基于MATLAB的简单音乐合成

数字信号处理课程设计课程设计 说明书说明书 设计题目：设计题目： 基于基于 MATLAB 的简单音乐合成的简单音乐合成 姓姓 名：名： 专业年级：专业年级： 学学 号：号： 指导老师：指导老师： 时时 间：间： 2015 年年 6 月月 25 日日 数字信号处理课程设计任务书 题目题目基于 MATLAB 的简单音乐合成 主要主要 内容内容 1、自学 Matlab 软件，了解相关编译语句； 2、利用 Matlab 完成简单的音乐合成； 3、分析仿真结果，得出合理结论。 设计设计 要求要求 1、利用 Matlab 实现对自选乐曲的简单音乐合成，生成 .wav 文件； 2、给各个乐音加载包络，生成.wav，并显示音乐信号的包络图像； 3、在音乐中加上二、三、四次谐波，基波幅度为 1，高次谐波幅度分别为 0.388、0.1557、0.2424，并生成.wav 文件。 4、按要求完成设计报告。 主要主要 仪器仪器 设备设备 1、计算机 1 台，Matlab 仿真软件一套。 主要主要 参考参考 文献文献 1 高西全，丁玉美数字信号处理(第三版) M西安：西安电子科技大 学出版社，2008 2 程佩青. 数字信号处理教程(第四版) M北京：清华大学出版社， 2013 3 余成波等.数字信号处理及 MATLAB 实现(第二版) M北京：清华大 学出版社，2008 课程设计进度安排（起止时间、工作内容）课程设计进度安排（起止时间、工作内容） 单人一组，每组选择不同乐曲进行音乐合成，每人 1 套实验环境。整个课程设 计共 1 周 20 学时，具体安排如下： 前期准备工作 4 学时 学习设计题目相关知识，查阅资料，掌握实现的原理； 计划内上机 14 学时 按要求，完成设计方案，编写并调试仿真程序； 计划内上机 2 学时 结果验收，并完成课程设计报告。 课程设计开始日期课程设计开始日期2015.06.23课程设计完成日期课程设计完成日期2015.06.30 指导老师（签名）：指导老师（签名）：_ 福建农林大学数字信号处理课程设计说明书 目目 录录 1 设计基础.- 1 - 1.1 MATLAB 软件简介 .- 1 - 1.2 乐曲解析 .- 1 - 2 设计与实现.- 2 - 2.1 简单的音乐合成 .- 2 - 2.1.1 原理分析.- 2 - 2.1.2 Matlab 源代码.- 2 - 2.1.3 运行结果分析.- 2 - 2.2 除噪音，加包络 .- 2 - 2.2.1 原理分析.- 2 - 2.2.2 Matlab 源代码.- 2 - 2.2.3 运行结果分析.- 2 - 2.3 加谐波 .- 2 - 2.3.1 原理分析.- 2 - 2.3.2 Matlab 源代码.- 2 - 2.3.2 运行结果分析.- 3 - 3 总结与体会.- 4 - 4 参考文献.- 5 - 基于 MATLAB 的简单音乐合成 - - 4 - - 4 - 1 设计基础设计基础 1.1 MATLAB 软件简介软件简介 MATLAB 是 matrixclc; fs=8000;%抽样频率 f=261.63293.66 329.63 261.63 261.63 293.66 329.63 261.63 329.63 349.23 392 329.63 349.23 392; %各个乐音对应的频率 time=fs*0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，1，0.5,0.5,1；%各个乐音 的抽样点数 N=length(time); %这段音乐的总抽样点数 east=zeros(1,N); %用east向量来储存抽样点 n=1; for num=1:N%利用循环产生抽样数据，num表示乐音编号 t=1/fs:1/fs:time(num)/fs; %产生第num个乐音的抽样点 east(n:n+time(num)-1)=sin(2*pi*f(num)*t); %抽样点对应的幅值 n=n+time(num); end sound(east,8000);%播放音乐 基于 MATLAB 的简单音乐合成 - - 7 - - 7 - 2 设计与实现 2.1 简单的音乐合成 2.1.1 原理分析 根据两只老虎片段的简谱和“十二平均律”计算出该片段中各个乐音的频率， 在 MATLAB 中生成幅度为 1、抽样频率为 8000kHz 的正弦信号表示这些乐音。请 用 sound 函数播放每个乐音，听一听音调是否正确，最后用这一系列乐音信号拼出 两只老虎片段，注意控制每个乐音持续的时间要符合节拍，用 sound 函数播放合 成的乐音。 2.12 Matlab 源代码 clear;clc; fs=8000;%抽样频率 f=261.63293.66 329.63 261.63 261.63 293.66 329.63 261.63 329.63 349.23 392 329.63 349.23 392; %各个乐音对应的频率 time=fs*0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，1，0.5,0.5,1；%各个乐音 的抽样点数 N=length(time); n=1; for num=1:N%利用循环产生抽样数据，num 表示乐音编号 t=1/fs:1/fs:time(num)/fs; %产生第 num 个乐音的抽样点 east(n:n+time(num)-1)=sin(2*pi*f(num)*t); %抽样点对应的幅值 n=n+time(num); end sound(east,8000);%播放音乐 2.1.3 运行结果分析 初步合成的音乐音调符合曲谱，能听出两只老虎的旋律。 2.2 除噪音，加包络 2.2.1 原理分析 你一定注意到(1)的乐曲中相邻乐音之间有“啪”的杂声，这是由于相位不连续产 生了高频分量。这种噪声严重影响合成音乐的质量，丧失真实感，下面通过加包络来 消噪音。 最简单的包络为指数衰减。最简单的指数衰减是对每个音乘以因子，在实验 t e 基于 MATLAB 的简单音乐合成 - - 8 - - 8 - 中首先加的是的衰减，这种衰减方法使用的是相同速度的衰减，但是发现噪音并 1.5t e 没有完全消除，播放的音乐效果不是很好，感觉音乐起伏性不强。于是采用不同速度 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。 2.2.2 Matlab 源代码 clear;clc; fs=8000;%抽样频率 f=261.63293.66 329.63 261.63 261.63 293.66 329.63 261.63 329.63 349.23 392 329.63 349.23 392; %各个乐音对应的频率 time=fs*0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，1，0.5,0.5,1；%各个 乐音的抽样点数 %各个乐音对应的频率 N=length(time); %这段音乐的总抽样点数 xio=zeros(1,N); %用 east 向量来储存抽样点 n=1; for num=1:N%利用循环产生抽样数据，num 表示乐音编号 t=1/fs:1/fs:(time(num)/fs;%产生第 num 个乐音的抽样点 P=zeros(1,time(num);%P 为存储包络数据的向量 L=(time(num)*0 1/5 3/8 5/8 1; %包络线端点对应的横坐标 T=0 1.5 1 1 0;%包络线端点对应的纵坐标 s=1; b=1:1:time(num);%产生包络线抽样点 for k=1:4 P(s:L(k+1)-1)=(T(k+1)-T(k)/(L(k+1)-L(k)*(b(s:L(k+1)-1)- L(k+1)*ones(1,L(k+1)-s)+T(k+1)*ones(1,L(k+1)-s); %包络线直线方程通式 s=L(k+1); end laohu(n:n+time(num)-1)=sin(2*pi*f(num)*t).*P(1:time(num); %给第 num 个乐音加上包络 n=n+time(num); end sound(laohu,8000); plot(laohu); 基于 MATLAB 的简单音乐合成 - - 9 - - 9 - wavwrite(laohu, laohu 2) 2.2.3 运行结果分析 播放后可以听出噪音已经消除，同时因为不同时长的乐音衰减的快慢不一样，音 乐听起来更有起伏感，如图为 2-1 波形图。 图 2-1 laohu1 加包络波形图 2.3 加谐波 2.3.1 原理分析 在音乐中加上二、三、四次谐波，基波幅度为 1，高次谐波幅度分别为 0.2、0.3、0.1。 2.3.2 Matlab 源代码 clear;clc; fs=8000;%抽样频率 f=261.63293.66329.63261.63261.63293.66329.63261.63329.63349.23 392 329.63349.23392; %各个乐音对应的频率 基于 MATLAB 的简单音乐合成 - - 10 - - 10 - time=fs*0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，0.5，1，0.5,0.5,1；%各个乐音的抽样 点数 %各个乐音对应的频率 N=length(time);%这段音乐的总抽样点数 xio=zeros(1,N);%用 east 向量来储存抽样点 n=1; for num=1:N%利用循环产生抽样数据，num 表示乐音编号 t=1/fs:1/fs:(time(num)/fs;%产生第 num 个乐音的抽样点 P=zeros(1,time(num);%P 为存储包络数据的向量 L=(time(num)*0 1/5 3/8 5/8 1; %包络线端点对应的横坐标 T=0 1.5 1 1 0;%包络线端点对应的纵坐标 s=1; b=1:1:time(num);%产生包络线抽样点 for k=1:4 P(s:L(k+1)-1)=(T(k+1)-T(k)/(L(k+1)-L(k)*(b(s:L(k+1)-1)-L(k+1)*ones(1,L(k+1)- s)+T(k+1)*ones(1,L(k+1)-s); %包络线直线方程通式 s=L(k+1); end m=1 0.3 0.2;%波形幅值矩阵 ss=zeros(1,length(t); for i=1:length(m) ss=ss+m(i)*sin(2*i*pi*f(num)*t);%加谐波 end laohu(n:n+time(num)-1)=ss.*P(1:time(num); %给第 num 个乐音加上包络 laohu (n:n+time(num)-1)=sin(2*pi*f(num)*t).*P(1:time(num); %给第 num 个乐音加上包络 n=n+time(num); end sound(laohu,8000); plot(laohu); wavwrite(laohu, laohu 3) 基于 MATLAB 的简单音乐合成 - - 11 - - 11 - 2.3.2 运行结果分析 音乐中加上二、三、四次谐波，基波幅度为 1，高次谐波幅度分别为 0.2、0.3、0.1，如图为 2-2 波形图。 图 2-1 laohu2 加谐波波形图 基于 MATLAB 的简单音乐合成 - - 12 - - 12 - 3 总结与体会总结与体会 通过这次的课程设计，加深了我们对数字信号处理所学知识的了解，增强了我们 对教学知识的运用和主动研究的能力。让我们掌握信号处理过程的仿真设计方法。 通过模仿老师所给的例题和所收集的资料例题，编写 Matlab 仿真程序，主要利用 matlab 软件来实现对乐音信号的仿真，从而加深我们对模拟信号数字化处理的理解， 了解音乐信号时间特性、频率特性变化所带来的影响，初步学会改善音乐播放效果。 在运用所学知识和学习 Matlab 软件的同时也学习到音乐的基本组成 4 参考文献参考文献 1 王力宁.MATLAB 与通信仿真M.北京：人民邮电出版社，1999 2 陈亚勇等.MATLAB 信号处理详解M.北京：人民邮电出版社，2001 3 高西全，丁玉美数字信号处理(第三版) M西安：西安电子科技大学出版社，2008 4 程佩青. 数字信号处理教程(第四版) M北京：清华大学出版社，2013 5 余成波等.数字信号处理及 MATLAB 实现(第二版) M北京：清华大学出版社，2008 6 美Vinay K.Ingle、John G.Proakis数字信号处理应用 Matla b(第 3 版) M北京