DSP钢琴音准仪.docx

DSP课程设计简易钢琴音准仪学院电子信息工程学院班级自动化（铁道信号）1204姓名 学导教师高海林一、设计背景1.1设计需求分析目前大多数调律者是凭耳朵和经验来完成调律工作。 对于初学者来往往由于经验不足或缺乏良好的听辨音能力而不能把音调得很准。 钢琴音准仪能够清楚地看到被调音所处的音高状态， 可从容准确地把音调到所需要的高度。 不但弥补了听音方面乃至经验方面的一些不足， 而且具有省时省力、把握性大等优点。也只有这样才能达到提高调律质量，实现钢琴调律科学化、标准化、规范化的目的。1.2项目设计及创新(1)以钢琴乐音为载体，以速成调音师为目的，能有效地激发学生的学习兴趣和好奇心。(2)将基础知识和实际应用相结合、理论设计与系统仿真相结合，软件编程与硬件实现相结合，全面提升学生综合分析问题、解决问题的能力。(3)实验任务具有多层次性和开放性，分级考核、注重过程，充分鼓励学生的创新精神和探索精神。二、简易钢琴音准仪设计2.1设计内容与任务音准仪主要应用在钢琴调律中， 能把调律误差降低到最低限度,弥补听音方面乃至经验方面的一些不足。本设计要求利用 BJTU-DSP5502 平台制作一个简易钢琴音准仪器，对实际采集进来的钢琴乐音信号进行自动判断，同时给出校准建议。具体要求如下：(1)基础要求A. 根据给出的 A 大调-G 大调音阶的音频文件，利用 MATLAB 分析其频谱;B. 根据 “十二平均律”建立钢琴各琴键的频率点；C. 对给定的不在正确音调上的乐音（只含基波）进行校准。利用 MATLAB 进行算法仿真与验证，然后将算法移植到 BJTU-DSP5502 平台上实现。D. 对给定的不在正确音调上的乐音（含基波和谐波）进行校准。利用 MATLAB 进行算法仿真与验证，然后将算法移植到 BJTU-DSP5502 平台上实现。E. 分析在和标准信号对比过程中出现判断错误的原因，最终实现准确无误的识别。(2)发挥部分对实时采集的钢琴乐音进行校准。A. 分析实际信号可能混入的噪声来源，设计滤波器去噪（可以根据实际情况选择在BJTU-DSP5502 实验板上用数字方式实现，或者用元器件制作模拟电路实现，也可以数字模拟混合实现） 。B. 利用 MATLAB 进行系统仿真，并在 BJTU-DSP5502 平台上实现去噪。C. 利用(1)C 中的算法，在 BJTU-DSP5502 平台上实现对实际采集的钢琴单音判断、校准。D. 分析在和标准信号对比过程中出现判断错误的原因，确保校准数据的有效。2.2实现方案设计2.2.1信号采集 该部分利用虚拟钢琴模拟真实钢琴。利用手机从网上下载虚拟钢琴，弹奏虚拟钢琴时利用3.5mm音频线将虚拟钢琴信号从手机音频口通过BJTU-5502DSP的J5端口导入到DSP中，并判断是否为钢琴信号。判断方法为：每次连续读取N个声音采样值作为一段侦听信号，将N个声音的幅值之和作为信号能量分别选取有信号和无信号的能量统计平均值作为阈值，对侦听信号进行判决。2.2.2信号处理 首先利用matlab根据十二平均律计算出钢琴键音的标准音阶库。对接收到的信号首先利用FIR滤波器进行滤波，然后调用dsplib中的FFT函数进行时域变频域。2.2.3信号识别 将经过滤波处理的待识别音频文件中的谐波剔除，根据基波的频率来确定钢琴键位。然后将识别后的基波频率与建立的标准音库的频率进行对比给出调参建议。2.2.4算法原理说明 首先对采集到的音频信息进行采样，通过分析采样到的音频信息的幅值，来判断是否为钢琴音。将判断为钢琴音的音频信息进行滤波然后进行FFT变换得到音频的频域，然后从频域中抓出数个尖峰值，并记录他们在频域中对应的FFT点数。通过已经声明的谐波关系表，将抓出的数个尖峰中的谐波频率剔除，得到音频的基波频率。然后将得到的的基波频率与已经建立好的标准音阶库匹配，得到此音频的键音。2.3MATLAB仿真验证MATLAB仿真音阶频谱分析：[x,fs,bits] =wavread(C:\Users\Administrator\Desktop\wavr\XX.wav);subplot(2,1,1);plot(x);y=abs(fft(x));subplot(2,1,2);plot(y);C0——C7 由以上图片可以看出，高频部分的钢琴音时域持续时间短，基波能量高，谐波能量低、数量少，频谱的分离程度比较理想，很容易识别出基波分量，从而正确识别琴键；相比之下，低频部分时域持续时间很长，而且回音现象很严重，很容易造成侦听误判、导致多次识别，而且基波分量很弱、谐波分量能量高、数量多，识别难度非常大。2.4流程设计2.5关键技术分析2.5.1标准音阶库建立A4音采用国际标准440Hz，根据十二平均律的规则计算出钢琴88个键的标准频率，作