[C#/COMMON/NAUDIO/.NET8] FSK (Frequency Shift Keying) 변조 사용하기
■ FSK (Frequency Shift Keying) 변조를 사용하는 방법을 보여준다. [Encoder 프로젝트] ▶ Program.cs
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using System; using System.IO; using System.Linq; using System.Numerics; using System.Text; using NAudio.Wave; namespace DECODER; /// <summary> /// 디코더 /// </summary> class Decoder { //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Method ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Static //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Private #region 다음 2의 거듭 제곱 구하기 - NextPowerOfTwo(value) /// <summary> /// 다음 2의 거듭 제곱 구하기 /// </summary> /// <param name="value">값</param> /// <returns></returns> /// <remarks>입력값보다 큰 가장 작은 2의 거듭 제곱을 계산한다.</remarks> private static int NextPowerOfTwo(int value) { int power = 1; while(power < value) { power <<= 1; } return power; } #endregion #region 비트 반전하기 - BitReverse(bitValue, bitCount) /// <summary> /// 비트 반전하기 /// </summary> /// <param name="bitValue">비트 값</param> /// <param name="bitCount">비트 수</param> /// <returns>반전 비트 값</returns> private static int BitReverse(int bitValue, int bitCount) { int reversed = 0; for(int i = 0; i < bitCount; i++) { int nextBit = (bitValue >> i) & 1; reversed |= (nextBit << (bitCount - i - 1)); } return reversed; } #endregion #region FFT 처리하기 - FFT(complexArray) /// <summary> /// FFT 처리하기 /// </summary> /// <param name="complexArray">복소수 배열</param> private static void FFT(Complex[] complexArray) { int complexArrayLength = complexArray.Length; if(complexArrayLength <= 1) { return; } // Bit reversal permutation int m1 = (int)Math.Log(complexArrayLength, 2); for(int i = 0; i < complexArrayLength; i++) { int j = BitReverse(i, m1); if(j > i) { Complex t = complexArray[i]; complexArray[i] = complexArray[j]; complexArray[j] = t; } } // Cooley-Tukey FFT for(int s = 1; s <= m1; s++) { int m2 = 1 << s; Complex wm = Complex.Exp(-2.0 * Math.PI * Complex.ImaginaryOne / m2); for(int k = 0; k < complexArrayLength; k += m2) { Complex w = 1; for(int j = 0; j < m2 / 2; j++) { int index1 = k + j; int index2 = k + j + m2 / 2; Complex t = w * complexArray[index2]; Complex u = complexArray[index1]; complexArray[index1] = u + t; complexArray[index2] = u - t; w *= wm; } } } } #endregion #region 프로그램 시작하기 - Main(argumentArray) /// <summary> /// 프로그램 시작하기 /// </summary> /// <param name="argumentArray">인자 배열</param> private static void Main(string[] argumentArray) { if(argumentArray.Length != 2) { Console.WriteLine("사용법 : decoder.exe source.wav target.zip"); return; } string sourceFilePath = argumentArray[0]; string targetFilePath = argumentArray[1]; int samplingFrequency = 44100; // 샘플링 주파수 double durationPerBit = 0.01; // 각 비트의 지속 시간 (초) int sampleCountPerBit = (int)(samplingFrequency * durationPerBit); int frequency0 = 1000; // '0'에 대한 주파수 int frequency1 = 2000; // '1'에 대한 주파수 // 시작 및 종료 마커를 설정한다. string startMarkerBitString = "1111000011110000"; string endMarkerBitString = "0000111100001111"; // WAV 파일을 읽는다. float[] signalArray; using(AudioFileReader audioFileReader = new(sourceFilePath)) { int totalSampleCount = (int)audioFileReader.Length / (audioFileReader.WaveFormat.BitsPerSample / 8); signalArray = new float[totalSampleCount]; int readSampleCount = audioFileReader.Read(signalArray, 0, totalSampleCount); } int bitCount = signalArray.Length / sampleCountPerBit; StringBuilder bitStringBuilder = new StringBuilder(); for(int i = 0; i < bitCount; i++) { int start = i * sampleCountPerBit; int end = start + sampleCountPerBit; if(end > signalArray.Length) { break; } float[] segmentArray = new float[sampleCountPerBit]; Array.Copy(signalArray, start, segmentArray, 0, sampleCountPerBit); // 입력 배열 길이를 가장 가까운 2의 거듭제곱으로 패딩한다. int paddedLength = NextPowerOfTwo(segmentArray.Length); Complex[] fftComplexArray = new Complex[paddedLength]; for(int j = 0; j < segmentArray.Length; j++) { fftComplexArray[j] = new Complex(segmentArray[j], 0); } for(int j = segmentArray.Length; j < paddedLength; j++) { fftComplexArray[j] = Complex.Zero; } // 주파수 분석을 위한 FFT를 수행한다. FFT(fftComplexArray); double[] magnitudeArray = fftComplexArray.Take(paddedLength / 2).Select(c => c.Magnitude).ToArray(); int peakIndex = Array.IndexOf(magnitudeArray, magnitudeArray.Max()); double peakFrequency = (double)peakIndex * samplingFrequency / paddedLength; // 주파수에 따라 비트를 결정한다. if(Math.Abs(peakFrequency - frequency0) < 100) { bitStringBuilder.Append('0'); } else if(Math.Abs(peakFrequency - frequency1) < 100) { bitStringBuilder.Append('1'); } else { bitStringBuilder.Append('?'); } } string bitStream = bitStringBuilder.ToString(); // 비트 스트림에서 시작 및 종료 마커를 찾는다. int startMarkerIndex = bitStream.IndexOf(startMarkerBitString); int endMarkerIndex = bitStream.IndexOf(endMarkerBitString); if(startMarkerIndex == -1 || endMarkerIndex == -1) { Console.WriteLine("시작 또는 종료 마커를 찾을 수 없습니다."); return; } int dataStart = startMarkerIndex + startMarkerBitString.Length; int dataEnd = endMarkerIndex; string dataBitStream = bitStream.Substring(dataStart, dataEnd - dataStart); // 파일 크기를 추출한다. (첫 32비트) if(dataBitStream.Length < 32) { Console.WriteLine("파일 크기 정보를 읽을 수 없습니다."); return; } string fileSizeString = dataBitStream.Substring(0, 32); dataBitStream = dataBitStream.Substring(32); // 파일 크기를 정수로 변환한다. int fileSize = Convert.ToInt32(fileSizeString, 2); // 결정할 수 없는 비트를 제거한다. dataBitStream = dataBitStream.Replace("?", ""); // 비트를 바이트로 변환한다. int byteCount = dataBitStream.Length / 8; byte[] dataByteArray = new byte[byteCount]; for(int i = 0; i < byteCount; i++) { string byteBitString = dataBitStream.Substring(i * 8, 8); dataByteArray[i] = Convert.ToByte(byteBitString, 2); } // 파일 크기에 따라 데이터를 자른다. if(dataByteArray.Length > fileSize) { byte[] tempByteArray = new byte[fileSize]; Array.Copy(dataByteArray, tempByteArray, fileSize); dataByteArray = tempByteArray; } // 복원된 파일을 저장한다. File.WriteAllBytes(targetFilePath, dataByteArray); Console.WriteLine("디코딩 완료 : " + targetFilePath); } #endregion } |
[Decoder 프로젝트] ▶ requirements.txt
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using System; using System.IO; using System.Linq; using NAudio.Wave; namespace ENCODER; /// <summary> /// 인코더 /// </summary> class Encoder { //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Method ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Static //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Private #region 프로그램 시작하기 - Main(argumentArray) /// <summary> /// 프로그램 시작하기 /// </summary> /// <param name="argumentArray">인자 배열</param> private static void Main(string[] argumentArray) { if(argumentArray.Length != 2) { Console.WriteLine("사용법 : encoder.exe source.zip target.wav"); return; } string sourceFilePath = argumentArray[0]; string targetFilePath = argumentArray[1]; // 소스 파일을 읽는다. byte[] sourceFileByteArray = File.ReadAllBytes(sourceFilePath); int sourceFileSize = sourceFileByteArray.Length; // 바이트를 비트로 변환한다. string dataBitString = string.Join(string.Empty, sourceFileByteArray.Select(sourceByte => Convert.ToString(sourceByte, 2).PadLeft(8, '0'))); // 파일 크기를 헤더에 추가한다. (32비트로 표현) string fileSizeBitString = Convert.ToString(sourceFileSize, 2).PadLeft(32, '0'); // 시작 및 종료 마커 문자열을 설정한다. string startMarkerString = "1111000011110000"; string endMarkerString = "0000111100001111"; // 전체 비트 스트림을 생성한다. string bitStreamString = startMarkerString + fileSizeBitString + dataBitString + endMarkerString; // 파라미터를 설정한다. int samplingFrequency = 44100; // 샘플링 주파수 double durationPerBit = 0.01; // 각 비트의 지속 시간 (초) int sampleCountPerBit = (int)(samplingFrequency * durationPerBit); int frequency0 = 1000; // '0'에 대한 주파수 int frequency1 = 2000; // '1'에 대한 주파수 // 신호를 생성한다. float[] signalArray = new float[bitStreamString.Length * sampleCountPerBit]; int bitStreamStringLength = bitStreamString.Length; for(int i = 0; i < bitStreamStringLength; i++) { char bitCharacter = bitStreamString[i]; int frequency = bitCharacter == '1' ? frequency1 : frequency0; for(int j = 0; j < sampleCountPerBit; j++) { double t = (double)j / samplingFrequency; signalArray[i * sampleCountPerBit + j] = (float)Math.Sin(2 * Math.PI * frequency * t); } } // 신호를 정규화한다. float maximumAmplitude = signalArray.Max(x => Math.Abs(x)); for(int i = 0; i < signalArray.Length; i++) { signalArray[i] = signalArray[i] / maximumAmplitude; } // WAV 파일로 저장한다. using(WaveFileWriter waveFileWriter = new WaveFileWriter(targetFilePath, new WaveFormat(samplingFrequency, 16, 1))) { waveFileWriter.WriteSamples(signalArray, 0, signalArray.Length); } Console.WriteLine("인코딩 완료 : " + targetFilePath); } #endregion } |
TestSolution.zip