《數(shù)字信號(hào)處理》課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：基于MATLAB的簡單音樂合成姓名：專業(yè)年級(jí)：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：時(shí)間：2015年6月25日《數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)》任務(wù)書題目基于MATLAB的簡單音樂合成主要內(nèi)容1、自學(xué)Matlab軟件，了解相關(guān)編譯語句；2、利用Matlab完成簡單的音樂合成；3、分析仿真結(jié)果，得出合理結(jié)論。設(shè)計(jì)要求1、利用Matlab實(shí)現(xiàn)對(duì)自選樂曲的簡單音樂合成，生成.wav文件；2、給各個(gè)樂音加載包絡(luò)，生成.wav，并顯示音樂信號(hào)的包絡(luò)圖像；3、在音樂中加上二、三、四次諧波，基波幅度為1，高次諧波幅度分別為0.388、0.1557、0.2424，并生成.wav文件。4、按要求完成設(shè)計(jì)報(bào)告。主要儀器設(shè)備1、計(jì)算機(jī)1臺(tái)，Matlab仿真軟件一套。主要參考文獻(xiàn)[1]高西全，丁玉美．?dāng)?shù)字信號(hào)處理(第三版)[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008[2]程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程(第四版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2013[3]余成波等.數(shù)字信號(hào)處理及MATLAB實(shí)現(xiàn)(第二版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2008課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排（起止時(shí)間、工作內(nèi)容）單人一組，每組選擇不同樂曲進(jìn)行音樂合成，每人1套實(shí)驗(yàn)環(huán)境。整個(gè)課程設(shè)計(jì)共1周20學(xué)時(shí)，具體安排如下：前期準(zhǔn)備工作4學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)題目相關(guān)知識(shí)，查閱資料，掌握實(shí)現(xiàn)的原理；計(jì)劃內(nèi)上機(jī)14學(xué)時(shí)按要求，完成設(shè)計(jì)方案，編寫并調(diào)試仿真程序；計(jì)劃內(nèi)上機(jī)2學(xué)時(shí)結(jié)果驗(yàn)收，并完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。課程設(shè)計(jì)開始日期2015.06.23課程設(shè)計(jì)完成日期2015.06.30指導(dǎo)老師（簽名）：__________________________ 基于MATLAB的簡單音樂合成4--4--圖1-1鋼琴鍵盤和相應(yīng)頻率從圖1-1可以看到，靠下邊的A鍵稱為小字組A，它的頻率值fA0=220Hz，而靠上面的另一個(gè)A鍵是小字一組A，它的頻率值是fA1=440Hz。兩者為二倍頻率關(guān)系，即fA1相當(dāng)于fA0的二次諧波。也稱為8度音或倍頻程Octave(即我們畫頻響特性圖時(shí)所用的術(shù)語“倍頻程”)。根據(jù)《兩只老虎》簡譜和十二平均律計(jì)算出該小節(jié)每個(gè)樂音的頻率，在MATLAB中生成幅度為1，抽樣頻率為8000kHz的正弦信號(hào)表示這些樂音，用sound播放合成的音樂圖1-2樂曲《兩只老虎》曲譜由圖可知《兩只老虎》的曲調(diào)定為C，即1=C，對(duì)應(yīng)的頻率為261.63Hz，據(jù)此可以計(jì)算出其他樂音的頻率，類推計(jì)算出各樂音對(duì)應(yīng)的頻率見表1-1部分樂音對(duì)應(yīng)的頻率：表1-1部分樂音對(duì)應(yīng)的頻率樂音1231123134頻率261.63293.66329.63261.63261.63293.66329.63261.63329.63349.23樂音5345頻率392329.63349.23392在確定了各樂音的頻率之后需要確定每個(gè)樂音的持續(xù)時(shí)間。每小節(jié)有兩拍，一拍的時(shí)間是0.5此部分樂音的持續(xù)時(shí)間見表1-2部分樂音對(duì)應(yīng)的時(shí)間：表1-2部分樂音對(duì)應(yīng)的時(shí)間樂音1231123134時(shí)間0.5樂音45345時(shí)間0.510.50.51而在MATLAB中表示樂音所用的抽樣頻率為fs=8000Hz，也就是所1s鐘內(nèi)有8000個(gè)點(diǎn)，抽樣點(diǎn)數(shù)的多少就可表示出每個(gè)樂音的持續(xù)時(shí)間的長短。用一個(gè)行向量來存儲(chǔ)這段音樂對(duì)應(yīng)的抽樣點(diǎn)，在用sound函數(shù)播放即可。 根據(jù)以上分析在MATLAB中編寫如下程序：sound_1_1.mclear;clc;fs=8000; %抽樣頻率f=[261.63 293.66 329.63 261.63 261.63 293.66 329.63 261.63 329.63 349.23392 329.63 349.23 392];%各個(gè)樂音對(duì)應(yīng)的頻率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]；%各個(gè)樂音的抽樣點(diǎn)數(shù)N=length(time); %這段音樂的總抽樣點(diǎn)數(shù)east=zeros(1,N); %用east向量來儲(chǔ)存抽樣點(diǎn)n=1;fornum=1:N %利用循環(huán)產(chǎn)生抽樣數(shù)據(jù)，num表示樂音編號(hào)t=1/fs:1/fs:time(num)/fs; %產(chǎn)生第num個(gè)樂音的抽樣點(diǎn)east(n:n+time(num)-1)=sin(2*pi*f(num)*t); %抽樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值n=n+time(num);endsound(east,8000); %播放音樂2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1簡單的音樂合成2.1.1原理分析根據(jù)《兩只老虎》片段的簡譜和“十二平均律”計(jì)算出該片段中各個(gè)樂音的頻率，在MATLAB中生成幅度為1、抽樣頻率為8000kHz的正弦信號(hào)表示這些樂音。請(qǐng)用sound函數(shù)播放每個(gè)樂音，聽一聽音調(diào)是否正確，最后用這一系列樂音信號(hào)拼出《兩只老虎》片段，注意控制每個(gè)樂音持續(xù)的時(shí)間要符合節(jié)拍，用sound函數(shù)播放合成的樂音。2.12Matlab源代碼clear;clc;fs=8000; %抽樣頻率f=[261.63 293.66 329.63 261.63 261.63 293.66 329.63 261.63 329.63 349.23392 329.63 349.23 392];%各個(gè)樂音對(duì)應(yīng)的頻率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]；%各個(gè)樂音的抽樣點(diǎn)數(shù)N=length(time); n=1;fornum=1:N %利用循環(huán)產(chǎn)生抽樣數(shù)據(jù)，num表示樂音編號(hào)t=1/fs:1/fs:time(num)/fs; %產(chǎn)生第num個(gè)樂音的抽樣點(diǎn)east(n:n+time(num)-1)=sin(2*pi*f(num)*t); %抽樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值n=n+time(num);endsound(east,8000); %播放音樂2.1.3運(yùn)行結(jié)果分析初步合成的音樂音調(diào)符合曲譜，能聽出《兩只老虎》的旋律。2.2除噪音，加包絡(luò)2.2.1原理分析你一定注意到(1)的樂曲中相鄰樂音之間有“啪”的雜聲，這是由于相位不連續(xù)產(chǎn)生了高頻分量。這種噪聲嚴(yán)重影響合成音樂的質(zhì)量，喪失真實(shí)感，下面通過加包絡(luò)來消噪音。最簡單的包絡(luò)為指數(shù)衰減。最簡單的指數(shù)衰減是對(duì)每個(gè)音乘以因子，在實(shí)驗(yàn)中首先加的是的衰減，這種衰減方法使用的是相同速度的衰減，但是發(fā)現(xiàn)噪音并沒有完全消除，播放的音樂效果不是很好，感覺音樂起伏性不強(qiáng)。于是采用不同速度的衰減，根據(jù)樂音持續(xù)時(shí)間的長短來確定衰減的快慢，樂音持續(xù)時(shí)間越長，衰減的越慢，持續(xù)時(shí)間越短，衰減的越快。2.2.2Matlab源代碼clear;clc;fs=8000; %抽樣頻率f=[261.63 293.66 329.63 261.63 261.63 293.66 329.63 261.63 329.63 349.23392329.63 349.23 392];%各個(gè)樂音對(duì)應(yīng)的頻率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]；%各個(gè)樂音的抽樣點(diǎn)數(shù)%各個(gè)樂音對(duì)應(yīng)的頻率N=length(time); %這段音樂的總抽樣點(diǎn)數(shù)xio=zeros(1,N); %用east向量來儲(chǔ)存抽樣點(diǎn)n=1;fornum=1:N %利用循環(huán)產(chǎn)生抽樣數(shù)據(jù)，num表示樂音編號(hào)t=1/fs:1/fs:(time(num))/fs; %產(chǎn)生第num個(gè)樂音的抽樣點(diǎn)P=zeros(1,time(num)); %P為存儲(chǔ)包絡(luò)數(shù)據(jù)的向量L=(time(num))*[01/53/85/81]; %包絡(luò)線端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)T=[01.5110]; %包絡(luò)線端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)s=1;b=1:1:time(num); %產(chǎn)生包絡(luò)線抽樣點(diǎn)fork=1:4P(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); %包絡(luò)線直線方程通式s=L(k+1);endlaohu(n:n+time(num)-1)=sin(2*pi*f(num)*t).*P(1:time(num)); %給第num個(gè)樂音加上包絡(luò)n=n+time(num);endsound(laohu,8000);plot(laohu);wavwrite(laohu,'laohu2')2.2.3運(yùn)行結(jié)果分析播放后可以聽出噪音已經(jīng)消除，同時(shí)因?yàn)椴煌瑫r(shí)長的樂音衰減的快慢不一樣，音樂聽起來更有起伏感，如圖為2-1波形圖。圖2-1laohu1加包絡(luò)波形圖2.3加諧波2.3.1原理分析在音樂中加上二、三、四次諧波，基波幅度為1，高次諧波幅度分別為0.2、0.3、0.1。2.3.2Matlab源代碼clear;clc;fs=8000; %抽樣頻率f=[261.63 293.66 329.63 261.63 261.63 293.66 329.63 261.63 329.63 349.23392329.63 349.23 392];%各個(gè)樂音對(duì)應(yīng)的頻率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]；%各個(gè)樂音的抽樣點(diǎn)數(shù)%各個(gè)樂音對(duì)應(yīng)的頻率N=length(time); %這段音樂的總抽樣點(diǎn)數(shù)xio=zeros(1,N); %用east向量來儲(chǔ)存抽樣點(diǎn)n=1;fornum=1:N %利用循環(huán)產(chǎn)生抽樣數(shù)據(jù)，num表示樂音編號(hào)t=1/fs:1/fs:(time(num))/fs; %產(chǎn)生第num個(gè)樂音的抽樣點(diǎn)P=zeros(1,time(num)); %P為存儲(chǔ)包絡(luò)數(shù)據(jù)的向量L=(time(num))*[01/53/85/81]; %包絡(luò)線端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)T=[01.5110]; %包絡(luò)線端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)s=1;b=1:1:time(num); %產(chǎn)生包絡(luò)線抽樣點(diǎn)fork=1:4P(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); %包絡(luò)線直線方程通式s=L(k+1);endm=[10.30.2]; %波形幅值矩陣ss=zeros(1,length(t));fori=1:length(m)ss=ss+m(i)*sin(2*i*pi*f(num)*t); %加諧波endlaohu(n:n+time(num)-1)=ss.*P(1:time(num));%給第num個(gè)樂音加上包絡(luò)laohu(n:n+time(num)-1)=sin(2*pi*f(num)*t).*P(1:time(num)); %給第num個(gè)樂音加上包絡(luò)n=n+time(num);endsound(laohu,8000);plot(laohu);wavwrite(laohu,'laohu3')2.3.2運(yùn)行結(jié)果分析音樂中加上二、三、四次諧波，基波幅度為1，高次諧波幅度分別為0.2、0.3、0.1，如圖為2-2波形圖。圖2-1laohu2加諧波波形圖3總結(jié)與體會(huì)通過這次的課程設(shè)計(jì)，加深了我們對(duì)數(shù)字信號(hào)處理所學(xué)知識(shí)的了解，增強(qiáng)了我們對(duì)教學(xué)知識(shí)的運(yùn)用和主動(dòng)研究的能力。讓我們掌握信號(hào)處理過程的仿真設(shè)計(jì)方法。通過模仿老師所給的例題和所收集的資料例題，編寫Matlab仿真程序，主要利用matlab軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)樂音信號(hào)的仿真，從而加深我們對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化處理的理解，了解音樂信號(hào)時(shí)間特性、頻率特性變化所帶來的影響，初步學(xué)會(huì)改善音樂播放效果。在運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和學(xué)習(xí)Matlab軟件的同時(shí)也學(xué)習(xí)到音樂的基本組成4參考文獻(xiàn)[1]王力寧..MATLAB與通信仿真[M].北京：人民郵電出版社，1999[2]陳亞勇等..MATLAB信號(hào)處理詳解[M].北京：人民郵電出版社，2001[3]高西全，丁玉美．?dāng)?shù)字信號(hào)處理(第三版)[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008[4]程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程(第四版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2013[5]余成波等.數(shù)字信號(hào)處理及MATLAB實(shí)現(xiàn)(第二版)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2008[6]〔美〕VinayK.Ingle、JohnG.Proakis．?dāng)?shù)字信號(hào)處理——應(yīng)用Matlab(第3版)