手機(jī)按鍵聲分析設(shè)計報告論.docx

XXX學(xué)院手機(jī)按鍵聲分析設(shè)計報告專業(yè) XXXXXXXXXXXXX 班級 XXX級XX班 學(xué)號 XXXXXXX 姓名 XXX 2015年1月19日目 錄摘 要31.緒論41.1 背景41.2 本文主要設(shè)計內(nèi)容42.設(shè)計原理52.1 WAV文件讀入與播放52.1.1 WAV文件的讀入52.1.2 WAV文件的播放52.2 頻域分析及可視化52.2.1 頻域分析52.2.2 頻域可視化62.3 手機(jī)按鍵聲頻譜63.設(shè)計結(jié)果與分析73.1 手機(jī)按鍵聲總的時域波形與頻譜圖73.2 手機(jī)按鍵聲每個按鍵聲的時域波形與頻譜圖73.2.1 手機(jī)按鍵第一聲73.2.2 手機(jī)按鍵第二聲83.2.3手機(jī)按鍵第三聲83.2.4手機(jī)按鍵第四聲83.2.5手機(jī)按鍵第五聲93.2.6手機(jī)按鍵第六聲93.2.7手機(jī)按鍵第七聲103.2.8手機(jī)按鍵第八聲103.2.9手機(jī)按鍵第九聲113.2.10手機(jī)按鍵第十聲113.3 手機(jī)按鍵聲頻率114.總結(jié)12參考文獻(xiàn)12摘 要本文主要實(shí)現(xiàn)了用Matlab軟件對手機(jī)按鍵聲的分析，學(xué)習(xí)了數(shù)字音頻信號輸入Matlab環(huán)境的方法。詳細(xì)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(yīng)的鍵號。同時學(xué)習(xí)了Matlab程序設(shè)計語言，編寫了相應(yīng)的程序。關(guān)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(jī)技術(shù)日新月異的今天，計算機(jī)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(lǐng)域中，計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)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(xué)研究和工程應(yīng)用的過程中，往往需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計算，傳統(tǒng)的紙筆和計算機(jī)已不能滿足海量的計算要求。Matlab的產(chǎn)生是與數(shù)學(xué)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(gòu)是矩陣，它具有非常強(qiáng)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(yīng)用最廣泛的工程計算應(yīng)用軟件之一。Matlab在國外高校已成為大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基礎(chǔ)程序設(shè)計語言。信息處理是科學(xué)研究和工程技術(shù)許多領(lǐng)域都需要進(jìn)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(gòu)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(shù)，是一個非常優(yōu)秀的算法研究和輔助設(shè)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(shè)計內(nèi)容Matlab具有非常強(qiáng)大的計算功能，在這次設(shè)計中， 給出一段手機(jī)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(shè)計原理在matlab中將手機(jī)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(jìn)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(chǔ), 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(yùn)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(kuò)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(kuò)展名則該命令自動將指定文件名后加上“.wav”擴(kuò)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(shè)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(shè)備發(fā)送向量信號。標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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?yàn)橛写罅康闹笖?shù)(等價于三角函數(shù))運(yùn)算，故實(shí)際中多采用快速Fourier變換(FFT)。其原理即是將重復(fù)的三角函數(shù)算計的中間結(jié)果保存起來，以減少重復(fù)三角函數(shù)計算帶來的時間浪費(fèi)。由于三角函數(shù)計算的重復(fù)量相當(dāng)大，故FFT能極大地提高運(yùn)算效率。對音頻信號進(jìn)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(dāng)x為矩陣時y為矩陣x的每一列的FFT。當(dāng)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(diǎn)FFT。當(dāng)x的長度小于n時，fft函數(shù)在x的尾部補(bǔ)零以構(gòu)成長為n的數(shù)據(jù)。當(dāng)x的長度大于n時，fft函數(shù)將序列x截斷，取前n點(diǎn)。當(dāng)x為矩陣時，fft函數(shù)按類似的方式處理列長度。 實(shí)現(xiàn)幅度響應(yīng)要調(diào)用求絕對值或幅值函數(shù)，調(diào)用格式：m=abs(h); 實(shí)現(xiàn)相位響應(yīng)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(biāo)，為縱坐標(biāo)，可以得到幅值譜； 以頻率f為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，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(jī)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1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123A770Hz456B852Hz789C941Hz*/E0#/FD表2.3 雙音多頻（DIMF）信號頻率組合方式3.設(shè)計結(jié)果與分析3.1 手機(jī)按鍵聲總的時域波形與頻譜圖手機(jī)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(jī)按鍵聲時域波形與頻譜圖由圖3.1可看出，該手機(jī)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(jī)按鍵聲每個按鍵聲的時域波形與頻譜圖3.2.1 手機(jī)按鍵第一聲手機(jī)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(jī)按鍵第一聲時域波形與頻譜圖由圖3.2.1可看出，該手機(jī)按鍵第一聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構(gòu)成。3.2.2 手機(jī)按鍵第二聲手機(jī)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(jī)按鍵第二聲時域波形與頻譜圖由圖3.2.2可看出，該手機(jī)按鍵第二聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構(gòu)成。3.2.3手機(jī)按鍵第三聲手機(jī)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(jī)按鍵第三聲時域波形與頻譜圖由圖3.2.3可看出，該手機(jī)按鍵第三聲的頻譜主要由770Hz與1209Hz構(gòu)成。3.2.4手機(jī)按鍵第四聲手機(jī)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(jī)按鍵第四聲時域波形與頻譜圖由圖3.2.4可看出，該手機(jī)按鍵第四聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構(gòu)成。3.2.5手機(jī)按鍵第五聲手機(jī)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(jī)按鍵第五聲時域波形與頻譜圖由圖3.2.5可看出，該手機(jī)按鍵第五聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構(gòu)成。3.2.6手機(jī)按鍵第六聲手機(jī)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(jī)按鍵第六聲時域波形與頻譜圖由圖3.2.6可看出，該手機(jī)按鍵第六聲的頻譜主要由770Hz與1209Hz構(gòu)成。3.2.7手機(jī)按鍵第七聲手機(jī)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(jī)按鍵第七聲時域波形與頻譜圖由圖3.2.7可看出，該手機(jī)按鍵第七聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構(gòu)成。3.2.8手機(jī)按鍵第八聲手機(jī)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(jī)按鍵第八聲時域波形與頻譜圖由圖3.2.8可看出，該手機(jī)按鍵第八聲的頻譜主要由697Hz與1477Hz構(gòu)成。3.2.9手機(jī)按鍵第九聲手機(jī)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(jī)按鍵第九聲時域波形與頻譜圖由圖3.2.9可看出，該手機(jī)按鍵第九聲的頻譜主要由770Hz與1477Hz構(gòu)成。3.2.10手機(jī)按鍵第十聲手機(jī)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(jī)按鍵第十聲時域波形與頻譜圖由圖3.2.10可看出，該手機(jī)按鍵第十聲的頻譜主要由697Hz與1477Hz構(gòu)成。3.3 手機(jī)按鍵聲頻率該手機(jī)按鍵聲的頻率組成數(shù)據(jù)表如表3.3：12345678910低頻群（Hz）770770770770770770770697770697高頻群（Hz）1477147712091477147712091477147714771477鍵號6646646363表3.3 手機(jī)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(shè)計題目是利用MATLAB軟件對音頻信號進(jìn)行頻譜分析與處理。通過完成此次設(shè)計論文，了解了MATLAB的歷史和發(fā)展歷程，進(jìn)一步熟悉了MATLAB程序設(shè)計語言，掌握了該軟件的使用方法。學(xué)會了通過MATLAB可以讀取播放音頻信號，能對其進(jìn)行頻譜分析，并可以實(shí)現(xiàn)頻譜特性的可視化，這使我切身體會到了MATLAB的強(qiáng)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(shè)計，對FFT快速傅里葉變換的理解更加深刻。在此次設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)態(tài)度和勤勞的工作精神，對以后的學(xué)習(xí)生活有很多幫助，這也許是最有價值的。參考文獻(xiàn)1王艷芳，王剛，張曉光等.數(shù)字信號處理原理及實(shí)現(xiàn)M.清華大學(xué)出版社.2008.3（2013.10重?。?黃文梅，熊桂林，楊勇.信號分析與處理MATLAB語言及應(yīng)用.國防科技大學(xué)出版社.2000.3樓順天.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計信號處理.西安電子科技大學(xué)出版社.1998.