Matlab电话按键拨号器设计

前言

这篇文章是目前最详细的 Matlab 电话按键拨号器设计开源教程。如果您在做课程设计或实验时需要参考本文章，请注意避免与他人重复，小心撞车。博主做这个也是因为实验所需，我在这方面只是初学者，但实际上，从完全不懂 DTMF 和 Matlab 的 App 设计，到功能设计完备，也不过花了两个下午而已。在这个过程中，我也尝试搜索资料，发现可选的资源不仅有限，还需要付费。因此，我只能从仅有的资料和视频中推测该做些什么。在此，希望大家在跟随这篇文章学习时，能够以学习的态度面对。

DTMF原理与实现

一、DTMF简介

DTMF是一种信号系统，广泛应用于电话按键音的传输。它是由两个不同频率的音调组合而成，每个按键（0-9，*，#）对应一个唯一的频率组合，这样可以通过按键发出的声音来传输数据。

按键和频率对应表:

按键	低频组	高频组
1	697 Hz	1209 Hz
2	697 Hz	1336 Hz
3	697 Hz	1477 Hz
A	697 Hz	1631 Hz
4	770 Hz	1209 Hz
5	770 Hz	1336 Hz
6	770 Hz	1477 Hz
B	770 Hz	1631 Hz
7	852 Hz	1209 Hz
8	852 Hz	1336 Hz
9	852 Hz	1477 Hz
C	852 Hz	1631 Hz
*	941 Hz	1209 Hz
0	941 Hz	1336 Hz
#	941 Hz	1477 Hz
D	941 Hz	1631 Hz

下方图更加具体形象一点：

工作过程

按键识别：当用户按下电话按键时，电话生成相应的DTMF信号。
信号传输：DTMF信号通过电话线路传输。
信号解码：接收端（例如电话交换机）接收到DTMF信号，并通过滤波器和检测器识别出对应的按键。

每个按键只需两个频率，信号生成和检测简单，且具有较高的抗干扰能力，即使在嘈杂的环境中也能准确传输信息。

二、DTMF编码实现

我们首先需要的输入一个1~12以内组成的一个号码序列，其中1~9对应键盘数字1~9对应键盘数字1~9，而对于0、*、#我们分别将其映射为数字10、11、12。

每当按下键盘时候会发声音，采样频率为8kHz，每个拨音持续0.5s，拨音之间间隔0.1s停顿。

这里要做映射的内容只有下面的部分

         1209 Hz   1336 Hz   1477 Hz
   697 Hz    1         2         3
   770 Hz    4         5         6
   852 Hz    7         8         9
   941 Hz    *         0         #

通过生成这两个频率的正弦波，并将它们相加，可以得到一个 DTMF 信号。例如，按下 '1' 时，会生成如下信号：

$s(t) = sin(2 \pi \cdot697\cdot t)+sin(2\pi\cdot 1209\cdot t)$

function tones = dtmfdial(nums)
% @ 夏天是冰红茶
% DTMFDIAL Create a vector of tones which will dial 
% a DTMF (Touch Tone) telephone system
% usage: tones = dtmfdial(nums)
% nums = vector of numbers ranging from 1 to 12
% tones = vector containing the corresponding tones

if nargin < 1
    error('DTMFDIAL requires one input');
end 

output_signal = [];

% 定义DTMF音调的频率
low_freqs = [697, 770, 852, 941];  
high_freqs = [1209, 1336, 1477, 1633];

% 数字序列行列索引
dtmf_map = [1, 1; 1, 2; 1, 3;  % 1, 2, 3
            2, 1; 2, 2; 2, 3;  % 4, 5, 6
            3, 1; 3, 2; 3, 3;  % 7, 8, 9
            4, 2; 4, 1; 4, 3]; % 0, *, #

% Define parameters
fs = 8000;         
duration = 0.5; 
pause_time = 0.1;

t_tone = 0:1/fs:duration - 1/fs;
t_pause = 0:1/fs:pause_time - 1/fs;

% 暂停静音
silence = zeros(size(t_pause));

% 给每个号码生成DTMF音调
for i = 1:length(nums)
    num = nums(i);
    if num < 1 || num > 12
        error('Number sequence must contain values between 1 and 12');
    end
    % 获取DTMF映射的相应行、列索引
    row = dtmf_map(num, 1);
    col = dtmf_map(num, 2);
    % 生成DTMF音调
    tone = sin(2*pi*low_freqs(row)*t_tone) + sin(2*pi*high_freqs(col)*t_tone);
    
    output_signal = [output_signal, tone, silence];
end
tones = output_signal;
end

三、DTMF解码实现

DTMF解码有两个部分组成，分别是由一个带通滤波器和一个检测器组成的。

其中带通滤波器用于分离各频率成分，检测器用于检测所有带通滤波器输出信号的大小，从而判断在每个时间段中存在哪两个频率分量，检测器用于确定哪两个频率最有可能包含在这个DTMF音中。

滤波器的设计如下：

$h[n] = \frac{2}{L}cos(\frac{2\pi f_{b}n}{f_{s}})$

这里，L表示滤波器长度， $f_{s}$ 表示采样频率， $f_{b}$ 表示带通滤波器的中心频率。L越大，带宽越窄。

这个实现非常简单

function h = Zjr_Bandpass_Filter(fb, L, fs)
% @ 夏天是冰红茶
% Zjr_Bandpass_Filter Generate a bandpass filter based on given parameters
% fb: Center frequency of the bandpass filter
% L: Length of the filter
% fs: Sampling frequency
if nargin < 3  
   % 如果没有提供fs，则使用默认值8000  
   fs = 8000;  
end 
n = 0:L-1;
h = (2 / L) * cos(2 * pi * fb * n / fs);
end

DTMF检测器设计

function ss = dtmfscor(xx, freq, L, fs)
% @ 夏天是冰红茶
% DTMFSCOR
% ss = dtmfscor(xx, freq, L, [fs])
% return 1(true) if freq is present in xx
% 0(false) if freq is not present in xx
% xx = input DTMF signal
% freq = test frequency
% L = length of FIR bandpass filter
% fs = sampling frequency (default is 8k)
% The signal detection is done by filtering xx with a length-L
% BPF, hh, squaring the output, and comparing with an arbitrary
% set point based on the average power of xx

if nargin < 4
    fs = 8000;
end

hh = Zjr_Bandpass_Filter(freq, L, fs);
filtered_signal = conv(xx, hh, 'same');
% 计算平方滤波信号的平均功率
squared_signal = filtered_signal .^ 2;
mean_squared_signal = mean(squared_signal);
% 计算原始信号的平均功率
mean_original_signal = mean(xx .^ 2);
% 滤波信号的平均功率与阈值进行比较
threshold = mean_original_signal / 5;
ss = (mean_squared_signal > threshold);

end

DTFM编码部分的实现基于以上两个部分完成，它的基本原理就是通过检测信号中存在的特定频率来确定按下的键。每个 DTMF 按键对应两个频率，一个低频和一个高频。通过检测这些频率的存在，可以确定按下的按键。

function key = dtmfdeco(xx, L, fs)
% @ 夏天是冰红茶
% DTMFDECO key = dtmfdeco(xx, [fs])
% returns the key number corresponding to the DTMF waveform, xx
% fs = sampling freq (default = 8k Hz if not specified)

if nargin < 2
    fs = 8000;
end

% 定义DTMF音调的频率
low_freqs = [697, 770, 852, 941];  
high_freqs = [1209, 1336, 1477, 1633];

% 数字序列行列索引
dtmf_map = [1, 1; 1, 2; 1, 3;  % 1, 2, 3
            2, 1; 2, 2; 2, 3;  % 4, 5, 6
            3, 1; 3, 2; 3, 3;  % 7, 8, 9
            4, 2; 4, 1; 4, 3]; % 0, *, #

% 初始化检测结果
low_detected = false(length(low_freqs), 1);
high_detected = false(length(high_freqs), 1);

% 检测低频分量
for i = 1:length(low_freqs)
    if dtmfscor(xx, low_freqs(i), L, fs)
        low_detected(i) = true;
    end
end

% 检测高频分量
for i = 1:length(high_freqs)
    if dtmfscor(xx, high_freqs(i), L, fs)
        high_detected(i) = true;
    end
end

% 找到检测到的低频和高频索引
low_idx = find(low_detected);
high_idx = find(high_detected);

% 确保每次只检测到一个低频和一个高频
if isscalar(low_idx) && isscalar(high_idx)
    key = find(ismember(dtmf_map, [low_idx, high_idx], 'rows'));
else
    key = [];
end

end

四、DTMF程序验证

接下来我们需要对我们前面所写的函数进行验证。

使用 dtmfdial 函数生成拨号音序列，并使用 sound 函数播放这些音调，通过遍历 input_keys，我们逐个解码每个拨号音：

确定当前拨号音的起始和结束索引。
提取当前的拨号音段。
使用 dtmfdeco 函数解码当前的拨号音段。
将解码结果存储在 decoded_keys 数组中。
更新起始索引，以处理下一个拨号音。

clc;
L=64;
input_keys = [1, 2, 3, 10, 11, 12];
encoded_tones = dtmfdial(input_keys);
sound(encoded_tones, 8000);

decoded_keys = [];
sample_duration = 0.5; % 每个拨号音的持续时间
gap_duration = 0.1; % 拨号音之间的停顿时间
fs = 8000; % 采样频率

% 按照编码的音序列的格式解析每个拨号音
start_index = 1;
for i = 1:length(input_keys)
    end_index = start_index + sample_duration * fs - 1;
    current_tone = encoded_tones(start_index:end_index);
    decoded_key = dtmfdeco(current_tone, L, fs);
    decoded_keys = [decoded_keys, decoded_key];
    start_index = end_index + gap_duration * fs + 1;
end

% 输出解码结果
fprintf('Decoded keys: ');
disp(decoded_keys);

% 验证解码结果是否与输入的按键序列一致
if isequal(input_keys, decoded_keys)
    fprintf('The decoded keys match the input keys.\n');
else
    fprintf('The decoded keys do not match the input keys.\n');
end

打印结果如下所示：

Decoded keys: 1 2 3 10 11 12

The decoded keys match the input keys.

验证成功！

Matlab的app设计

这个部分理应用你自己完成，这里我只是打个样。接下来我之会讲解一下其中回调函数中重要的一些地方，建议每个部件都应该有自己的名字，就像是使用Qt或者PyQt一样。

按钮的回调

这里以按钮1为例，我重命名为：app.Key_1，后面按钮均按照这样的规律。我们需要在按下键1时可以发出声音，并且将内容显示在其上方的文字框（app.Text_Dialing）当中，而且要让频谱图显示在左侧的坐标当中。

        % Button pushed function: Key1
        function Key1ButtonPushed(app, event)
            % 按键1的回调函数，按下后在文本框中显示
            currentText = app.Text_Dialing.Value; % 当前文本区域的值
            if isempty(currentText)
                newText = '1';
            else
                newText = strcat(currentText{1}, '1'); 
            end
            app.Text_Dialing.Value = {newText}; 
            encoded_tones = dtmfdial([1]);
            sound(encoded_tones, 8000);
            displaySpectrum(app, encoded_tones);

        end

displaySpectrum为本路径下写的一个功能函数，即显示当前按钮的频谱图，每次点击都会被刷新，该功能的实现很简单，请自行在下面的资源中查找。

这个接下来就是复制粘贴到我们每个按钮的回调了。

拨号与挂断的回调

当点击拨号时，将会对之前输入的电话序号进行发音，发音结束后询问是否要保存音频。当我点击挂断时候，刷新我们的文字框以及坐标轴。需要注意的是，这里的文字框显示的是*、#、0，所以一定要在传入函数前进行映射。

        % Value changed function: Key_Dialing
        function Key_DialingValueChanged(app, event)
            value = app.Key_Dialing.Value;
            currentText = app.Text_Dialing.Value;

            % 将当前文本区域的值转换为字符数组
            if ~isempty(currentText)
                currentText = currentText{1}; % 转换为字符串
                dialedNumbers = [];

                % 遍历当前文本的每个字符
                for i = 1:length(currentText)
                    char = currentText(i);
                    if ismember(char, ['0':'9', '*', '#'])
                        switch char
                            case '0'
                                num = 10;
                            case '*'
                                num = 11;
                            case '#'
                                num = 12;
                            otherwise
                                num = str2double(char); 
                        end
                    dialedNumbers(end+1) = num;
                    end 
                end
                disp(dialedNumbers);
                encoded_tones = dtmfdial(dialedNumbers);
                sound(encoded_tones, 8000);

                duration = length(encoded_tones) / 8000; 
                % 暂停等待拨号音结束
                pause(duration);
                choice = questdlg('是否保存该音调?', ...
                '保存音调', ...
                '是', '否', '否');
                switch choice
                    case '是'
                        [file, path] = uiputfile('*.wav', '保存音调为');
                        if ischar(file) && ischar(path)
                            filename = fullfile(path, file);
                            normalized_tones = encoded_tones / max(abs(encoded_tones));

                            audiowrite(filename, normalized_tones, 8000);
                            msgbox('音调已保存', '保存成功');
                        else
                            msgbox('保存已取消', '取消');
                        end
                    case '否'
                        % 不做任何处理
                end
            end
        end

音频转为数字序号

这部分可以讲一讲，下面的代码是我写的测试草稿，app中用到的具体的函数名叫convert_wav2num。

clc;
filename = 'test.wav';  
[y, fs] = audioread(filename);
L = 64;  % DTMF 解码的长度参数
sample_duration = 0.5; % 每个拨号音的持续时间
gap_duration = 0.1; % 拨号音之间的停顿时间
decoded_numbers = [];
start_index = 1;
while start_index <= length(y)
    end_index = start_index + round(sample_duration * fs) - 1;
    if end_index > length(y)
        end_index = length(y);
    end
    current_tone = y(start_index:end_index);
    decoded_key = dtmfdeco(current_tone, L, fs);
    if ~isempty(decoded_key)
        decoded_numbers = [decoded_numbers, decoded_key];
    end
    start_index = end_index + round(gap_duration * fs);
end

fprintf('Decoded phone numbers: ');
disp(decoded_numbers);

首先参数的定义要与前面保存一致。从指定的音频文件中读取音频数据，并获取采样率。遍历音频数据，将其分割成独立的拨号音段，并对每个音段进行DTMF解码，输出解码得到的电话号码。

运行截图如下所示：

解码的回调

这里可以通过直接在文字框中输入wav文件的路径，也可以通过上面菜单栏选项当中的打开资源管理器选择。然后直接点击解码，通过弹窗显示解码的电话号码。

        % Value changed function: Key_Dialing_Decoding
        function Key_Dialing_DecodingValueChanged(app, event)
            wavPath = app.Decoding_path.Value;
    
            if isempty(wavPath) || ~isfile(wavPath)
                msgbox('请选择有效的 WAV 文件路径');
                return;
            end
            decoded_numbers = convert_wav2num(wavPath, 64, 0.5, 0.1);
            encoded_tones = dtmfdial(decoded_numbers);
            sound(encoded_tones, 8000);

            decoded_numbers_str = {};
            for i = 1:length(decoded_numbers)
                switch decoded_numbers(i)
                    case 10
                        decoded_numbers_str{end+1} = '0';
                    case 11
                        decoded_numbers_str{end+1} = '*';
                    case 12
                        decoded_numbers_str{end+1} = '#';
                    otherwise
                        decoded_numbers_str{end+1} = num2str(decoded_numbers(i));
                end
            end
            if ~isempty(decoded_numbers_str)
                msgbox(['解码结果: ', strjoin(decoded_numbers_str)], '解码结果');
            else
                msgbox('解码失败', '解码结果');
            end

        end