NxSignal: 使用Elixir Nx进行数字信号处理

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NxSignal: 使用Elixir Nx进行数字信号处理

NxSignal是一个基于Elixir编程语言的数字信号处理(DSP)库,它利用Nx数值计算库提供了强大的信号处理能力。无论您是音频工程师、数据科学家还是信号处理爱好者,NxSignal都能为您的项目带来便利和效率。

为什么选择NxSignal?

NxSignal的诞生源于作者对在Elixir中进行音频处理的探索。然而,它的应用范围并不局限于音频信号。这个库旨在为处理时间序列数据提供一种更为经典的方法,通过傅里叶变换、FIR滤波器、IIR滤波器等数学工具,为用户提供全面的信号处理解决方案。

NxSignal的主要优势包括:

基于Elixir语言,享受函数式编程的优雅和并发处理的便利
利用Nx库的高性能数值计算能力
提供丰富的信号处理函数,如短时傅里叶变换(STFT)、MEL频谱图等
支持多种后端,如EXLA和Torchx,可根据需求选择最适合的计算引擎

NxSignal Architecture

快速上手

要开始使用NxSignal,您需要先安装Elixir。然后,您可以通过以下方式将NxSignal添加到您的Mix项目中:

def deps do
  [
    {:nx_signal, "~> 0.2"}
  ]
end

对于独立开发,您也可以使用Mix.install:

Mix.install([
  {:nx_signal, "~> 0.2"}
])

值得注意的是,NxSignal默认只直接依赖Nx本身。如果您希望使用Torchx或EXLA等其他后端,需要显式地添加它们作为依赖。

核心功能

NxSignal提供了一系列强大的信号处理功能:

时频分析
- 短时傅里叶变换(STFT)
- 逆短时傅里叶变换(ISTFT)
- MEL频谱图生成
窗口函数
- 汉宁窗
- 矩形窗
- 自定义窗口函数支持
滤波器设计
- FIR滤波器
- IIR滤波器
信号生成
- 正弦波
- 方波
- 锯齿波

让我们来看一个使用STFT的简单例子:

alias NxSignal, as: NS
alias NxSignal.Windows

# 生成一个简单的信号
t = Nx.tensor([10, 10, 1, 0, 10, 10, 2, 20])

# 创建一个汉宁窗
w = Windows.hann(n: 4)

# 设置STFT参数
opts = [sampling_rate: 1, fft_length: 4]

# 执行STFT
{z, time, freqs} = NS.stft(t, w, opts)

# z 包含了时频谱
# time 是每个帧的时间
# freqs 是频率bin

这个例子展示了如何对一个简单的信号进行短时傅里叶变换,得到其时频表示。

STFT Spectrogram