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基于FPGA的樂器數(shù)字接口音樂FM合成器

作者: 時間:2008-04-08 來源:網(wǎng)絡 收藏

l 引言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/192211.htm

樂器(Musical Instraament Digital Inter一face,MIDI)是20世紀80年代初為解決電聲樂器之間的通信問題而提出的。MIDI傳輸?shù)牟皇锹曇粜盘?,而是音符、控制參?shù)等指令,它指示MIDI設備要做什么,怎么做,如演奏哪個音符、多大音量等。它們被統(tǒng)一表示成MIDI消息(MIDI Message)。傳輸時采用異步串行通信,標準通信波特率為31.25x(10.01)Kb/s[1]。

MIDI的核心技術(shù)之一是合成。合成方法主要有2種:頻率調(diào)制(Frequency Modularion,F(xiàn)M)合成和波表(wavetable)合成[2]。相對于高成本的樣本波表合成,F(xiàn)M方式對存儲空間要求更低,盡管音色表現(xiàn)有一定的局限性,實現(xiàn)難度較大,但在國際上仍然十分流行。目前,國內(nèi)對MIDI技術(shù)層面的研究還不多,方面也大多采用單音基頻方式,這在很大程度上制約了MIDI音樂的表現(xiàn)力。筆者論述了在上的MIDI音樂數(shù)字式方法,設計并驗證了合成方案,合成音樂的表現(xiàn)力有了本質(zhì)上的改善,達到了預期的效果。

2 音樂合成

2.1 FM方法

FM作為音樂合成方法最早由John Chowning提出,它是用調(diào)制器發(fā)出的周期性信號(調(diào)制波)來調(diào)制另一個信號(載波)的頻率[3-4]。FM的基本表達式為
其中,A(n)為幅度包絡;I(n)為調(diào)制度包絡;ωm為載波角頻率,它決定了樂音的音調(diào);ωm為調(diào)制波角頻率。如調(diào)制波頻率處于亞音頻(sub-audio)段時,可以聽到像警車警報器似的音調(diào)起伏變化的聲音;而當頻率升高到約30 Hz以上時,可聽到有邊帶頻率的新的音色。

2.2復音

合成器的復音(polyphony)涉及到它同時發(fā)出多個獨立音的能力,也叫"和弦"。復音一般以音符(note)數(shù)或聲音(voice)數(shù)來衡量或說明,voice的數(shù)量就是復音數(shù)或和弦數(shù)。不同MIDI音樂要求的復音播放能力可能不相同,復音數(shù)越高,播放和聲的能力就越強。

2.3 ADSR包絡

圖1示出的ADSR包絡(ADSR envelope)[5]是許多合成器、采樣器和其他電聲樂器的重要部件。其功能是對樂器聲音的某些方面進行調(diào)制(常常是音量)。當樂器發(fā)聲時,相關音量也隨著時間而變化。不同樂器的音量變化圖案不同。

ADSR的定義如下:

起奏(attack)時間,表示聲音由激活到達到滿音量的時間。衰減(decay)時間,表示聲音由峰值音量衰減到保持的時間。保持(sustain)時間,表示聲音衰減后到音符被釋放前的音量定常值。釋放(release)時間,表示音符終止后聲音淡出的時間。

如果把不同的ADSR包絡應用到FM表達式中的A(n)和,(n),那么就可得到變化的頻譜,再設置合適的fc/fm值,就可得到不同的音色。

3 設計實現(xiàn)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

在本設計中,硬件和軟件資源都得到了利用。在串口MIDI驅(qū)動的支持下,軟件音序器Sonar6.0播放計算機里的MIDI文件,通過RS232口輸出波特率38.4 Kb/s的MIDI信號,如圖2所示。全部的數(shù)字音頻合成都在內(nèi)部完成。數(shù)字音頻碼流通過12S總線方式接口到音頻DAC,最后由功放輸出。

3.2合成部分邏輯結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)32復音,如圖3的邏輯結(jié)構(gòu)被采用。它需要邏輯上64個振蕩器、64個ADSR包絡發(fā)生器和64個壓控放大器。這樣的邏輯結(jié)構(gòu)有大量的重復單元和模塊,直接在上實現(xiàn)會消耗很多資源,開銷太大。為減少面積,采用了時分復用技術(shù)把資源消耗控制到約1/64,而宏觀上看起來卻仍然是并行的。設計中,在FPGA上構(gòu)造一個DDS(實現(xiàn)OSC)和一個ADSR包絡發(fā)生器。

3.3設計結(jié)構(gòu)

FPGA上的主要模塊設計結(jié)構(gòu)如圖4所示,描述方式為VHDL[6],LPM和原理圖。

MIDI UART即通用異步收發(fā)器,用來把異步串行方式的MIDI信號轉(zhuǎn)換為MIDI字節(jié)。

消息檢測模塊檢測MIDI字節(jié)的有效性,并提取預定義的MIDI消息。在本設計中,使用了音符開和音符關2種消息(力度為0的音符開消息等于音符關)。

聲音分配器是實現(xiàn)復音合成的重要模塊。作為關鍵技術(shù)之一一,它負責音的動態(tài)分配,當有新的音需要創(chuàng)建而沒有空閑可用時,直接丟棄該音符(丟音時會被汁數(shù)器記錄),如有空閑可用時則注冊到寄存器里;當要關閉音時查找對應位值并改寫標志位。32個聲音的值和占用情況被存儲在寄存器中,其音符值和開關值在時分復用的各時隙被輸出。音符供后級查表得出頻率,開關則用來觸發(fā)ADSR包絡發(fā)生器。另一方面,包絡發(fā)生器反饋回來的聲音狀態(tài)又決定哪個復音需要被終結(jié)并使之空閑(釋放復音資源)。

音符頻率表模塊查表得出哪個音符對應的頻率是多少,以LPM方式實現(xiàn)。按照十二平均率音程關系,聲音每升高8度,頻率提高一倍,則相鄰音階的頻率比值為。以國際標準A音(440Hz)為基準,它在MIDI消息中音符值為69(0x45),則音符值為Ⅳ所對應的頻率為

相位累加器模塊對頻率進行線性累加后得到在一個周期內(nèi)的相位值。它配合正弦表模塊實現(xiàn)DDS。一其中包含64個寄存器,分別存儲64個相位,并進行時分復用以實現(xiàn)FM與復音。

相位調(diào)制器對2個輸入求和并映射回一個周期內(nèi)實現(xiàn)間接調(diào)頻。

ADSR發(fā)生器模塊根據(jù)參數(shù)控制器和觸發(fā)器輸入產(chǎn)生64個包絡,在調(diào)制波和載波的相應采樣時刻輸出,以調(diào)制正弦表的輸出幅度。

正弦表模塊存儲正弦波表,把相位映射到幅度。作為關鍵技術(shù)之一,它與相位累加器和相位調(diào)制器組成了帶相位調(diào)制能力的DDS。本設計中,在Matlab里預先計算出正弦波從相位0~π/2的4070點采樣,實現(xiàn)時經(jīng)過變換,映射成為一個整周期的虛擬正弦波表,實現(xiàn)了一個正弦周期內(nèi)的16 276點采樣,實際占用存儲空間只有其1/4。本設計中音頻采樣率約為32 550 Hz,所以頻率分辨率為

FIFO模塊起延遲作用。由于時序上先生成所有32個調(diào)制波采樣點,后生成32個載波采樣點,所以必須進行延遲使對應點在相位調(diào)制器上適當?shù)臅r刻相遇,即FIFO模塊對齊了載波采樣和調(diào)制波采樣。

混音與限幅模塊的作用就是把各已調(diào)單音的采樣值相加,混合為復音輸出。32個單音采樣都是16 bit的,相加后有可能溢出,于是還要進行限幅。這里使用的是硬限幅算法。

參數(shù)控制器模塊實現(xiàn)合成參數(shù)的配置。以VHDL代碼的形式仔放不同音色的ADsR參數(shù)和fm/fc比值。本設計內(nèi)置了8種音色,2個子模塊分別存放A(n)和I(n)的參數(shù),參數(shù)部分代碼如下:


數(shù)字音頻效果用FPCA實現(xiàn)簡單低音增強數(shù)字效果器。在Matlab 7.0中設計IIR低通濾波器,16 bif定點方式計算,經(jīng)低音增強并混音后輸出到后級。

11S總線接口模塊負責配置外部DAC。I2S(Inter-ICSound Bus)[7]是飛利浦公司為數(shù)字音頻設備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標準。在飛利浦公司的I2S標準中,既規(guī)定了硬件接口規(guī)范,也規(guī)定了數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的格式。本設計使用的是CS4334音頻專用DAC。合成音頻采樣率32550Hz,雙聲道16bit補零填充到24bit,I2S總線上輸出MCLK為12.5 MHz,SCLK為1.5625 MHz,LRCK為32.55 kHz,SDATA為串行音頻數(shù)據(jù)。

3.4系統(tǒng)特性

整個FPGA設計總共消耗邏輯單元5 000多個(約90%),存儲器57000多位(約60%),時鐘頻率50MHz,主要特性為雙聲道16 bit,32.55 kHz采樣率;32復音FM數(shù)字合成,實時MIDI演奏;獨立ADSR控制器;8種內(nèi)置音色參數(shù);內(nèi)置低音增強數(shù)字效果器。

圖5~6為聲音分配器到混音器以及I2S接口的仿真結(jié)果,聲音分配器的輸入消息為"開啟通道0上的音符60(channel=0,note=60,on-off=1)",在收到該消息約80μs后,聲音開始起奏,可見聲音合成時間遠小于MIDI通信約1.5 ms的固有延遲。

以下為MIDI的合成實例,圖7為MIDI音樂在音序器軟件Sonar 6.0鋼琴卷視圖里的顯示,它指示了各個音的開閉時間。圖8是這段MIDI音樂在FPGA上合成出的實際波形,此波形由聲卡以44.1 kHz采樣率、16 bit錄制,這里在音頻軟件Audition 2.0中顯示了其中一個聲道對應圖7的片段。圖9為對波形的STFT分析??梢郧宄乜吹剑铣沙龅穆曇艟胸S富的諧波分量存在(主要分布在10kHz以下),且由于調(diào)制度包絡的變化頻譜也動態(tài)變化。另外,從頻譜上看也沒有明顯的寬帶亮線存在,這說明合成波形的相位連續(xù)性較好,在聽感上表現(xiàn)為沒有暴音。圖10顯示了聲音起奏階段的波形,從其包絡可看到ADSR模型的實現(xiàn)也是成功的。

4 結(jié)束語

本設計以現(xiàn)代電聲技術(shù)為依托,在FPGA上進行全數(shù)字音樂合成,使用了經(jīng)典的FM音樂合成算法,并成功實現(xiàn)了32復音(和弦),完成了風琴等多種音色的模擬,聲音悅耳動聽,音樂表現(xiàn)力強,可應用于伴奏、演奏、鈴音、電玩等各種場合,具有實用價值,同時也體現(xiàn)了FPGA開發(fā)數(shù)字IC的優(yōu)越性和在MIDI系統(tǒng)中的靈活性。

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