手机按键声分析设计报告论.docx

XXX学院手机按键声分析设计报告专业 XXXXXXXXXXXXX 班级 XXX级XX班 学号 XXXXXXX 姓名 XXX 2015年1月19日目 录摘 要31.绪论41.1 背景41.2 本文主要设计内容42.设计原理52.1 WAV文件读入与播放52.1.1 WAV文件的读入52.1.2 WAV文件的播放52.2 频域分析及可视化52.2.1 频域分析52.2.2 频域可视化62.3 手机按键声频谱63.设计结果与分析73.1 手机按键声总的时域波形与频谱图73.2 手机按键声每个按键声的时域波形与频谱图73.2.1 手机按键第一声73.2.2 手机按键第二声83.2.3手机按键第三声83.2.4手机按键第四声83.2.5手机按键第五声93.2.6手机按键第六声93.2.7手机按键第七声103.2.8手机按键第八声103.2.9手机按键第九声113.2.10手机按键第十声113.3 手机按键声频率114.总结12参考文献12摘 要本文主要实现了用Matlab软件对手机按键声的分析，学习了数字音频信号输入Matlab环境的方法。详细了解了FFT快速傅里叶算法，通过FFT快速傅里叶算法分析了每个按键声的幅频特性，从而根据每个按键声的频谱并查表得出该声音所对应的键号。同时学习了Matlab程序设计语言，编写了相应的程序。关键词 Matlab 数字音频信号 FFT快速傅里叶算法 幅频特性1.绪论1.1 背景在计算机技术日新月异的今天，计算机已同人们的日常生活和工作越来越紧密的联系在一起。而在工程计算领域中，计算机技术的应用正逐渐把科技人员从繁重的计算工作中解放出来。在科学研究和工程应用的过程中，往往需要进行大量的数学计算，传统的纸笔和计算机已不能满足海量的计算要求。Matlab的产生是与数学紧密联系在一起的，Matlab由主包和功能各异的工具箱组成，其基本数据结构是矩阵，它具有非常强大的计算功能，正是凭借其杰出的性能，Matalab现在已成为世界上应用最广泛的工程计算应用软件之一。Matlab在国外高校已成为大学生、硕士生、博士生必须掌握的基础程序设计语言。信息处理是科学研究和工程技术许多领域都需要进行的一个重要环节，Matlab将信号处理中许多常用的算法编写成可调用的函数，汇聚构成了信号处理工具箱。它的信号处理工具箱包含了各种经典和现代的数字信号处理技术，是一个非常优秀的算法研究和辅助设计工具。而FFT快速傅里叶变换就是其中一种算法。1.2 本文主要设计内容Matlab具有非常强大的计算功能，在这次设计中， 给出一段手机按键声音，用Matlab将声音转换为数字信号并分析，按照声音出现的先后顺序逐字分析，确定是那几个按键被按下。2.设计原理在matlab中将手机按键声音信号转化为数字信号，然后用FFT快速傅里叶变换对声音信号逐个进行频谱分析。频谱分析用傅立叶变换将波形x(t)变换为频谱X(f)从另一角度来了解信号特征。常见傅里叶变换有DFT和FFT。DFT是FFT的基础, FFT是DFT的快速算法,在MATLAB中可以利用函数fft来计算序列的离散傅里叶变换DFT。FFT是时域和频域转换的基本运算。 2.1 WAV文件读入与播放MATLAB可支持两种格式的输入输出NeST/SUN(后缀为“.au”)和Microsoft WAV文件，后缀为“.wav”。本文采用的是WAV声音文件。2.1.1 WAV文件的读入wavread用于读取Microsoft的扩展名为“.wav”的声音文件其调用格式如下y=wavread(file)，其作用是从字符串file所指定的文件路径读取wave文件将读取的采样数据送到y中。若file中无“.wav”扩展名则该命令自动将指定文件名后加上“.wav”扩展名。 y,fs,nbits=wavread(file); 其作用是返回采样率和每个采样的比特数。2.1.2 WAV文件的播放Wavplay利用Windows音频输出设备播放声音，其调用格式是（1）wavplay(y,fs); 以采样频率fs向Windows音频设备发送向量信号。标准的音频采样率有8000、11025、22050和44100HZ。 （2）wavplay (y); 自动采样率为11025HZ。2.2 频域分析及可视化2.2.1 频域分析对于给定的时域信号y，可以通过Fourier变换得到频域信息Y。Y可按下式计算 式中，N为样本容量，为采样间隔。采样信号的频谱是一个连续的频谱，不可能计算出所有的点的值，故采用离散Fourier变换DFT，即式中，。但上式的计算效率很低，因为有大量的指数(等价于三角函数)运算，故实际中多采用快速Fourier变换(FFT)。其原理即是将重复的三角函数算计的中间结果保存起来，以减少重复三角函数计算带来的时间浪费。由于三角函数计算的重复量相当大，故FFT能极大地提高运算效率。对音频信号进行频谱分析要调用fft(快速傅立叶变换)，调用格式为两种：y=fft(x); y=fft(x,n); y=fft(x)利用FFT算法计算矢量x的离散傅立叶变换，当x为矩阵时y为矩阵x的每一列的FFT。当x的长度为2的冥次方时，则fft采用基-2FFT算法，否则采用稍慢的混合基算法。 y=fft(x,n)采用n点FFT。当x的长度小于n时，fft函数在x的尾部补零以构成长为n的数据。当x的长度大于n时，fft函数将序列x截断，取前n点。当x为矩阵时，fft函数按类似的方式处理列长度。 实现幅度响应要调用求绝对值或幅值函数，调用格式：m=abs(h); 实现相位响应要调用求相角函数，调用格式：P=angle(h);2.2.2 频域可视化为了直观地表示信号的频率特性，工程上常常将Fourier变换的结果用图形的方式表示，即频谱图。以频率f为横坐标，为纵坐标，可以得到幅值谱； 以频率f为横坐标，为纵坐标，可以得到相位谱；频谱可视化要调用plot函数，调用格式：plot(x)2.3 手机按键声频谱双音多频（DIMF）信号时将拨号盘上的0-F共16个数字，用音频范围的8个频率来表示的一种编码方式。8个频率分为高频群和低频群两组，分别作为列频和行频。每个字符的信号由来自列频和行频的两个频率的正弦信号叠加而成。频率组合方式如表2.3所示。频率1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz697Hz123A770Hz456B852Hz789C941Hz*/E0#/FD表2.3 双音多频（DIMF）信号频率组合方式3.设计结果与分析3.1 手机按键声总的时域波形与频谱图手机按键声十个按键声的时域波形与频谱图如图3.1：图3.1 手机按键声时域波形与频谱图由图3.1可看出，该手机按键声的频谱低频群主要在600Hz到800Hz之间，而高频群这是分布在1200Hz左右和1400Hz至1600Hz之间。3.2 手机按键声每个按键声的时域波形与频谱图3.2.1 手机按键第一声手机按键第一声的时域波形与频谱图如图3.2.1：图3.2.1 手机按键第一声时域波形与频谱图由图3.2.1可看出，该手机按键第一声的频谱主要由770Hz与1477Hz构成。3.2.2 手机按键第二声手机按键第二声的时域波形与频谱图如图3.2.2：图3.2.2 手机按键第二声时域波形与频谱图由图3.2.2可看出，该手机按键第二声的频谱主要由770Hz与1477Hz构成。3.2.3手机按键第三声手机按键第三声的时域波形与频谱图如图3.2.3：图3.2.3 手机按键第三声时域波形与频谱图由图3.2.3可看出，该手机按键第三声的频谱主要由770Hz与1209Hz构成。3.2.4手机按键第四声手机按键第四声的时域波形与频谱图如图3.2.4：图3.2.4 手机按键第四声时域波形与频谱图由图3.2.4可看出，该手机按键第四声的频谱主要由770Hz与1477Hz构成。3.2.5手机按键第五声手机按键第五声的时域波形与频谱图如图3.2.5：图3.2.5 手机按键第五声时域波形与频谱图由图3.2.5可看出，该手机按键第五声的频谱主要由770Hz与1477Hz构成。3.2.6手机按键第六声手机按键第六声的时域波形与频谱图如图3.2.6：图3.2.6 手机按键第六声时域波形与频谱图由图3.2.6可看出，该手机按键第六声的频谱主要由770Hz与1209Hz构成。3.2.7手机按键第七声手机按键第七声的时域波形与频谱图如图3.2.7：图3.2.7 手机按键第七声时域波形与频谱图由图3.2.7可看出，该手机按键第七声的频谱主要由770Hz与1477Hz构成。3.2.8手机按键第八声手机按键第八声的时域波形与频谱图如图3.2.8：图3.2.8 手机按键第八声时域波形与频谱图由图3.2.8可看出，该手机按键第八声的频谱主要由697Hz与1477Hz构成。3.2.9手机按键第九声手机按键第九声的时域波形与频谱图如图3.2.9：图3.2.9 手机按键第九声时域波形与频谱图由图3.2.9可看出，该手机按键第九声的频谱主要由770Hz与1477Hz构成。3.2.10手机按键第十声手机按键第十声的时域波形与频谱图如图3.2.10：图3.2.10 手机按键第十声时域波形与频谱图由图3.2.10可看出，该手机按键第十声的频谱主要由697Hz与1477Hz构成。3.3 手机按键声频率该手机按键声的频率组成数据表如表3.3：12345678910低频群（Hz）770770770770770770770697770697高频群（Hz）1477147712091477147712091477147714771477键号6646646363表3.3 手机按键声的频率组成数据表 由表3.3可以得出该拨号声拨打的号码为6646646363。4.总结本设计题目是利用MATLAB软件对音频信号进行频谱分析与处理。通过完成此次设计论文，了解了MATLAB的历史和发展历程，进一步熟悉了MATLAB程序设计语言，掌握了该软件的使用方法。学会了通过MATLAB可以读取播放音频信号，能对其进行频谱分析，并可以实现频谱特性的可视化，这使我切身体会到了MATLAB的强大功能，明确了MATLAB在信号处理中的重要作用。