摘 要：文中阐述了DTMF调频信号的产生和检测原理，分析了锯齿波扫频信号的特点，仿真了DTMF调频信号在锯齿波扫频信号干扰时的解码情况，得出了在特定信号检测方法条件下，无线通信系统采用DTMF调频信号进行远程控制时的抗干扰能力，对于分析和改善系统性能具有一定的参考意义。
关键词：DTMF 扫频信号 无线通信 干扰
Research on the anti sweep signal jamming ability of DTMF frequency modulated signal
ZHANG Yinbing，ZHOU Qinghui，HU Yuankui，FAN Zhongliang
(East China Research Institute of Electronic Engineering, Hefei 230088, China)
Abstract: The transmission and detection principle of DTMF (Dual Tone Multi Frequency) frequency modulated signal is explained and the characteristics of sawtooth wave sweep signal are analyzed. Decode capability of sawtooth wave sweep signal jamming environment have been simulated, which demonstrates the anti jamming ability of a remote wireless control system that employs DTMF frequency modulate signal. The results would be useful for analyzing and improving related wireless communication system performance.
Keywords: DTMF; sweep signal; wireless communication; jamming
DTMF信号是音频电话拨号信号，由美国AT&T贝尔实验室开发。作为实现电话号码快速可靠传输的一种技术，DTMF信号具有优良的抗干扰性能和一定的抗多普勒频移的能力，已广泛地应用于语音信道的低速数据通信[1]，但绝大部分是用作电话的音频拨号。近年来，它在无线数据通信系统中也被广泛地用来实现各种数据流和语音等信息的远程传输，如手机语音拨号密码服务系统、语音菜单、对讲机选呼系统等。
一．DTMF信号的产生原理
DTMF信号是用两个特定的单音频组合信号来代表数字信号以实现其功能的一种编码技术[2]。两个单音频的频率不同，代表的数字或实现的功能也不同。这种电话机中通常有16个按键，其中有10个数字键0～9和6个功能键*、#、A、B、C、D。根据CCITT的建议，国际上采用的多种频率为687Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz等8种。用这8种频率可形成16种不同的组合，从而代表16种不同的数字或功能键，具体组合见下表：
频率（Hz） 1209 1336 1477 1633
697 1 2 3 A
770 4 5 6 B
852 7 8 9 C
941 * 0 # D
DTMF信号由两个不同频率的正弦信号叠加而成来模拟双音频信号，根据AT&T技术规范有：
（1）数字号码最大传输速度为每秒10个，即一个号码占100ms。
（2）在100ms时间片内双音多频信号持续不少于45ms且不多于55ms的时间。
典型的DTMF信号频率范围是700～1700Hz，根据Nyquist条件，采样频率fs需要满足fs>3400。在实际处理中，为了减少码元间干扰，通常选取8000Hz作为采样频率。取t=50ms作为双音多频信号标准持续时间。
在实际的无线通信系统中，发射端并不会直接使用DTMF信号进行远程控制，而是利用调频信号良好的抗噪声能力，使用DTMF信号进行调频，接收端采用相反的过程对解调后的DTMF信号进行检测，从而达到控制的目的。DTMF调制信号按照如下调频公式产生：
为DTMF信号，为初始相位（rad），为调频灵敏度（rad/(s.V)）。图1为DTMF信号射频产生流程：
二．DTMF信号检测基本原理
DTMF信号是音频范围内两个频率信号的叠加，信号中还包含了信道噪声和语音干扰，有时还存在因多普勒效应而产生的频移。DTMF信号检测器需满足以下技术指标要求[3-4]：
1）电平范围：-4～-23dBm；
2）高低频电平差：≤4dB；
3）频偏：±1.5%以内要求接收，±3.5%以上不接收；
4）二次谐波：比基频能量至少低20dB。
DTMF解码器对接收到的信号进行幅频变换，计算出DTMF信号8个频率点及其二次谐波频点的幅值，根据上述技术指标要求完成信号检测。其中，设计二次谐波检测主要是为了在有语音传输时保证DTMF信号与语音信号区分，如果使用DTMF信号进行控制而不用语音控制，则可以不使用二次谐波检测。
根据文献[3]，为了避免在计算基波频率及其二次谐波时采用不同信号长度N，该文提出的采用任意信号长度、然后将信号补零到8000点的方法，可以将频率分辨率提高到1Hz，因此本文也通过该方法，从而使得频率估计更加准确。
在实际的射频系统中，接收信号首先进行模拟下变频到较低频率，然后进行AD采样。而在仿真时，根据编程简单性原则，也可采用零中频，经过AD采样和处理后，可得到基带I、Q信号，从而可进行对DTMF信号的检测。为了尽可能保证仿真系统与实际系统的一致性，本文在仿真时还是考虑混频与中频滤波环节，图3为系统仿真时的框图。
图3 DTMF射频信号接收处理流程
三．锯齿波扫频干扰信号
锯齿波扫频干扰信号常常被用于宽带阻塞式干扰系统中，其数学表达式为：
其中为在区间的初始相位。当以锯齿波扫描时，在每个区间内，其初始相位按照变化，其中为调制信号。
当时的已调信号频谱结构如图4所示，其中扫描周期，扫频带宽，起始扫描频率20MHz，采样频率94MHz，总的观察时长。
四、计算机仿真
为了对DTMF调频信号抗干扰能力进行研究，进行计算机仿真，仿真条件为：目标中心频率1MHz，调频系数500rad/（s*V），发送字符“*”的DTMF双音，目标信噪比为30dB，扫频信号带宽1MHz，中频滤波器带宽25KHz，基带滤波器采用3000阶FIR低通滤波器，截止频率4KHz，射频采样率8MHz，在DTMF信号检测时降采样率到8000Hz，以减少计算时间，取100次蒙特卡罗试验结果的平均值作为仿真结果。仿真中，定义干信噪比为：
（2）
其中ISNR为干信噪比，为干扰信号，为正常通信信号，为正常通信信号中的噪声。
扫频信号周期的影响
在扫频带宽一定的条件下，不同的扫频信号周期表示不同的扫频速率。仿真时，取干信噪比为3dB，干扰信号调频系数为50000rad/(s*V)，调制信号采用带限高斯白噪声，最高频率为100KHz。从图5可以看出，当扫频周期在25us和38us之间变化时，干扰信号干扰成功率达到50% 以上，DTMF信号抗干扰能力很差。
图5 扫频信号周期对干扰成功率的影响
2.干信噪比的影响
仿真时，干扰信号调频系数为50000rad/(s*V)，调制信号采用带限高斯白噪声，最高频率为100KHz，扫频周期取30us。从图6可以看出，当干信噪比大于3dB时，干扰信号干扰成功率达到50%以上。干信噪比为0dB时，干扰信号干扰成功率只有5%，DTMF信号抗干扰效果较好，在实际环境中会出现偶尔能够被干扰住的情况。
3.干扰信号调频系数的影响
仿真时，取干信噪比为3dB，调制信号采用带限高斯白噪声，最高频率为100KHz，扫频周期取30us。从图7可以看出，干扰信号调频系数在30000 rad/(s*V)到110000 rad/(s*V)之间变化时，干扰信号干扰成功率可以达到50%以上，DTMF信号抗干扰能力较差，此时对应的离散谱线零点宽度为9.55KHz和35KHz。DTMF信号抗干扰能力最差时对应的干扰信号调频系数为60000 rad/(s*V)，此时对应的谱线零点宽度为19.1KHz。因为中频滤波器3dB带宽为25KHz，所以以上情况对应的谱线能量均能有效进入接收机，使得抗干扰能力差。
4.调制信号最高频率的影响
仿真时，取干信噪比为3dB，干扰信号调频系数为50000rad/(s*V)，扫频周期取30us。从图8可以看出，调制信号最高频率取10KHz时抗干扰效果最差。产生这种现象的原因正如文献[5]所述，不同的调制信号最高频率虽然对于干扰信号频谱特性没有影响，但是采用不同调制信号频率时，干扰信号进入接收机在接收机鉴频器的作用下会产生不同的效果，从而造成在某些调制信号频率上会产生较好的干扰效果。
五、结论
本文通过对DTMF调频通信信号的产生和检测原理进行研究，得出了系统在特定条件下抗锯齿波扫频信号干扰的仿真结果。结果表明，在一定的扫频信号带宽条件下，扫频信号周期、干信噪比、调频系数和调制信号最高频率都会影响DTMF信号的抗干扰能力。同时，本文只给出了长度为50ms的一个DTMF码，不同时间长度和个数的DTMF抗干扰能力也不同，实际应用中针对特定的DTMF编码信号干扰可进行进一步仿真研究和试验研究。
六、参考文献：
田 伟，周新力，吴海荣，DTMF信号解码抗高斯白噪声干扰研究，军事通信技术，2006，27（1）：5-8。
苑毅，黄珍，大众科技，2008，8：55-56，双音多频DTMF信号的产生与检测。
夏斌，于永学，李小瑞，戈泽尔算法在DTMF信号检测中的应用与改进，电子测量与仪器学报，2008（增刊）：53-56。
陈布雨，基于MATLAB的DTMF信号系统仿真，科技创新导报，2008，28：2-24。
D.C.施莱德著，顾耀平等译，信息时代的电子战，信息产业部电子第二十九研究所，2000：151-162。 |
