意学生设计和编程的规范性；如按键标号的顺序和回调函数的对应，拨号音行频和列频的计算；要注意学生界面设计的美观性；在调试分析中，要细致耐心，不只是追求结果，重视实验过程和排错的总结。

课后为学有余力的同学创设实验条件，鼓励有需求的学生继续独立或者合作完成开放实验，加入噪声信号之后，实现界面的优化和信号的提取。

实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

信号合成原理：根据 DTMF 信号的频率组合规则，利用正弦函数生成对应的低频和高频信号，然后将两者相加，即可得到拨号音信号。例如，按下数字键 “1” 时，会产生 697Hz 和 1209Hz 两个频率的正弦波信号，将这两个信号相加，就得到了代表数字 “1” 的拨号音信号。

鉴于 CCITT 对 DTMF 信号规定的指标，这里每个数字信号取 1000 个采样点模拟按键信号，并且每两个数字之间用 100 个 0 来表示间隔来模拟静音。以便区别连续的两个按键信号。间隔的静音信号也是在按键时产生的。

模拟信号数字化：DTMF最高频率1633Hz，选择采样率8192Hz满足时域抽样定理。

频率的换算关系（以数字0键为例）：

由表 1 中 0 键对应的 ,计算得出，

已知声音取样频率 ，

则取样后

,

d0=sin(0.7217*n)+sin(1.0247*n)

% 按键 0 的响应函数

function varargout = pushbutton0_Callback(h, eventdata, handles, varargin)

n=[1:1000]; % 每个数字 1000 个采样点表示

d0=sin(0.7217*n)+sin(1.0247*n); % 对应行频列频叠加

n0=strcat(get(handles.edit1,'string'),'0'); % 获取数字号码

set(handles.edit1,'string',n0); % 显示号码

space=zeros(1,100); %100 个 0 模拟静音信号

global NUM

phone=[NUM,d0];

NUM=[phone,space]; % 存储连续的拨号音信号

wavplay(d0,8192); % 产生拨号音

依此类推，算出其他按键的数字频率并编写回调函数。

对于保留的两个功能键“ *”和“＃”，按照现行键盘式拨号电话的习惯，将“ *”作为删除键，“＃”作为确认键。“ *”删除键的作用是将前面拨错的号码删除退回，表现为将显示窗口已经显示的错误号码退回一位数字，并且将连续拨号音信号的存储单元 NUM 中退回一位拨号音信号和静音信号。删除可以进行连续的操作。“＃”确认键的作用是将前面拨过的号码进行确认保留，意味着此时连续拨号音信号的存储单元 NUM 中的信号即为最后用于识别的连续拨号音 DTMF 信号，并在显示窗口中显示“＃”号作为标记。

信号识别原理：要实现电话拨号音（ DTMF ）信号的检测识别，可以通过直接计算傅里叶变换得到输入信号的组成频率。这里采用 FFT 算法对信号进行解码分析。首先对接收到的数字信号作 FFT 分析，计算出其幅度频谱，进而得到功率谱，组成输入信号的频率对应功率谱的峰值。对于连续的双音多频（ DTMF ）信号，需要把有效的数字拨号信号从静音间隔信号中分割提取出来，然后再用 FFT 算法对信号进行解码分析。

信号在频域能够呈现出时域不易发现的性质和规律，傅里叶变换能够将信号从时域变换到频域，便于在频域对信号的特性进行分析。

时域离散信号x（n）的傅里叶变换定义如下：

在实际中，傅里叶变换通常使用快速傅里叶变换FFT实现，而FFT实则用离散傅里叶变换（DFT）的快速算法。x[n]的DFT定义如下

因此实际中使用FFT对信号进行频域傅里叶分析时，必须遵循DFT应用的要求，即FFT的点数应大于等于信号的序列长度。在程序设计中应留意这一点。

确定行频和列频的数值范围是通过计算得出的：已知输入信号的取样频率 ，而做FFT的N=2048，则频谱分辨率为 ，由此可算出频谱图上任意点对应的频率 。例如，数字8的高、低端频率为，则在谱图上对应的点。

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），如：

实验报告需要反映以下工作：

实验目的 ：简要说明本次实验的目的和意义。

实验原理 ：阐述电话拨号音合成与识别的基本原理，包括 DTMF 信号的产生和检测方法。

实验内容 ：详细描述实验的具体内容和步骤，包括图形电话拨号面板的制作、拨号音的合成与识别过程等。

实验结果 ：给出实验中得到的拨号音信号波形图、频谱图等结果，并对结果进行分析和讨论，说明实验结果是否符合预期，以及出现的问题和解决方案。

实验总结 ：总结本次实验的收获和体会，包括对电话拨号音合成与识别原理的理解、实验技能的提高等方面。

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

课堂表现：评估学生在课堂上的参与度、提问回答、小组讨论等，以考察学生的学习态度和积极性。

评分标准：不做其他无关事情跟着老师的节奏完成任务（80+）；积极思考、及时回答老师的提问（85+）；充分参与小组讨论并发表见解（90+）；能完成拓展任务（95+）；其他被动参与的表现老师视情况给予评分（80-）。

实验报告：根据学生提交的实验报告的完整性和准确性，评估学生对实验内容的掌握程度和分析问题的能力。

评分标准：根据学生现场操作熟练度、代码和界面布局规范、结果是否正确、问答是否流畅给予评分。

表2 实验报告考核标准

本次实验总成绩：课堂操作表现成绩*50%+报告成绩*50%。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

实践性强：利用 MATLAB 软件进行仿真实验，使实验更加直观、生动，让学生亲身体验电话拨号音的合成与识别过程，提高了学生的学习兴趣和实践动手能力。

学科交叉融合：融合信号与系统、通信技术、APP设计等知识，让学生拓展了知识面，增强了专业认同感，为今后从事相关工作打下了基础。

五星教学法：提高了课堂效率，促进了学生积极参与、深层思考和规范描述。