一種新的基于改進(jìn)的ADALINE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DTMF解碼器方

一、引言 DTMF（雙音多頻）信號是電話網(wǎng)中常用的信令，無論是家用電話、移動電話還是程控交換機(jī)上，多采用DTMF信號發(fā)送接收號碼。DTMF技術(shù)還可以用于電力線載波通信等場合。可見，DTMF撥號和解碼在通信系統(tǒng)及其它方面有著廣泛的應(yīng)用。DTMF信號的解碼目前常用的方法有兩種：一種方法是采用濾波器組來分離8個DTMF信號。濾波器組的實現(xiàn)既可以用模擬濾波器，也可以用數(shù)字濾波器，這種方法在時域中進(jìn)行分離。第二種方法是采用DFT或者Goertzel算法來檢測8個信號的強(qiáng)弱，這種方法在頻域中進(jìn)行分離。然而，上述兩種傳統(tǒng)的DTMF信號檢測方法都存在一定的缺陷，即在強(qiáng)信道噪聲干擾下常常不能正確工作。本文提出了一種新的基于改進(jìn)的ADALINE(Adaptive Linear

Neuron)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DTMF信號檢測算法，其結(jié)構(gòu)簡單計算量適中，并且能夠在強(qiáng)背景噪聲干擾下正常檢測，實驗顯示它比傳統(tǒng)方法有更強(qiáng)的抗干擾能力。文章首先介紹了基于改進(jìn)的ADALINE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DTMF信號檢測算法，然后給出了此方法的仿真結(jié)果，最后給出了采用TMS320C5402 DSP和TLV320AIC10 AIC實現(xiàn)DTMF信號檢測器的工程應(yīng)用方案設(shè)計。

二、DTMF信號

DTMF信號是將撥號盤上的0~9、A~D及*/E、#/F共16個字符，用音頻范圍的8個頻率來表示的一種編碼方式。8個頻率分為高頻群和低頻群兩組，分別作為列頻和行頻。每個字符的信號由來自列頻和行頻的兩個頻率的正弦信號疊加而成。頻率組合方式如圖1所示。

根據(jù)ITU-R Q.23建議[1]，DTMF信號的技術(shù)指標(biāo)是：傳送/接收率為每秒約10個號碼，或每個號碼120ms。每個號碼傳送過程中，信號存在時間至少65ms，且不多于75ms，120ms的其余時間是靜音。在每個頻率點上允許有不超過 1.8%的頻率誤差。任何超過給定頻率 3.5%的信號，均被認(rèn)為是無效的，拒絕承認(rèn)接收。另外，在最壞的檢測條件下，信噪比不得低于15dB。

三、基于改進(jìn)的ADALINE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DTMF檢測算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是信號處理發(fā)展的一個新方向，它可以在先驗知識未知的情況下，通過對輸入信號的自學(xué)習(xí)，實時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)和偏置值，使網(wǎng)絡(luò)得到最佳的期望輸出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有內(nèi)在的自適應(yīng)性和非線性，能夠得到魯棒性和抗干擾能力更強(qiáng)的系統(tǒng)[3]。

ADALINE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是Widrow和Hoff提出的[2,3]，它的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用LMS算法。輸入信號x(n)及其延遲序列是網(wǎng)絡(luò)的輸入，網(wǎng)絡(luò)輸出a(n)與某個目標(biāo)輸出t(n)的差得到誤差信號e(n)，然后網(wǎng)絡(luò)按照LMS算法調(diào)整權(quán)系數(shù)和偏置值，并按此方式循環(huán)處理。

圖2

ADALINE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非常適合于信號的檢測與提取或噪聲消除，此時它的一般結(jié)構(gòu)如圖3所示[1]。在一定的噪聲參考輸入下，網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)的跟蹤和捕捉混雜信號中的相應(yīng)成分，網(wǎng)絡(luò)輸出企圖逼近待檢測的混雜信號，但是因為噪聲參考信號與有用信號不相關(guān)或者弱相關(guān)，它只能復(fù)制到與噪聲參考信號強(qiáng)相關(guān)的成分。于是混雜信號中的噪聲成分被自適應(yīng)的跟蹤，進(jìn)而可以被消除，誤差信號恰好就是恢復(fù)出來的有用信號。這種結(jié)構(gòu)的ADALINE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在飛機(jī)客艙消噪系統(tǒng)和腦電圖檢測等方面得到了成功的應(yīng)用[2,5,6]。

圖3

然而，實踐表明，一般結(jié)構(gòu)的ADALINE網(wǎng)絡(luò)(圖2或圖3)用于檢測DTMF信號的效果并不好，需要進(jìn)行改進(jìn)。DTMF信號的檢測可以看成是要在受噪聲污染的信號中檢測并判斷是否存在某個特定信號（8個頻率的信號）?；谶@一點，我們提出了一種如圖4所示的改進(jìn)的ADALINE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，非常適合于DTMF信號的檢測。它與一般結(jié)構(gòu)的ADALINE網(wǎng)絡(luò)有兩點不同：(1)它用DTMF分量參考信號作網(wǎng)絡(luò)的輸入，而把待檢測信號作為期望輸出。(2)增加一個非線性處理環(huán)節(jié)，非線性地增強(qiáng)或抑制網(wǎng)絡(luò)的跟蹤結(jié)果以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的效果。

改進(jìn)的ADALINE神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(圖4)的工作原理如下：

x(n)是受噪聲污染的待檢測輸入信號，它作為網(wǎng)絡(luò)的期望輸出；提供給網(wǎng)絡(luò)的輸入是某個特定的DTMF分量頻率正弦信號ref(n)，其頻率是8個DTMF頻率之一；網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)跟蹤的中間信號是a(n)。非線性環(huán)節(jié)對a(n)進(jìn)行進(jìn)一步的增強(qiáng)或抑制，最終網(wǎng)絡(luò)輸出是y(n)。

圖4