DSP鋼琴音準儀

1、DSP課程設(shè)計簡易鋼琴音準儀學(xué)院電子信息工程學(xué)院班級自動化（鐵道信號）1204姓名 學(xué)號12212162指導(dǎo)教師高海林一、設(shè)計背景1.1設(shè)計需求分析目前大多數(shù)調(diào)律者是憑耳朵和經(jīng)驗來完成調(diào)律工作。 對于初學(xué)者來往往由于經(jīng)驗不足或缺乏良好的聽辨音能力而不能把音調(diào)得很準。 鋼琴音準儀能夠清楚地看到被調(diào)音所處的音高狀態(tài)， 可從容準確地把音調(diào)到所需要的高度。 不但彌補了聽音方面乃至經(jīng)驗方面的一些不足， 而且具有省時省力、把握性大等優(yōu)點。也只有這樣才能達到提高調(diào)律質(zhì)量，實現(xiàn)鋼琴調(diào)律科學(xué)化、標準化、規(guī)范化的目的。1.2項目設(shè)計及創(chuàng)新(1)以鋼琴樂音為載體，以速成調(diào)音師為目的，能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇

2、心。(2)將基礎(chǔ)知識和實際應(yīng)用相結(jié)合、理論設(shè)計與系統(tǒng)仿真相結(jié)合，軟件編程與硬件實現(xiàn)相結(jié)合，全面提升學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力。(3)實驗任務(wù)具有多層次性和開放性，分級考核、注重過程，充分鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新精神和探索精神。二、簡易鋼琴音準儀設(shè)計2.1設(shè)計內(nèi)容與任務(wù)音準儀主要應(yīng)用在鋼琴調(diào)律中， 能把調(diào)律誤差降低到最低限度,彌補聽音方面乃至經(jīng)驗方面的一些不足。本設(shè)計要求利用 BJTU-DSP5502 平臺制作一個簡易鋼琴音準儀器，對實際采集進來的鋼琴樂音信號進行自動判斷，同時給出校準建議。具體要求如下：(1)基礎(chǔ)要求A. 根據(jù)給出的 A 大調(diào)-G 大調(diào)音階的音頻文件，利用 MATLAB 分析其頻譜

3、;B. 根據(jù) “十二平均律”建立鋼琴各琴鍵的頻率點；C. 對給定的不在正確音調(diào)上的樂音（只含基波）進行校準。利用 MATLAB 進行算法仿真與驗證，然后將算法移植到 BJTU-DSP5502 平臺上實現(xiàn)。D. 對給定的不在正確音調(diào)上的樂音（含基波和諧波）進行校準。利用 MATLAB 進行算法仿真與驗證，然后將算法移植到 BJTU-DSP5502 平臺上實現(xiàn)。E. 分析在和標準信號對比過程中出現(xiàn)判斷錯誤的原因，最終實現(xiàn)準確無誤的識別。(2)發(fā)揮部分對實時采集的鋼琴樂音進行校準。A. 分析實際信號可能混入的噪聲來源，設(shè)計濾波器去噪（可以根據(jù)實際情況選擇在BJTU-DSP5502 實驗板上用數(shù)字方式

4、實現(xiàn)，或者用元器件制作模擬電路實現(xiàn)，也可以數(shù)字模擬混合實現(xiàn)） 。B. 利用 MATLAB 進行系統(tǒng)仿真，并在 BJTU-DSP5502 平臺上實現(xiàn)去噪。C. 利用(1)C 中的算法，在 BJTU-DSP5502 平臺上實現(xiàn)對實際采集的鋼琴單音判斷、校準。D. 分析在和標準信號對比過程中出現(xiàn)判斷錯誤的原因，確保校準數(shù)據(jù)的有效。2.2實現(xiàn)方案設(shè)計2.2.1信號采集 該部分利用虛擬鋼琴模擬真實鋼琴。利用手機從網(wǎng)上下載虛擬鋼琴，彈奏虛擬鋼琴時利用3.5mm音頻線將虛擬鋼琴信號從手機音頻口通過BJTU-5502DSP的J5端口導(dǎo)入到DSP中，并判斷是否為鋼琴信號。判斷方法為：每次連續(xù)讀取N個聲音采樣值作

5、為一段偵聽信號，將N個聲音的幅值之和作為信號能量分別選取有信號和無信號的能量統(tǒng)計平均值作為閾值，對偵聽信號進行判決。2.2.2信號處理 首先利用matlab根據(jù)十二平均律計算出鋼琴鍵音的標準音階庫。對接收到的信號首先利用FIR濾波器進行濾波，然后調(diào)用dsplib中的FFT函數(shù)進行時域變頻域。2.2.3信號識別 將經(jīng)過濾波處理的待識別音頻文件中的諧波剔除，根據(jù)基波的頻率來確定鋼琴鍵位。然后將識別后的基波頻率與建立的標準音庫的頻率進行對比給出調(diào)參建議。2.2.4算法原理說明 首先對采集到的音頻信息進行采樣，通過分析采樣到的音頻信息的幅值，來判斷是否為鋼琴音。將判斷為鋼琴音的音頻信息進行濾波然后進行

6、FFT變換得到音頻的頻域，然后從頻域中抓出數(shù)個尖峰值，并記錄他們在頻域中對應(yīng)的FFT點數(shù)。通過已經(jīng)聲明的諧波關(guān)系表，將抓出的數(shù)個尖峰中的諧波頻率剔除，得到音頻的基波頻率。然后將得到的的基波頻率與已經(jīng)建立好的標準音階庫匹配，得到此音頻的鍵音。2.3MATLAB仿真驗證MATLAB仿真音階頻譜分析：x,fs,bits =wavread('C:UsersAdministratorDesktopwavrXX.wav');subplot(2,1,1);plot(x);y=abs(fft(x);subplot(2,1,2);plot(y);C0C7 由以上圖片可以看出，高頻部分的鋼琴音時域

7、持續(xù)時間短，基波能量高，諧波能量低、數(shù)量少，頻譜的分離程度比較理想，很容易識別出基波分量，從而正確識別琴鍵；相比之下，低頻部分時域持續(xù)時間很長，而且回音現(xiàn)象很嚴重，很容易造成偵聽誤判、導(dǎo)致多次識別，而且基波分量很弱、諧波分量能量高、數(shù)量多，識別難度非常大。2.4流程設(shè)計2.5關(guān)鍵技術(shù)分析2.5.1標準音階庫建立A4音采用國際標準440Hz，根據(jù)十二平均律的規(guī)則計算出鋼琴88個鍵的標準頻率，作為基波的頻率庫。鋼琴88個鍵按頻率由小到大排列分別是：”A0","bB0","B0","C1","C#1",&quo

8、t;D1","bE1","E1","F1","F#1","G1","G#1","A1","bB1","B1","C2","C#2","D2","bE2","E2","F2","F#2","G2","G#2",A2",&q

9、uot;bB2","B2","C3","C#3","D3","bE3","E3","F3","F#3","G3","G#3","A3","bB3","B3","C4","C#4","D4","bE4","E4","F4&

10、quot;,"F#4","G4","G#4","A4","bB4","B4","C5","C#5","D5","bE5","E5","F5","F#5","G5","G#5",”A5","bB5","B5","C6","

11、C#6","D6","bE6","E6","F6","F#6","G6","G#6","A6","bB6","B6","C7","C#7","D7","bE7","E7","F7","F#7","G7","G#7&quo

12、t;,"A7","bB7","B7","C8"他們所對應(yīng)的頻率是：27.5,29.1352,30.8677,32.7032,34.6478,36.7081,38.8909,41.2034,43.6535,46.2493,48.9994,51.9131,55,58.2705,61.7354,65.4064,69.2957,73.4162,77.7817,82.4069,87.3071,92.4986,97.9989,103.8262,110,116.5409,123.4708,130.8128,138.5913,14

13、6.8324,155.5635,164.8138,174.6141,184.9972,195.9977,207.6523,220,233.0819,246.9417,261.6256,277.1826,293.6648,311.127,329.6276,349.2282,369.9944,391.9954,415.3047,440,466.1638,493.8833,523.2511,554.3653,587.3295,622.254,659.2551,698.4565,739.9888,783.9909,830.6094,880,932.3275,987.7666,1046.5023,110

14、8.7305,1174.6591,1244.5079,1318.5102,1396.9129,1479.9777,1567.9817,1661.2188,1760,1864.655,1975.5332,2093.0045,2217.461,2349.3181,2489.0159,2637.0205,2793.8259,2959.9554,3135.9635,3322.4376,3520,3729.3101,3951.0664,4186.0092.5.2鋼琴音信號偵聽由于我們要實現(xiàn)信號的實時采集與分析，所以需要確定鋼琴音的開始和結(jié)束。具體的實現(xiàn)方法如下：2.5.3 FFT運算FFT蝶形算法基本原

15、理如下： 鋼琴鍵最高頻率接近4000Hz，根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，抽樣頻率至少應(yīng)為8000Hz。而不同鋼琴鍵之間的音頻差相隔最近的差不多不到1Hz，要達到1Hz的分辨能力，最少需要進行8000點的FFT運算（取2整數(shù)倍即為8192）。FFT快速傅里葉變換是數(shù)字信號中常用的一種算法，因此MATLAB和dsplib函數(shù)庫中都有現(xiàn)成的函數(shù)可以調(diào)用。在CCS的程序中可以直接調(diào)用dsplib函數(shù)庫中的rfft函數(shù)，但是這種算法最多只能做2048點的FFT。顯然2048點的rfft不夠用，所以要采用了改進的8192點FFT。具體改進方法如下：N點FFT運算中旋轉(zhuǎn)因子的計算需要查閱N/2點正余弦值組成的常數(shù)表

16、（一般正余弦值為short型，各占2Byte），8192點需要的常數(shù)表體積過大，無法裝載到dsp芯片的片內(nèi)存儲空間中，因此我們通過#pragma語句定義了額外的存儲空間，把常數(shù)表裝載到了片外的SDRAM空間中：CMD文件配置：另外，由于調(diào)用該函數(shù)的FFT需要同樣體積很大的時域、頻域、復(fù)數(shù)域數(shù)組，以及相應(yīng)的FFT點頻率映射表，所以同時申明了以下空間：經(jīng)過以上處理，已經(jīng)可以正常運行8192點FFT運算，通過犧牲速度換取了較高的識別精度。2.5.4頻域識別算法這部分的思路是，首先用matlab中的FFT算法對各鋼琴音階進行頻譜分析，了解大致的規(guī)律，然后在MATLAB上試行識別算法，然后再移植到DSP

17、上，再次分析頻譜，改進算法。 不同音階的鋼琴音的頻譜（DSP）在dsp平臺上實際運行的時候，我們觀察到不同音階的FFT頻譜如下：A2: C5: G7:通過分析頻譜圖，發(fā)現(xiàn)高頻部分比較理想，諧波分量不具有優(yōu)勢，低頻部分，諧波分量增強，識別難度相對較大。4.5.2 識別算法由于基波與諧波成整數(shù)倍關(guān)系，所以我們采取了以下算法流程來從FFT頻譜中濾除諧波分量，保留基波分量，從而實現(xiàn)頻率識別：下面是程序代碼： 確定諧波關(guān)系的常數(shù)表： 篩選部分：. 比較部分 . 判斷部分三、數(shù)據(jù)測試及驗證四、項目展望 現(xiàn)今的鋼琴音準儀的價格居高不下，而它們的功能卻特別的簡單，僅僅就是測試出鋼琴音階并給出修改意見。生產(chǎn)商在

18、這中間牟取暴利。而我所設(shè)計的鋼琴音準儀在功能上與他們生產(chǎn)的鋼琴音準儀沒有區(qū)別，而DSP開發(fā)板的價格與此相比卻很低，如果我們能夠設(shè)計出來專用的鋼琴音準儀的開發(fā)板，甚至通過優(yōu)化程序，可以將程序移植到單片機上，相信價格會更加的低廉。這樣就能夠使每一個鋼琴學(xué)習(xí)者手中都有一套鋼琴音準儀，可以自己進行調(diào)音，再也不用請調(diào)音師了。 我曾經(jīng)在做畢業(yè)設(shè)計時學(xué)習(xí)使用了C#語言，我在做DSP設(shè)計時就在想，鋼琴的好壞不也是通過聲音來判別的么？只要我們能夠采集到足夠的數(shù)據(jù)，什么樣價位的鋼琴要有什么樣的音色？通過測試鋼琴發(fā)出聲音的頻率，并進行一系列的處理，得到相應(yīng)的結(jié)果，這樣鋼琴音準儀就不單是一個音準儀，還可以作為一個鋼琴界的“魯大師”。 而這些就是我今后要努力的方向！5、 設(shè)計體會這是第二年我學(xué)習(xí)DSP課程設(shè)計這門課程，我選擇了鋼琴音準儀，我吸取了去年的教訓(xùn)，在課堂上認真地聽老師講課，早早地開始做畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容。遇到不會的問題就請教老師，或者百度解決。而我編寫的程序從漏洞百出到能夠完好的運行并體現(xiàn)出其功能。通過本次課程設(shè)計， 基本掌握了