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XXX學(xué)院 手機(jī)按鍵聲分析設(shè)計(jì)報(bào)告 專業(yè) XXXXXXXXXXXXX 班級(jí) XXX級(jí)XX班 學(xué)號(hào) 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(shè)計(jì)內(nèi)容 4 2.設(shè)計(jì)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(jī)按鍵聲頻譜 6 3.設(shè)計(jì)結(jié)果與分析 7 3.1 手機(jī)按鍵聲總的時(shí)域波形與頻譜圖 7 3.2 手機(jī)按鍵聲每個(gè)按鍵聲的時(shí)域波形與頻譜圖 7 3.2.1 手機(jī)按鍵第一聲 7 3.2.2 手機(jī)按鍵第二聲 8 3.2.3手機(jī)按鍵第三聲 8 3.2.4手機(jī)按鍵第四聲 8 3.2.5手機(jī)按鍵第五聲 9 3.2.6手機(jī)按鍵第六聲 9 3.2.7手機(jī)按鍵第七聲 10 3.2.8手機(jī)按鍵第八聲 10 3.2.9手機(jī)按鍵第九聲 11 3.2.10手機(jī)按鍵第十聲 11 3.3 手機(jī)按鍵聲頻率 11 4.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(duì)手機(jī)按鍵聲的分析，學(xué)習(xí)了數(shù)字音頻信號(hào)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(guò)FFT快速傅里葉算法分析了每個(gè)按鍵聲的幅頻特性，從而根據(jù)每個(gè)按鍵聲的頻譜并查表得出該聲音所對(duì)應(yīng)的鍵號(hào)。同時(shí)學(xué)習(xí)了Matlab程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫(xiě)了相應(yīng)的程序。 關(guān)鍵詞 Matlab 數(shù)字音頻信號(hào) FFT快速傅里葉算法 幅頻特性 1.緒論 1.1 背景 在計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的今天，計(jì)算機(jī)已同人們的日常生活和工作越來(lái)越緊密的聯(lián)系在一起。而在工程計(jì)算領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用正逐漸把科技人員從繁重的計(jì)算工作中解放出來(lái)。在科學(xué)研究和工程應(yīng)用的過(guò)程中，往往需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，傳統(tǒng)的紙筆和計(jì)算機(jī)已不能滿足海量的計(jì)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(jì)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(jì)算應(yīng)用軟件之一。Matlab在國(guó)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(jì)語(yǔ)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(gè)重要環(huán)節(jié)，Matlab將信號(hào)處理中許多常用的算法編寫(xiě)成可調(diào)用的函數(shù)，匯聚構(gòu)成了信號(hào)處理工具箱。它的信號(hào)處理工具箱包含了各種經(jīng)典和現(xiàn)代的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，是一個(gè)非常優(yōu)秀的算法研究和輔助設(shè)計(jì)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(jì)內(nèi)容 Matlab具有非常強(qiáng)大的計(jì)算功能，在這次設(shè)計(jì)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(hào)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(gè)按鍵被按下。 2.設(shè)計(jì)原理 在matlab中將手機(jī)按鍵聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后用FFT快速傅里葉變換對(duì)聲音信號(hào)逐個(gè)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(lái)了解信號(hào)特征。常見(jiàn)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(lái)計(jì)算序列的離散傅里葉變換DFT。FFT是時(shí)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(wú)“.wav”擴(kuò)展名?jiǎng)t該命令自動(dòng)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(gè)采樣的比特?cái)?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(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的音頻采樣率有8000、11025、22050和44100HZ。 （2）wavplay (y); 自動(dòng)采樣率為11025HZ。 2.2 頻域分析及可視化 2.2.1 頻域分析 對(duì)于給定的時(shí)域信號(hào)y，可以通過(guò)Fourier變換得到頻域信息Y。Y可按下式計(jì)算 式中，N為樣本容量，為采樣間隔。 采樣信號(hào)的頻譜是一個(gè)連續(xù)的頻譜，不可能計(jì)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(jì)算效率很低，因?yàn)橛写罅康闹笖?shù)(等價(jià)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(jì)的中間結(jié)果保存起來(lái)，以減少重復(fù)三角函數(shù)計(jì)算帶來(lái)的時(shí)間浪費(fèi)。由于三角函數(shù)計(jì)算的重復(fù)量相當(dāng)大，故FFT能極大地提高運(yùn)算效率。 對(duì)音頻信號(hào)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(jì)算矢量x的離散傅立葉變換，當(dāng)x為矩陣時(shí)y為矩陣x的每一列的FFT。當(dāng)x的長(zhǎng)度為2的冥次方時(shí)，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(zhǎng)度小于n時(shí)，fft函數(shù)在x的尾部補(bǔ)零以構(gòu)成長(zhǎng)為n的數(shù)據(jù)。當(dāng)x的長(zhǎng)度大于n時(shí)，fft函數(shù)將序列x截?cái)啵∏皀點(diǎn)。當(dāng)x為矩陣時(shí)，fft函數(shù)按類似的方式處理列長(zhǎng)度。 實(shí)現(xiàn)幅度響應(yīng)要調(diào)用求絕對(duì)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(hào)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(hào)時(shí)將撥號(hào)盤(pán)上的0-F共16個(gè)數(shù)字，用音頻范圍的8個(gè)頻率來(lái)表示的一種編碼方式。8個(gè)頻率分為高頻群和低頻群兩組，分別作為列頻和行頻。每個(gè)字符的信號(hào)由來(lái)自列頻和行頻的兩個(gè)頻率的正弦信號(hào)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(hào)頻率組合方式 3.設(shè)計(jì)結(jié)果與分析 3.1 手機(jī)按鍵聲總的時(shí)域波形與頻譜圖 手機(jī)按鍵聲十個(gè)按鍵聲的時(shí)域波形與頻譜圖如圖3.1： 圖3.1 手機(jī)按鍵聲時(shí)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(gè)按鍵聲的時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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： 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(hào) 6 6 4 6 6 4 6 3 6 3 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(hào)聲撥打的號(hào)碼為6646646363。 4.總結(jié) 本設(shè)計(jì)題目是利用MATLAB軟件對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析與處理。通過(guò)完成此次設(shè)計(jì)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(jì)語(yǔ)言，掌握了該軟件的使用方法。學(xué)會(huì)了通過(guò)MATLAB可以讀取播放音頻信號(hào)，能對(duì)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(huì)到了MATLAB的強(qiáng)大功能，明確了MATLAB在信號(hào)處理中的重要作用。同時(shí)通過(guò)此次的設(shè)計(jì)，對(duì)FFT快速傅里葉變換的理解更加深刻。 在此次設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)態(tài)度和勤勞的工作精神，對(duì)以后的學(xué)習(xí)生活有很多幫助，這也許是最有價(jià)值的。 參考文獻(xiàn) [1]王艷芳，王剛，張曉光等.數(shù)字信號(hào)處理原理及實(shí)現(xiàn)[M].清華大學(xué)出版社.2008.3（2013.10重印） [2]黃文梅，熊桂林，楊勇.信號(hào)分析與處理—MATLAB語(yǔ)言及應(yīng)用.國(guó)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(jì)—信號(hào)處理.西安電子科技大學(xué)出版社.1998.