数字信号课设B10050914周东煜.doc

洛阳理工学院课 程 设 计 报 告 课程名称 数字信号处理 设计题目 钢琴琴键声音合成 专 业 通信工程 班 级 B100509 学 号 B10050924 姓 名 周东煜 完成日期 2013年5月28日 课 程 设 计 任 务 书设计题目： 钢琴琴键声音合成 设计内容与要求： 钢琴声音优美号称“乐器之王”，据研究发现钢琴的声音是若干基本频率的倍频合成的。弹奏钢琴产生16个音符，分别是“Do/Re/Mi/Fa/So/La/Si/Do(高)/ Do(高)/Si/La/So/Fa/Mi/Re/Do”，对此信号进行STFT对此信号进行STFT，时频谱如图所示根据上述论述题目的基本要求如下：（1） 找到Do/Re/Mi/Fa/So/La/Si/Do(高)的基频；（2） 找出基频与倍频之间能量比率的关系；（3） 编写函数，用正弦波来合成钢琴的声音。 指导教师： 王新新 2013年 5 月 27 日课 程 设 计 评 语 成绩： 指导教师： 2013年 月 日洛 阳 理 工 学 院 课 程 设 计 报 告摘要目前，随着科技的不断发展，音频信号处理技术也发展异常迅猛，并且数字信号处理已成为主流。运用计算机来处理数字信号，这就使得数字信号的处理速度非常快，这也是数字信号处理技术发展迅猛的主要原因。将各种各样的音频信号转换为数字信号之后我们就可以快速而轻松的对这些音频信号进行处理了。在这方面，早已出现如语音识别软件的各种关于音频信号处理的软件，随着计算机技术的持续发展，计算机运算速度的大幅提高，音频处理软件的处理能力越来越强。以语音识别软件为例，现在的语音识别软件的识别准确度越来越高，识别速度越来越快，而今，我们运用的软件是matlab软件，这都主要归功于数字信号处理技术的发展。所以说，用数字信号处理音频信号的发展前景非常广阔。那么，我们就有理由选用数字信号处理的方法处理类似于钢琴音的音频信号。钢琴声音优美，号称“乐器之王”，据研究发现钢琴的声音是若干基本频率的倍频合成的。弹奏钢琴产生16个音符，分别是“Do/Re/Mi/Fa/So/La/Si/Do(高)/ Do(高)/Si/La/So/Fa/Mi/Re/Do” 关键词：Matlab、电子琴、数字信号abstract At present, with the continuous development of science and technology, audio signal processing technology and development of abnormal rapidly, and digital signal processing has become the mainstream. Use computer to deal with digital signal, which makes very fast digital signal processing, digital signal processing technology which is developing rapidly. Convert all kinds of audio signal to digital signal after, we can quickly and easily for the audio signal processing. In this respect, have appeared such as voice recognition software on audio signal processing software, with the continued development of computer technology, the computer operation speed increase, audio processing software processing power is more and more strong. Voice recognition software, for example, is now the voice recognition software is more and more high recognition accuracy, and speed faster and faster, but now, we use the software matlab software, this is mainly due to the development of digital signal processing technology. So, with the development of digital signal processing audio signal prospects are very broad. So, we have reasons to use digital signal processing method of similar steel sound audio signal processing. A beautiful piano sound, so-called the king of instruments, according to research finds the sound of the piano is a number of basic frequency times frequency synthesis. Respectively, playing the piano have 16 notes, is Do Re Mi/Fa/So/La/Si/Do (high)/Do (high)/Si/La/So/Fa/Mi/Re/DoKey word: Matlab, electric piano, digital signa 目录第一章 系统运行环境4 1.1、MATLAB开发环境简介4 1.2 硬件环境5第二章 系统内容设计6 2.1、钢琴琴键合成原理6 2.2、总体结构图7 2.3、钢琴信号的时频分析8 2.4对时频谱进行分析10第三章 实验结果及其分析11 3.1、钢琴信号的合成12 3.2实验结果13实验总结14第一章 系统运行环境1.1、MATLAB开发环境简介分析以及合成声音所需软件环境-MATLABMATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。开发环境：MATLAB开发环境是一套方便用户使用的MATLAB函数和文件工具集，其中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成的 用户工作空间，允许用户输入输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件编辑调试器、MATLAB工作空间和在线帮助文档。 MATLAB特点：1) 此开发环境可对代码、文件和数据进行管理；2) 数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化及数值积分等；3) 各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如 C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成。4) 交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题；5) 此高级语言可用于技术计算；6) 二维和三维图形函数可用于可视化数据；7) 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面；1.2 硬件环境一般pc机一台：操作系统： Win 2000 /Win7等 CPU： Pentium 166以上 内存： 32MB以上 显卡： 2MB VRAM，DirectX v6.1 声卡： 集成 硬盘： 300M空闲 第二章 系统内容设计2.1、钢琴琴键合成原理在该软件的设计过程中涉及到以下两个主要方面个方面：第一，钢琴音信号特征的分析；首先，找到Do/Re/Mi/Fa/So/La/Si/Do(高)的基频；然后，找出基频与倍频之间能量比率的关系；第二，如何用数字信号处理的办法处理钢琴音。编写函数，用正弦波来合成钢琴的声音。电子琴的每个音阶均对应一个特定频率的信号，通过调用程序产生一系列特定频率的声音，从而达到虚拟电子琴的功能。通过加包络来消噪音，采用不同速度的衰减，根据乐音持续时间的长短来确定衰减的快慢，乐音持续时间越长，衰减的越慢，持续时间越短，衰减的越快。当输入不同的频率时就会产生不同音色的声音，已知音乐的7个音阶的主要频率分别是254Hz、286 Hz、320 Hz、340 Hz、382 Hz、432 Hz和48 Hz。2.2、设计流程图弹奏钢琴产生16个音符的声音源对信号进行STFT并对时频谱分析找出各音符基频根据分析结果编写函数，用正弦波来合成钢琴的声音分析总结基频与倍频之间能量比率的关系分析各音符的幅度范围2.3、钢琴信号的时频分析利用时频分析方法对钢琴信号进行解码打开Matlab，新建M文件，在窗口中输入如下程序：/ShowSound文件/function Y,T,F = ShowSound(s,fs,lamda)%用矩形窗的FFT将采样率为fs的一段声音s进行时频分析%Y为输出的时频图样，T是时间轴，F频率轴；%由于显示设备的限制，时间轴只能显示750个点，频率轴能显示500个点%lamda是矩形窗的交叠系数，即交叠的部分占总窗体的百分比%统一为行向量r,c = size(s);if(r c) s = s;end; LS=length(s);SubLen = floor(LS / 750); %加750次窗，每次增加的点数s = s(1 : 750 * SubLen); %将序列化为750的整倍数LS = length(s);TrueSubLen = floor(SubLen./ (1 - lamda./ 2); %油参数lamda计算出真实窗体的长度%将序列扩展以便于连续加窗offset = TrueSubLen - SubLen;s = zeros(1,offset),s;%将加窗后的全部序列暂存于tmp，用for循环生成tmptmp = zeros(TrueSubLen,750);for i = 2 : 750 index = floor(i - 1) * SubLen - (TrueSubLen * (lamda./ 2)+offset; tmp(:,i) = (s(index : (index+TrueSubLen-1);end;%计算FFT并将颠倒的谱倒过来，只取频谱的正半边Y = fft(tmp , 1000);Y = Y(500:end , :);Y = (real(Y). 2 + imag(Y). 2).0.5;%计算T和FT = 0 : 1 / fs : (length(s) - 1)./ fs;F = 0 : 499;/DTMF文件/clearcloseclc y,fs = wavread(piano.wav);%持续时间T = length(y)/8000;%频谱宽度MF = 4000; I t f = ShowSound(y,8000,1.6);t = linspace(0,T,size(I,2);f = linspace(0,MF,size(I,1);II = zeros(size(I);II(end:-1:1,:) = I(:,:);mesh(t,f,II);axis tightview(0,90);%号码和频率的转换表% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 % tran = 941 697 697 697 770 770 770 852 852 852;% 1336 1209 1336 1477 1209 1336 1477 1209 1336 1477;运行结果： 时频谱图 2.4对时频谱进行分析由频谱图求出带宽，说明语音信号的采样频率不能低于多少。1) 根据时频谱图分析个音符基频可知：Do/Re/Mi/Fa/So/La/Si/Do（高音）各个音符的基频频率分别为：252Hz、285Hz、320Hz、340Hz、383Hz、430Hz、485Hz、510Hz。2) 通过对时频谱图进行旋转，得如下截图，对幅度、能量的分析：每个音符的幅度可认为是随指数函数衰减的，能量可认为是能量也在不断的减弱。倍频的能量大约为基频能量的1/n。时频谱图旋转后第三章 实验结果及其分析3.1、钢琴信号的合成通过查资料得知用正弦波来合成钢琴的声音。然而播放的音乐效果不是很好，感觉音乐起伏性不强。通过反复的实践可以采用不同速度的衰减，根据乐音持续时间的长短来确定衰减的快慢，乐音持续时间越长，衰减的越慢，持续时间越短，衰减的越快。琴键音合成程序的编写如下：/音乐合成文件/f=289;Fs=8000;t=1/f;t=linspace(0,1,t/(t/Fs);ss=0;m=139;N=15;for i=1:Nss=ss+(m/i)*sin(2*i*pi*f*t);%加谐波end% 弦振动不断减弱tt = 0:1/Fs:(length(ss)-1)/Fs;amp = exp(-3*tt);ss = amp.*ss;plot(ss);wavplay(0.8*ss/max(abs(ss),Fs);% wavplay(0.8*ss,Fs);3.2实验结果3.2.1、运行结果：当设置f=252，N=15时，运行播放钢琴音：Do；当设置f=285，N=14时，运行播放钢琴音：Re；当设置f=320，N=12时，运行播放钢琴音：Mi；当设置f=340，N=11时，运行播放钢琴音：Fa；当设置f=380，N=10时，运行播放钢琴音：So；当设置f=428，