Fourier-muunnos ja Z-muunnos

Ensimmäisellä tunnilla tutustuttiin Fourier-muunnoksen ominaisuuksiin. Ominaisuuksista tutustuttiin lähemmin siirtoon ajassa (esim. laske signaalin x(n+20) muunnos, kun tiedetään x(n):n muunnos) sekä konvoluution muunnokseen (DFT muuntaa konvoluution kertolaskuksi, eli x(n)*y(n) -> X(n)Y(n)). 

Yksi tämän ominaisuuden seurauksista on että Fourier-muunnoksen (käytännössä FFT:n) avulla voidaan laskea konvoluutio kaavasta (Matlabin syntaksilla ilmaistuna):

conv(x,y) = ifft(fft(x) .* fft(y))

Lisäksi käsiteltiin nopeaa Fourier-muunnosta eli FFT:tä, joka on vain nopeampi tapa toteuttaa diskreetti Fourier-muunnos (DFT). FFT perustuu signaalin jakamiseen lyhyempiin pätkiin, jotka muunnetaan jakamalla ne edelleen rekursiivisesti kahtia. Rekursio päättyy, kun muunnoksen pituus on 1, jolloin muunnosta ei tarvitse enää tehdä. 1-ulotteisen vektorin tapauksessa muunnosmatriisi on yksinkertaisesti F = [1], joka tarkoittaa pelkkää ykkösellä kertomista eikä sitä tarvitse tehdä. Lyhyemmistä vektoreista saadaan koostettua pidemmät vektorit kaavoilla (3.3) ja (3.4).

Lisäksi tutustuttiin demoon, jossa tunnistettiin automaattisesti puheesta S-kirjaimet. Alla on luennon esimerkkikoodi S-kirjaimen tunnistuksesta.

function vokaalin_tunnistus()
%
% Esimerkki vokaalin ja S-kirjaimen erottelusta äänisignaalista.
% heikki.huttunen@tut.fi -- 4.2.2015
%

close all

% Ladataan opetusaineisto:

[x, Fs] = audioread('seiska.wav');

[X, H, numFrames] = extractFeatures(x, Fs);
title ('Merkitse S-kirjaimet hiirella');

isConsonant = zeros(numFrames, 1);

while true
    
    [x1, y1] = ginput(1);
    [x2, y2] = ginput(1);
    
    if x1 > x2
        xt = x1;
        x1 = x2;
        x2 = xt;
    end
    
    isConsonant(round(x1 * numFrames) : round(x2 * numFrames)) = 1;
    
    response = questdlg('Jatketaanko annotointia?', ...
        'Kysymys', ...
        'Kyllä', 'Ei', 'Kyllä');
    
    if strcmp(response, 'Ei')
        break
    end
    
end

[B, FitInfo] = lassoglm(X, isConsonant, 'binomial', 'CV', 5);
B = B(:,FitInfo.IndexMinDeviance);
B0 = FitInfo.Intercept(FitInfo.IndexMinDeviance);
yHat = sigmoid(X*B + B0);

coefficients = H * B;

figure()
subplot(211)
plot(yHat);
ylabel('S-kirjaimen TN')
subplot(212)
stem(coefficients)

response = questdlg('Valmiina tunnistamaan?', ...
    'Tunnistus', ...
    'OK', 'OK');

while true
    
    close all
    
    myRecObj = audiorecorder(Fs, 16, 1);
    recordblocking(myRecObj, 2);
    y = getaudiodata(myRecObj);
    
    X = extractFeatures(y, Fs);
    yHat = sigmoid(X*B + B0);
    
    figure()
    subplot(211)
    plot(yHat);
    subplot(212)
    [~,f,t,S] = spectrogram(y, 256, 128, 256, Fs, 'yaxis');
    surf(t, f, 10*log10(abs(S)), 'EdgeColor', 'none');
    axis xy; axis tight; colormap(jet); view(0,90);
    
    response = questdlg('Jatketaanko tunnistusta?', ...
        'Kysymys', ...
        'Kyllä', 'Ei', 'Kyllä');
    
    if strcmp(response, 'Ei')
        break
    end
    
end

end

function [F, H, numFrames] = extractFeatures(x, Fs)

[~,f,t,S] = spectrogram(x, 256, 128, 256, Fs, 'yaxis');
surf(t, f, 10*log10(abs(S)), 'EdgeColor', 'none');
axis xy; axis tight; colormap(jet); view(0,90);

S = log10(S)';

H = [];
n = (1:size(S, 2))';

for k = 0:3
    H = [H, n.^k];
end

F = S * H;
numFrames = size(S, 1);

end

function y = sigmoid(x)

y = 1 ./ (1 + exp(-x));

end
 

Toisella tunnilla johdettiin nopean Fourier-muunnoksen menetelmä (FFT), jonka jälkeen tarkasteltiin Z-muunnosta ja sen tärkeimpiä ominaisuuksia. Z-muunnoksen avulla voidaan selvittää mm. suotimen stabiilisuus: suodin on stabiili jos kaikki siirtofunktion navat ovat yksikköympyrän sisäpuolella.