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(河南师范大学计算机与信息工程学院,河南新乡453007)
【摘 要】本文采用FFT和戈泽尔算法对计算机模拟产生双音多频信号进行检测；并基于短时能量和过零率,分割一串语音信号；考虑到录制信号含有噪声,提出将双声道合并成单声道,进而增强了语音,同时,设计出高低群双边带带通滤波器,得到了就很好的检测效果,使得两种算法也更好的适应于含噪信号的检测.
【关键词】DTMF；FFT单声道；戈泽尔算法；高低群双边带带通滤波器
作者简介：刘晓芳(1991.02—),女,河南周口人,本科,河南师范大学,信号处理专业.
冯克迁(1992.06—),男,河南济源人,本科,河南师范大学,信号处理专业.
0 引言
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.对DTMF信号进行检测是DTMF技术应用的关键,一般的文献中也只给出了计算机模拟的DTMF信号的检测[1].本文用FFT算法和戈泽尔算法分别分析了计算机模拟下的DTMF信号的检测；并设计双边带的带通滤波器,对实际通信中带有噪声的音频信号进行分析,能清晰的分出来语音信号.
1. FFT算法的单音信号的识别
1..1 电话按键语音信号
电话号码键的信号是由低频、高频两个信号的余弦表达式合成的：yi等于sin2πfLt+sin2πfHt,其中fL、fH分别代表合成电话信号键i的高低频率,如表1所示.
1..2 FFT算法识别电话按键
用Windows自带的声卡采集录制语音信号.yi为连续的语音信号,而计算机处理的却是离散的信号,针对于这种问题采用奈奎斯特采样定理对信号进行采样,fs为抽样频率,Ts为采样间隔,得到信号的离散表示：
对yn进行N点的FFT变换得到yn的频域表达式Yn.由傅氏变换的性质可知,Yn在理想的条件下,在频域的内有四个单位冲激响应,幅值相等,可以找到幅值最大的四个点所对应的k值.在得到的四个k值中,最小的两个分别对应着高低频.
由(3)式,可以根据输入信号的音频,完成单个信号音的识别,理想状态下用FFT算法检测,得到实验误差如表2所示.
以上用FFT算法识别按键只是针对单个语音信号,而且信号的噪声比较小.同样,要想识别出一串电话号码的按键音,需将一串电话号码的按键音分割成单个信号音,再按照上述方法进行按键的识别.
1..3 基于短时能量及过零率的一串语音信号的识别
录制声音过程中需对声音进行量化处理,最理想的量化是最大电平对应最高量化比特,但实际很难得到,常有音轻问题.利用双声道合并可硬实现音量标准化,即最大电平对应最高量化比特,实现语音增强的效果.基于短视能量和过零率可以将一串信号分成多个信号.
用Windows产生的语音含有左右两个声道,利用MATLAB程序将双声道的语音信号变成单声道,将会增强语音的效果.得到双声道、单声道的单个语音信号的短时能量和过零率[2],如图1所示.
经过声道合并之后语音信号的短时能量增大了,因此信号更容易分析,如果含有噪声的情况下,也容易去噪.
上述的方法都是利用Windows录制的语音进行分析的,其特点是噪声小,能够较准确的分析出拨号键.但是运用同样的方法,对实际录制的电话语音进行分析时,不管是对于单个语音信号还是一串语音信号分析都会有很大的误差.通过比较发现,人为录制的语音信号与Windows录制的语音相比有较大的噪声,在频域内噪声的幅度甚至超过了有用语音信号的幅度,使得按照频域幅度分析噪声的方法不再适用.对此,采用Goertzel算法,并设计高低群带通滤波器,对含有噪声的语音信号进行分析,使得分析更为准确.
2. 基于戈泽尔和高低群带通滤波器的号码分析
2..1 戈泽尔算法
戈泽尔(Goertzel)算法原理[3]：
语音信号处理:海巡01轮发现疑似MH370黑匣子信号：一个记录语音 一个记录飞行数据[新闻夜线]
可见,通过FFT可以得到信号所有谱线,了解信号整个频域信息,而对于DTMF信号的8个行频／列频,戈泽尔算法能更快速的在输入信号中提取频谱信息.当使用录制的DTMF信号,用FFT算法或戈泽尔算法总会有误差,所以在分析之前应该先将信号通过滤波器.
2..2 高低群带通滤波器的设计
根据电话号码按键音在高低频率的分布,设计出高低频率通带滤波器,通频带分别是690~950Hz和1200~1640Hz,分别是DTMF的低频群和高频群的频率范围.得到双通带带通滤波器如图4所示.
3. 实验结果以及数据分析
对于含噪声的一串语音信号的分析：
含噪声的一串语音信号的分析结果如图5所示.
从图5中可以看出,测试语音中含有噪声,并且声音幅度较小的语音,几乎同噪声一样.分析短时能量和过零率,并无规律可循；所以当噪声较大时,单纯用FFT或戈泽尔算法都不可行,而且从短时能量和过零率这两个方面都不可分析语音是哪个按键.经过滤波器之后,语音信号的短时能量和过零率基本上无噪声,可以很容易区分信号,经过滤波器后,运用戈泽尔算法可以得到的比较清晰的十一个语音信号的DFT图形,如图6所示,得到正确的号码：13639637115.
4. 总结
本文针对DTMF信号,运用FFT算法和戈泽尔算法对单个信号进行分析,同时基于短时能量和过零率对一串语音信号进行分割得到单个信号,并在信号进行量化的过程中将双声道合并成单声道,增强了语音.考虑到两种算法对含有噪声信号的处理不高的缺点,通过考虑DTMF信号频率特点,运用窗函数设计出高低频群的双通带通滤波器对信号进行滤波,能较为准确的分析出按键号码.
【参考文献】
［１］徐阿勇,李方洲,罗蔚华.基于MATLAB的DTMF技术计算机模拟[J].温州师范学院学报：自然科学版,2005,26(5)：40-44.
［２］赵力.语音信号处理[M].北京：机械工业出版社,2005：31-37.
［３］DTMF信号系统的Matlab仿真[OL]．[2013－6－25]．http://www.docin.com/p-423598010.html．
［４］程佩青.数字信号处理教程[M].北京：清华大学出版社,2007：333-340.
［责任编辑：丁艳］
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