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音频识别优化（FFT）

news 来源：原创 2025/8/21 3:44:02

整合多频段检测、动态阈值调整和持续时长验证的完整代码实现，包含详细注释：

#include "esp_dsp.h"
#include "driver/i2s.h"
#include "esp_log.h"
#include "math.h"

static const char* TAG = "ADV_FREQ_DETECT";

/*======= 系统配置 =======*/
#define FFT_SIZE        1024          // FFT点数
#define SAMPLE_RATE     16000         // 采样率
#define NOISE_BINS      50            // 噪声基底计算区间
#define MIN_DURATION    5             // 最小持续帧数(50ms/帧)
#define THRESHOLD_OFFSET 20.0         // 阈值相对噪声基底的偏移量

/*======= 多频段配置 =======*/
typedef struct {
    int target_freq;    // 目标频率(Hz)
    float threshold_db; // 检测阈值(dB)
    int sustain_count;  // 持续计数
    bool triggered;     // 触发状态
} freq_band_t;

// 配置需要检测的三个频段
freq_band_t freq_bands[] = {
    {1000, 0, 0, false},  // 初始阈值设为0，实际运行时动态计算
    {2000, 0, 0, false},
    {3000, 0, 0, false}
};
const int BAND_COUNT = sizeof(freq_bands)/sizeof(freq_band_t);

/*======= 硬件配置 =======*/
__attribute__((aligned(16)))
float fft_input[FFT_SIZE*2];       // FFT输入缓冲
__attribute__((aligned(16)))
float fft_mag[FFT_SIZE/2];         // 幅度谱
__attribute__((aligned(16)))
float window[FFT_SIZE];            // 汉宁窗系数

// I2S配置（根据硬件调整）
#define I2S_CHANNEL     I2S_NUM_0
#define I2S_BUF_SIZE    1024
#define I2S_BCK_PIN     32
#define I2S_WS_PIN      25
#define I2S_DATA_PIN    33

/*======= 核心算法函数 =======*/

// 计算噪声基底（使用前NOISE_BINS个bin）
float calculate_noise_floor(float *spectrum) {
    float sum = 0;
    for(int i=1; i<=NOISE_BINS; i++) { // 从1开始避免DC分量
        sum += spectrum[i];
    }
    return 20 * log10f(sum / NOISE_BINS); // 转换为dB
}

// 检测指定频段是否激活
void check_frequency_band(freq_band_t *band, float *spectrum, float noise_floor) {
    const float freq_res = (float)SAMPLE_RATE / FFT_SIZE;
    const int target_bin = band->target_freq / freq_res;
    const int bin_range = (FREQ_TOLERANCE / freq_res) + 1;

    // 搜索目标区间峰值
    float peak_mag = 0;
    int start_bin = target_bin - bin_range;
    int end_bin = target_bin + bin_range;
    start_bin = start_bin < 1 ? 1 : start_bin; // 跳过DC
    end_bin = end_bin >= FFT_SIZE/2 ? FFT_SIZE/2-1 : end_bin;

    for(int i=start_bin; i<=end_bin; i++) {
        if(spectrum[i] > peak_mag) {
            peak_mag = spectrum[i];
        }
    }

    // 计算实际dB值
    float peak_db = 20 * log10f(peak_mag);
    bool current_detect = (peak_db > (noise_floor + THRESHOLD_OFFSET));

    // 持续时间验证
    if(current_detect) {
        if(++band->sustain_count >= MIN_DURATION) {
            if(!band->triggered) {
                band->triggered = true;
                ESP_LOGI(TAG, "频段%dHz触发! 强度:%.1fdB", 
                        band->target_freq, peak_db);
            }
        }
    } else {
        band->sustain_count = 0;
        if(band->triggered) {
            band->triggered = false;
            ESP_LOGI(TAG, "频段%dHz释放", band->target_freq);
        }
    }
}

/*======= 信号处理流水线 =======*/
void audio_processing_task(void *arg) {
    int16_t raw_data[FFT_SIZE]; // 原始采样缓冲

    while(1) {
        // 1. 采集音频数据
        size_t bytes_read = 0;
        i2s_read(I2S_CHANNEL, raw_data, sizeof(raw_data), &bytes_read, portMAX_DELAY);

        // 2. 预处理：加窗转换
        for(int i=0; i<FFT_SIZE; i++) {
            fft_input[i*2] = (float)raw_data[i] * window[i]; // 实部
            fft_input[i*2+1] = 0;                            // 虚部
        }

        // 3. 执行FFT
        dsps_fft2r_fc32(fft_input, FFT_SIZE);
        dsps_bit_rev_fc32(fft_input, FFT_SIZE);
        dsps_cplx2real_fc32(fft_input, FFT_SIZE);

        // 4. 计算幅度谱
        for(int i=0; i<FFT_SIZE/2; i++) {
            float real = fft_input[i*2];
            float imag = fft_input[i*2+1];
            fft_mag[i] = sqrtf(real*real + imag*imag);
        }

        // 5. 动态阈值计算
        float noise_floor = calculate_noise_floor(fft_mag);

        // 6. 多频段检测
        for(int i=0; i<BAND_COUNT; i++) {
            check_frequency_band(&freq_bands[i], fft_mag, noise_floor);
        }

        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10)); // 10ms周期
    }
}

/*======= 初始化函数 =======*/
void init_system() {
    // 初始化I2S
    i2s_config_t i2s_cfg = {
        .mode = I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_RX | I2S_MODE_PDM,
        .sample_rate = SAMPLE_RATE,
        .bits_per_sample = I2S_BITS_PER_SAMPLE_16BIT,
        .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFT,
        .communication_format = I2S_COMM_FORMAT_STAND_I2S,
        .dma_buf_count = 4,
        .dma_buf_len = I2S_BUF_SIZE,
        .intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1
    };
    i2s_pin_config_t pin_cfg = {
        .bck_io_num = I2S_BCK_PIN,
        .ws_io_num = I2S_WS_PIN,
        .data_in_num = I2S_DATA_PIN,
        .data_out_num = -1
    };
    i2s_driver_install(I2S_CHANNEL, &i2s_cfg, 0, NULL);
    i2s_set_pin(I2S_CHANNEL, &pin_cfg);

    // 初始化FFT
    dsps_fft2r_init_fc32(NULL, FFT_SIZE);
    dsps_wind_hann_f32(window, FFT_SIZE); // 生成窗函数

    ESP_LOGI(TAG, "系统初始化完成，开始运行...");
}

void app_main() {
    init_system();
    xTaskCreate(audio_processing_task, "audio_proc", 4096, NULL, 5, NULL);
}

关键增强功能说明

  1. 多频段独立检测：

    • 使用freq_band_t结构体管理每个频段的参数

    • 并行检测多个频段，各频段独立维护触发状态

    • 示例配置检测1000Hz、2000Hz、3000Hz三个频段

  2. 自适应噪声基底：

    // 噪声基底计算（排除直流分量）
|[1-50] bins| --> 平均值 --> dB转换 --> 噪声基底
// 动态阈值 = 噪声基底 + 固定偏移(20dB)

  3. 持续时长验证机制：

    graph LR
A[当前检测到信号] --> B{持续计数 >=5?}
B -->|是| C[标记触发]
B -->|否| D[计数+1]
E[未检测到信号] --> F[复位计数器]

  4. 状态管理优化：

    • 触发时记录时间戳，避免重复报警

    • 释放时明确状态变更

    • 提供完整的触发-保持-释放状态周期

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ORM 即对象关系映射&#xff08;Object Relational Mapping&#xff09;&#xff0c;它是一种编程技术&#xff0c;其作用是在面向对象编程语言里&#xff0c;把对象模型和关系型数据库的数据结构之间创建起映射&#xff0c;这样开发者就能够使用面向对象的方式来操作数据库&am…...

编程日记 2025/8/17 20:40:43

ARINC818协议-持续

一、帧头帧尾 SOF 和 EOF 分别代表视频帧传输的开始与结束&#xff0c;它们在封装过程有多种状态&#xff0c;SOF 分为 SOFi 和 SOFn&#xff0c;EOF 分为 EOFt 和 EOFn。传输系统中的视频信息包括像素数据信 息和辅助数据信息&#xff0c;分别存储在有效数据中的对象 0 和对象…...

编程日记 2025/8/20 14:21:55

【uniapp】uni.setClipboardData 方法失效 bug 解决方案

写了一个 copy 方法&#xff0c;但是怎么也没有弹窗复制成功 <text click"toCopy(myInfo.id)">复制 </text> 逐步打印发现 1 正常打印&#xff0c;2 没有打印&#xff0c;说明问题出现在 setClipboardData 方法执行中 toCopy(n) {// console.log(1,ty…...

编程日记 2025/8/17 20:26:31

智能sc一面

智能sc一面-2025/4/17 更多完善&#xff1a;真实面经 Java 的异常分类 异常分为两类&#xff0c;一类Error,一类Execption。这两个类都是Throwable的子类&#xff0c;只有继承Throwable 的类才可以被throw或者catch Error: 表示严重的系统问题&#xff0c;通常与代码无关&am…...

编程日记 2025/8/20 18:20:28

SAP HANA使用命令行快速导出导入

楔子 今天折腾了接近一下午&#xff0c;就为了使用SAP HANA自带的命令行工具来导出数据备份。 SAP HANA&#xff08;后续简称Hana&#xff09;是内存数据库&#xff0c;性能这一方面上还真没怕过谁。 由于SAP HANA提供了Hana Studio这个桌面工具来方便运维和DBA使用&#xf…...

编程日记 2025/8/17 19:04:56

Oracle DBMS_SCHEDULER 与 DBMS_JOB 的对比

Oracle DBMS_SCHEDULER 与 DBMS_JOB 的对比 一 基本概述对比 特性DBMS_JOB (旧版)DBMS_SCHEDULER (新版)引入版本Oracle 7 (1992年)Oracle 10g R1 (2003年)当前状态已过时但仍支持推荐使用的标准设计目的基础作业调度企业级作业调度系统 二 功能特性对比 2.1 作业定义能力 …...

编程日记 2025/8/19 6:38:25

【音视频】音视频FLV合成实战

FFmpeg合成流程 示例本程序会⽣成⼀个合成的⾳频和视频流&#xff0c;并将它们编码和封装输出到输出⽂件&#xff0c;输出格式是根据⽂件扩展名⾃动猜测的。 示例的流程图如下所示。 ffmpeg 的 Mux 主要分为 三步操作&#xff1a; avformat_write_header &#xff1a; 写⽂件…...

编程日记 2025/8/19 18:30:47

10.（vue3.x+vite）div实现tooltip功能（css实现）

1：效果截图 2：代码实现 <template><div><div class="tooltip" style="margin-top: 20%; margin-left: 20%; background-color: blueviolet; color: white;...

编程日记 2025/8/17 20:49:58