手機按鍵聲分析設計報告論.docx

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XXX學院 手機按鍵聲分析設計報告 專業(yè) XXXXXXXXXXXXX 班級 XXX級XX班 學號 XXXXXXX 姓名 XXX 2015年1月19日 目 錄 摘 要 3 1.緒論 4 1.1 背景 4 1.2 本文主要設計內(nèi)容 4 2.設計原理 5 2.1 WAV文件讀入與播放 5 2.1.1 WAV文件的讀入 5 2.1.2 WAV文件的播放 5 2.2 頻域分析及可視化 5 2.2.1 頻域分析 5 2.2.2 頻域可視化 6 2.3 手機按鍵聲頻譜 6 3.設計結(jié)果與分析 7 3.1 手機按鍵聲總的時域波形與頻譜圖 7 3.2 手機按鍵聲每個按鍵聲的時域波形與頻譜圖 7 3.2.1 手機按鍵第一聲 7 3.2.2 手機按鍵第二聲 8 3.2.3手機按鍵第三聲 8 3.2.4手機按鍵第四聲 8 3.2.5手機按鍵第五聲 9 3.2.6手機按鍵第六聲 9 3.2.7手機按鍵第七聲 10 3.2.8手機按鍵第八聲 10 3.2.9手機按鍵第九聲 11 3.2.10手機按鍵第十聲 11 3.3 手機按鍵聲頻率 11 4.總結(jié) 12 參考文獻 12 摘 要 本文主要實現(xiàn)了用Matlab軟件對手機按鍵聲的分析，學習了數(shù)字音頻信號輸入Matlab環(huán)境的方法。詳細了解了FFT快速傅里葉算法，通過FFT快速傅里葉算法分析了每個按鍵聲的幅頻特性，從而根據(jù)每個按鍵聲的頻譜并查表得出該聲音所對應的鍵號。同時學習了Matlab程序設計語言，編寫了相應的程序。 關鍵詞 Matlab 數(shù)字音頻信號 FFT快速傅里葉算法 幅頻特性 1.緒論 1.1 背景 在計算機技術日新月異的今天，計算機已同人們的日常生活和工作越來越緊密的聯(lián)系在一起。而在工程計算領域中，計算機技術的應用正逐漸把科技人員從繁重的計算工作中解放出來。在科學研究和工程應用的過程中，往往需要進行大量的數(shù)學計算，傳統(tǒng)的紙筆和計算機已不能滿足海量的計算要求。 Matlab的產(chǎn)生是與數(shù)學緊密聯(lián)系在一起的，Matlab由主包和功能各異的工具箱組成，其基本數(shù)據(jù)結(jié)構是矩陣，它具有非常強大的計算功能，正是憑借其杰出的性能，Matalab現(xiàn)在已成為世界上應用最廣泛的工程計算應用軟件之一。Matlab在國外高校已成為大學生、碩士生、博士生必須掌握的基礎程序設計語言。 信息處理是科學研究和工程技術許多領域都需要進行的一個重要環(huán)節(jié)，Matlab將信號處理中許多常用的算法編寫成可調(diào)用的函數(shù)，匯聚構成了信號處理工具箱。它的信號處理工具箱包含了各種經(jīng)典和現(xiàn)代的數(shù)字信號處理技術，是一個非常優(yōu)秀的算法研究和輔助設計工具。而FFT快速傅里葉變換就是其中一種算法。 1.2 本文主要設計內(nèi)容 Matlab具有非常強大的計算功能，在這次設計中， 給出一段手機按鍵聲音，用Matlab將聲音轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并分析，按照聲音出現(xiàn)的先后順序逐字分析，確定是那幾個按鍵被按下。 2.設計原理 在matlab中將手機按鍵聲音信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后用FFT快速傅里葉變換對聲音信號逐個進行頻譜分析。頻譜分析用傅立葉變換將波形x(t)變換為頻譜X(f)從另一角度來了解信號特征。常見傅里葉變換有DFT和FFT。DFT是FFT的基礎, FFT是DFT的快速算法,在MATLAB中可以利用函數(shù)fft來計算序列的離散傅里葉變換DFT。FFT是時域和頻域轉(zhuǎn)換的基本運算。 2.1 WAV文件讀入與播放 MATLAB可支持兩種格式的輸入輸出NeST/SUN(后綴為“.au”)和Microsoft WAV文件，后綴為“.wav”。本文采用的是WAV聲音文件。 2.1.1 WAV文件的讀入 wavread用于讀取Microsoft的擴展名為“.wav”的聲音文件其調(diào)用格式如下y=wavread(file)，其作用是從字符串file所指定的文件路徑讀取wave文件將讀取的采樣數(shù)據(jù)送到y(tǒng)中。若file中無“.wav”擴展名則該命令自動將指定文件名后加上“.wav”擴展名。 [y,fs,nbits]=wavread(file); 其作用是返回采樣率和每個采樣的比特數(shù)。 2.1.2 WAV文件的播放 Wavplay利用Windows音頻輸出設備播放聲音，其調(diào)用格式是 （1）wavplay(y,fs); 以采樣頻率fs向Windows音頻設備發(fā)送向量信號。標準的音頻采樣率有8000、11025、22050和44100HZ。 （2）wavplay (y); 自動采樣率為11025HZ。 2.2 頻域分析及可視化 2.2.1 頻域分析 對于給定的時域信號y，可以通過Fourier變換得到頻域信息Y。Y可按下式計算 式中，N為樣本容量，為采樣間隔。 采樣信號的頻譜是一個連續(xù)的頻譜，不可能計算出所有的點的值，故采用離散Fourier變換DFT，即式中，。但上式的計算效率很低，因為有大量的指數(shù)(等價于三角函數(shù))運算，故實際中多采用快速Fourier變換(FFT)。其原理即是將重復的三角函數(shù)算計的中間結(jié)果保存起來，以減少重復三角函數(shù)計算帶來的時間浪費。由于三角函數(shù)計算的重復量相當大，故FFT能極大地提高運算效率。 對音頻信號進行頻譜分析要調(diào)用fft(快速傅立葉變換)，調(diào)用格式為兩種：y=fft(x); y=fft(x,n); y=fft(x)利用FFT算法計算矢量x的離散傅立葉變換，當x為矩陣時y為矩陣x的每一列的FFT。當x的長度為2的冥次方時，則fft采用基-2FFT算法，否則采用稍慢的混合基算法。 y=fft(x,n)采用n點FFT。當x的長度小于n時，fft函數(shù)在x的尾部補零以構成長為n的數(shù)據(jù)。當x的長度大于n時，fft函數(shù)將序列x截斷，取前n點。當x為矩陣時，fft函數(shù)按類似的方式處理列長度。 實現(xiàn)幅度響應要調(diào)用求絕對值或幅值函數(shù)，調(diào)用格式：m=abs(h); 實現(xiàn)相位響應要調(diào)用求相角函數(shù)，調(diào)用格式：P=angle(h); 2.2.2 頻域可視化 為了直觀地表示信號的頻率特性，工程上常常將Fourier變換的結(jié)果用圖形的方式表示，即頻譜圖。 以頻率f為橫坐標，為縱坐標，可以得到幅值譜； 以頻率f為橫坐標，為縱坐標，可以得到相位譜； 頻譜可視化要調(diào)用plot函數(shù)，調(diào)用格式：plot(x) 2.3 手機按鍵聲頻譜 雙音多頻（DIMF）信號時將撥號盤上的0-F共16個數(shù)字，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。頻率組合方式如表2.3所示。 頻率 1209Hz 1336Hz 1477Hz 1633Hz 697Hz 1 2 3 A 770Hz 4 5 6 B 852Hz 7 8 9 C 941Hz */E 0 #/F D 表2.3 雙音多頻（DIMF）信號頻率組合方式 3.設計結(jié)果與分析 3.1 手機按鍵聲總的時域波形與頻譜圖 手機按鍵聲十個按鍵聲的時域波形與頻譜圖如圖3.1： 圖3.1 手機按鍵聲時域波形與頻譜圖 由圖3.1可看出，該手機按鍵聲的頻譜低頻群主要在600Hz到800Hz之間，而高頻群這是分布在1200Hz左右和1400Hz至1600Hz之間。 3.2 手機按鍵聲每個按鍵聲的時域波形與頻譜圖 3.2.1 手機按鍵第一聲 手機按鍵第一聲的時域波形與頻譜圖如圖3.2.1： 圖3.2.1 手機按鍵第一聲時域波形與頻譜圖 由圖3.2.1可看出，該手機按鍵第一聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構成。 3.2.2 手機按鍵第二聲 手機按鍵第二聲的時域波形與頻譜圖如圖3.2.2： 圖3.2.2 手機按鍵第二聲時域波形與頻譜圖 由圖3.2.2可看出，該手機按鍵第二聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構成。 3.2.3手機按鍵第三聲 手機按鍵第三聲的時域波形與頻譜圖如圖3.2.3： 圖3.2.3 手機按鍵第三聲時域波形與頻譜圖 由圖3.2.3可看出，該手機按鍵第三聲的頻譜主要由770Hz與1209Hz構成。 3.2.4手機按鍵第四聲 手機按鍵第四聲的時域波形與頻譜圖如圖3.2.4： 圖3.2.4 手機按鍵第四聲時域波形與頻譜圖 由圖3.2.4可看出，該手機按鍵第四聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構成。 3.2.5手機按鍵第五聲 手機按鍵第五聲的時域波形與頻譜圖如圖3.2.5： 圖3.2.5 手機按鍵第五聲時域波形與頻譜圖 由圖3.2.5可看出，該手機按鍵第五聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構成。 3.2.6手機按鍵第六聲 手機按鍵第六聲的時域波形與頻譜圖如圖3.2.6： 圖3.2.6 手機按鍵第六聲時域波形與頻譜圖 由圖3.2.6可看出，該手機按鍵第六聲的頻譜主要由770Hz與1209Hz構成。 3.2.7手機按鍵第七聲 手機按鍵第七聲的時域波形與頻譜圖如圖3.2.7： 圖3.2.7 手機按鍵第七聲時域波形與頻譜圖 由圖3.2.7可看出，該手機按鍵第七聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構成。 3.2.8手機按鍵第八聲 手機按鍵第八聲的時域波形與頻譜圖如圖3.2.8： 圖3.2.8 手機按鍵第八聲時域波形與頻譜圖 由圖3.2.8可看出，該手機按鍵第八聲的頻譜主要由697Hz與1477Hz構成。 3.2.9手機按鍵第九聲 手機按鍵第九聲的時域波形與頻譜圖如圖3.2.9： 圖3.2.9 手機按鍵第九聲時域波形與頻譜圖 由圖3.2.9可看出，該手機按鍵第九聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構成。 3.2.10手機按鍵第十聲 手機按鍵第十聲的時域波形與頻譜圖如圖3.2.10： 圖3.2.10 手機按鍵第十聲時域波形與頻譜圖 由圖3.2.10可看出，該手機按鍵第十聲的頻譜主要由697Hz與1477Hz構成。 3.3 手機按鍵聲頻率 該手機按鍵聲的頻率組成數(shù)據(jù)表如表3.3： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 低頻群（Hz） 770 770 770 770 770 770 770 697 770 697 高頻群（Hz） 1477 1477 1209 1477 1477 1209 1477 1477 1477 1477 鍵號 6 6 4 6 6 4 6 3 6 3 表3.3 手機按鍵聲的頻率組成數(shù)據(jù)表 由表3.3可以得出該撥號聲撥打的號碼為6646646363。 4.總結(jié) 本設計題目是利用MATLAB軟件對音頻信號進行頻譜分析與處理。通過完成此次設計論文，了解了MATLAB的歷史和發(fā)展歷程，進一步熟悉了MATLAB程序設計語言，掌握了該軟件的使用方法。學會了通過MATLAB可以讀取播放音頻信號，能對其進行頻譜分析，并可以實現(xiàn)頻譜特性的可視化，這使我切身體會到了MATLAB的強大功能，明確了MATLAB在信號處理中的重要作用。同時通過此次的設計，對FFT快速傅里葉變換的理解更加深刻。 在此次設計中發(fā)現(xiàn)，學習態(tài)度和勤勞的工作精神，對以后的學習生活有很多幫助，這也許是最有價值的。 參考文獻 [1]王艷芳，王剛，張曉光等.數(shù)字信號處理原理及實現(xiàn)[M].清華大學出版社.2008.3（2013.10重?。? [2]黃文梅，熊桂林，楊勇.信號分析與處理—MATLAB語言及應用.國防科技大學出版社.2000. [3]樓順天.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設計—信號處理.西安電子科技大學出版社.1998.