總基于matlab的簡單音樂合成仿真設(shè)計

1、-. z.- - - .可修編 .：*：2013248731本科生畢業(yè)論文設(shè)計基于MATLAB的簡單音樂合成仿真設(shè)計學(xué) 院： 信息工程 年 級： 13級專 業(yè)： 通信工程學(xué)生： 何世欣 指導(dǎo)教師：濤封面還是錯的，指導(dǎo)教師也是錯的-. z.- .可修編 .學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文設(shè)計是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨立進展研究，所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文設(shè)計不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要奉獻的個人和集體，均已在文中以明確方式說明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承當(dāng)。學(xué)位論文作者簽名手寫： 簽字日期： 年 月

2、 日學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保存并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)科技學(xué)院可以將本論文的全部或局部容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進展檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于保 密 ， 在 年解密后適用本授權(quán)書。不 。請在以上相應(yīng)方框打 學(xué)位論文作者簽名手寫： 指導(dǎo)教師簽名手寫： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 -. z.- - - .可修編 .摘要科學(xué)技術(shù)的開展使得社會生活越來越趨于信息化和數(shù)字化，在此根底上語音信號也可以基于數(shù)字信號處理技術(shù)和語音學(xué)相關(guān)知識進展信

3、息化處理，此類技術(shù)因應(yīng)用性廣便捷性高受到社會的廣泛關(guān)注，已成為信息科學(xué)工程與研究領(lǐng)域的核心技術(shù)，被越來越多的高科技產(chǎn)業(yè)廣泛使用。計算機合成音樂也在其根底上得以迅速普及，而且理論上可以創(chuàng)造出任何一種聲音。MATLAB是一種用于數(shù)據(jù)分析和處理的計算機應(yīng)用軟件，它可以將語音文件進展信息化處理轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)據(jù)文件，再通過置強大的矩陣運算能力如數(shù)字濾波、時域和頻域分析、傅里葉變換、時域和頻域分析、聲音合成以及各種圖形的呈現(xiàn)等處理數(shù)據(jù)。利用MATLAB自帶的功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語音信號的處理和分析以及信號的可視化，使人機交互更加便捷。音樂可視為不同頻率與振幅的正弦波疊加并加以不同包絡(luò)所形成的信號

4、，它的這個特點使得MATLAB的處理有了可能，通過處理不同的音頻MATLAB可以進展簡單的音樂合成。本文主要是基于MATLAB環(huán)境下的音樂合成研究，首先基于相關(guān)的處理函數(shù)合成簡單的音樂，并且對音樂進展降噪、升降度和加諧波等處理；然后基于傅里葉變換分析處理后的音樂頻譜；最后根據(jù)傅里葉級數(shù)的原理來再次合成音樂。關(guān)鍵詞：音樂合成；MATLAB；傅里葉分析-. z.AbstractIn the current society, information technology and digitization bee more and more high. As a new technology to p

5、rocess speech signals based on digital signal processing technology and phonetic knowledge, voice signal processing technology is widely used in more and more high-tech industries. Technology has bee one of the core technologies in the field of information science engineering and research. puter syn

6、thesis of music to the rapid spread, in theory, you can create any kind of sound.MATLAB is a puter application for data analysis and processing that transforms sound files into discrete data files and then processes their data with powerful matri* operations such as digital filtering, Fourier transf

7、orm, time domain and Frequency domain analysis, sound synthesis and a variety of graphics rendering. Using MATLABs own function function can quickly and easily plete the voice signal processing and analysis and signal visualization, human-puter interaction more convenient. As the music signal can be

8、 seen as a series of different frequency and amplitude of the sine wave superposition and the formation of different envelopes, so you can use this feature based on MATLAB software analysis and processing of different audio signals for simple music synthesis.This paper is mainly based on the study o

9、f music position under MATLAB environment, using the relevant audio processing functions for simple music synthesis, the music noise reduction, plus harmonic and lifting processing; Fourier transform with the corresponding treatment of the Music spectrum; Finally, re-synthesis the music according to

10、 the principle of Fourier series.Key Word：Music synthesis; MATLAB; Fourier analysisADDIN KISM.UserStyle目 錄目錄格式全錯 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc478633296第1章緒論 PAGEREF _Toc478633296 h 1HYPERLINK l _Toc4786332971.1 選題意義及背景 PAGEREF _Toc478633297 h 1HYPERLINK l _Toc4786332981.2 國外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc47863

11、3298 h 1HYPERLINK l _Toc4786332991.3 本文主要研究容 PAGEREF _Toc478633299 h 2HYPERLINK l _Toc4786333001.4 MATLAB音樂合成的原理 PAGEREF _Toc478633300 h 3HYPERLINK l _Toc478633301所涉及的樂理知識簡述 PAGEREF _Toc478633301 h 3HYPERLINK l _Toc4786333021.4.2音調(diào)與唱名 PAGEREF _Toc478633302 h 3HYPERLINK l _Toc478633303音色與諧波 PAGEREF _

12、Toc478633303 h 3HYPERLINK l _Toc478633304十二平均律 PAGEREF _Toc478633304 h 4HYPERLINK l _Toc478633305傅里葉變換與頻譜分析 PAGEREF _Toc478633305 h 4HYPERLINK l _Toc4786333061.5 MATLAB的開展史 PAGEREF _Toc478633306 h 4HYPERLINK l _Toc478633307第2章音樂合成的相關(guān)算法 PAGEREF _Toc478633307 h 6HYPERLINK l _Toc4786333082.1 基于統(tǒng)計聲學(xué)模型的合

13、成算法 PAGEREF _Toc478633308 h 6HYPERLINK l _Toc4786333092.2 基于離散變換的合成算法 PAGEREF _Toc478633309 h 7HYPERLINK l _Toc4786333102.3 本文算法 PAGEREF _Toc478633310 h 7HYPERLINK l _Toc478633311第3章基于MATLAB的簡單音樂合成設(shè)計 PAGEREF _Toc478633311 h 9HYPERLINK l _Toc4786333123.1 MATLAB簡介 PAGEREF _Toc478633312 h 9HYPERLINK l

14、_Toc478633313的運行 PAGEREF _Toc478633313 h 11HYPERLINK l _Toc478633314變量、語句、矩陣與函數(shù) PAGEREF _Toc478633314 h 12HYPERLINK l _Toc4786333153.1.3 繪制三維圖形 PAGEREF _Toc478633315 h 12HYPERLINK l _Toc4786333163.3 核心算法實現(xiàn) PAGEREF _Toc478633316 h 13HYPERLINK l _Toc4786333173.4 算法設(shè)計 PAGEREF _Toc478633317 h 14HYPERLIN

15、K l _Toc4786333183.4.1 調(diào)用相關(guān)的MATLAB函數(shù) PAGEREF _Toc478633318 h 14HYPERLINK l _Toc4786333193.4.2 音樂初步處理 PAGEREF _Toc478633319 h 14HYPERLINK l _Toc4786333203.4.3 音樂合成 PAGEREF _Toc478633320 h 15HYPERLINK l _Toc478633321第4章 基于MATLAB的簡單音樂合成仿真 PAGEREF _Toc478633321 h 17HYPERLINK l _Toc4786333224.1 合成音樂 PAGE

16、REF _Toc478633322 h 17HYPERLINK l _Toc4786333234.1.1 初始音樂合成 PAGEREF _Toc478633323 h 17HYPERLINK l _Toc4786333244.1.2 消除噪音 PAGEREF _Toc478633324 h 17HYPERLINK l _Toc4786333254.1.3 重新生成音樂 PAGEREF _Toc478633325 h 19HYPERLINK l _Toc4786333264.2 原始聲測試和傅里葉分析 PAGEREF _Toc478633326 h 20HYPERLINK l _Toc47863

17、33274.2.1 原始聲測試 PAGEREF _Toc478633327 h 20HYPERLINK l _Toc4786333284.2.2 傅里葉分析 PAGEREF _Toc478633328 h 23HYPERLINK l _Toc4786333294.2.3 重新合成新音樂 PAGEREF _Toc478633329 h 25HYPERLINK l _Toc478633330第5章總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc478633330 h 26HYPERLINK l _Toc4786333315.1 總結(jié) PAGEREF _Toc478633331 h 26HYPERLINK l

18、_Toc4786333325.2 展望 PAGEREF _Toc478633332 h 27HYPERLINK l _Toc478633333參考文獻 PAGEREF _Toc478633333 h 29HYPERLINK l _Toc478633334致 PAGEREF _Toc478633334 h 30-. z.第1章緒 論1.1 選題意義及背景半個多世紀(jì)以來，音樂家們一直致力于利用當(dāng)今的科技和新材料來探索新的音樂，在原來的根底上進展不斷的創(chuàng)新，音樂合成此項技術(shù)由于其強大的數(shù)據(jù)處理能力和創(chuàng)造能力便隨之進入音樂家們的視野。音樂合成技術(shù)，不僅可以巧妙模仿現(xiàn)有樂器的音色，還能夠創(chuàng)造新的聲音，極

19、豐富了人類的音樂，給我們帶來了無窮無盡的新音樂體驗。隨著科技的開展，計算機合成音樂迅速在音樂界流傳并普及。作曲家和音樂家們?yōu)榱藙?chuàng)新和追求個性，往往選擇在音樂中參加新的聲音，而計算機合成音樂技術(shù)即為其提供了可能，因為在理論上它可以創(chuàng)造出任何一種聲音?，F(xiàn)在，合成音樂已經(jīng)逐漸脫離模仿現(xiàn)有樂器音色的道路，轉(zhuǎn)而向創(chuàng)造音色方面開展。雖然合成音樂在現(xiàn)代音樂領(lǐng)域已有相對廣泛的應(yīng)用，但是開展仍有所受限，國在該方面的權(quán)威理論著作也很少。這是因為它其涉及音色、聲學(xué)、計算機等相關(guān)學(xué)科，是一門綜合性強且專業(yè)性高的學(xué)科。通過分析近年來使用合成音樂的現(xiàn)代音樂，可以發(fā)現(xiàn)合成音樂相較聲學(xué)樂器在層次和音色上都具有顯現(xiàn)的獨特性，這

20、些分析也能為計算機合成音樂在現(xiàn)代音樂制作的應(yīng)用提供相對有實踐價值的參考。MATLAB是英文MATri* LABoratory矩陣實驗室的縮寫。自1984年由美國MathWorks公司推向市場以來，得到了廣泛的關(guān)注和開展。在興旺國家，MATLAB已經(jīng)是大學(xué)以上學(xué)歷者所必須具備的一項技能，是數(shù)字信號處理、時間序列分析、線性代數(shù)、自動化控制理論、動態(tài)系統(tǒng)仿真等諸多課程的根本教學(xué)工具。而在設(shè)計和工業(yè)部門，MATLAB也有廣泛的應(yīng)用，主要用于解決各種具體的工程和交互問題。根據(jù)國外的開展歷史和近幾年MATLAB在中國的開展趨勢，可以預(yù)見其在不久的將來，將會在科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。1.2

21、 國外研究現(xiàn)狀音樂合成技術(shù)是語音合成技術(shù)的一個分支。國外對于語音合成的研究已長達200多年，雖然研究時間長但是顯著的研究成果是在計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)開展之后才出現(xiàn)的，主要表現(xiàn)為讓計算機能夠輸出高清晰度和自然度的連續(xù)音樂。近幾十年，該技術(shù)在國外的研究重點為規(guī)則文語轉(zhuǎn)化，也就是將書面語轉(zhuǎn)化為口語。在語音合成技術(shù)的歷史開展過程中，早期研究主要應(yīng)用參數(shù)合成法。其中最具意義的就是Holmes的并聯(lián)共振峰合成器1973和Klatt的串/并聯(lián)共振峰合成器1980，這兩個合成器只需要細(xì)致的參數(shù)調(diào)節(jié)即可合成自然的語音。美國DEC 公司的DECtalk，是當(dāng)時最具代表性的文語轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它就是搭載串/并聯(lián)共

22、振峰合成器，從而使得人機交互有了更大的便捷和可能，該系統(tǒng)可以通過計算機聯(lián)網(wǎng)或者接入網(wǎng)來提供各項語音效勞，不僅發(fā)音標(biāo)準(zhǔn)清楚，而且還具備7種不同的音色，受到了當(dāng)時的廣泛追捧。但是后來人們發(fā)現(xiàn)，共振峰合成器盡管可以提供逼真的合成語音，但是其音質(zhì)卻因為提取共振峰參數(shù)的困難存在較大的缺陷，并不能滿足當(dāng)下需求。因此在不斷的研究下，語音合成技術(shù)又有了新的開展基音同步疊加PSOLA方法1990。這項技術(shù)基于時域波形的拼接，大大提高了合成音樂的音色和自然度，因此在九十年代初受到了廣泛的關(guān)注，包括法語、英語、日語、德語等在的文語轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都被成功開發(fā)研制出來，而且此項技術(shù)構(gòu)造簡單易于實時實現(xiàn)，有著非常美好的商用前景

23、。近年來的研究，也開發(fā)出一種基于數(shù)據(jù)庫的新的語音合成方法。該數(shù)據(jù)庫為預(yù)先錄下的龐大語音數(shù)據(jù)庫，每個合成語句的語音單元都能從數(shù)據(jù)庫中進展調(diào)取和拼接，因此只要數(shù)據(jù)庫足夠龐大，則理論上任何語音都可以被合成出來且具有不同語境下的語氣和音調(diào)差異，清晰度和自然度將會有質(zhì)的提升！1.3 本文主要研究容在本設(shè)計中，MATLAB軟件通過對音樂信號頻率與時長的分析與組合來簡單合成音樂。頻率表現(xiàn)音調(diào)，時長表達時長，基于該根底MATLAB在編程中能夠存儲音樂的頻率和時長，并且通過將正弦波形的不同疊加與包絡(luò)設(shè)置來仿真實現(xiàn)音樂的音調(diào)與節(jié)奏的變化。主要特色：1、直觀而集中的顯示各運行參數(shù)，能分析音樂合成的運行。2、參數(shù)便于

24、修改，從而方便改變音色和音調(diào)。論文的主要構(gòu)造分為五個局部：第一章為緒論，簡單介紹了選題背景和意義，同時介紹了國外關(guān)于語音合成的研究狀況，也描述了本文的主要研究容和方向；第二章是介紹了一些合成算法，本文的研究算法是從這些算法中綜合而來；第三章是簡單音樂合成的設(shè)計思路，同時對根本原理進展了分析；第四章是仿真實驗局部，介紹了本文的實驗成果；第五章是總結(jié)；最后局部是致。1.4 MATLAB的開展史MATLAB由美國New Me*ico大學(xué)Cleve Moler教授編寫并命名，起初他是為了方便學(xué)生調(diào)用EISPACK和LINPACK從而編寫了其接口軟件。MATLAB的便捷性使其之后成為了國外許多大學(xué)的教學(xué)

25、輔助軟件。1984年，Cleve Moler和John Little創(chuàng)立了Math Works并推出了第一版MATLAB DOS，核心使用C語言編寫。隨著MATLAB的不斷開展，20世紀(jì)90年代末推出了MATLAB5.*版本，功能更加強大，能處理更多的數(shù)據(jù)構(gòu)造。2000年，MATLAB6.0出現(xiàn)，操作界面有了三個窗口：程序、歷史信息及變量管理，而FFTW系統(tǒng)的應(yīng)用使得其計算速度上了一個臺階。一年后2001，MATLAB6.1及Simulink4.0相繼問世，功能更強大的MATLAB6.5也在2002年推出。2004年，MATLAB7.0版本發(fā)行，優(yōu)化了編程環(huán)境、數(shù)據(jù)可視化、計算和文件I/O等方

26、面的功能。此后幾年，MATLAB7.17.14也不斷更新迭代，性能不斷優(yōu)化，功能不斷完善。近幾年推出的MATLAB2012b8.0版及MATLAB2013a相較之前有了較大的改變，主窗口中工具條替代了菜單和工具欄顯得更加齊整和簡潔，幫助文檔在搜索、瀏覽和篩選功能上也有了大幅度的提升。MATLAB2014a和MATLAB2014b版本也在之后推出。本設(shè)計使用的是MATLAB2013a，它功能強大而且方便快捷。1.5MATLAB音樂合成的原理在本設(shè)計中，MATLAB軟件通過對音樂信號頻率與時長的分析與組合來簡單合成音樂。頻率表現(xiàn)音調(diào)，時長表達時長，基于該根底MATLAB在編程中能夠存儲音樂的頻率和

27、時長，并且通過將正弦波形的不同疊加與包絡(luò)設(shè)置來仿真實現(xiàn)音樂的音調(diào)與節(jié)奏的變化。1.4.1所涉及的樂理知識簡述音樂合成過程中不可防止需要考慮音樂的三大特性：音調(diào)、響度、音色。音調(diào)就是音的上下，其主要影響因素為聲波的頻率。響度為音的強弱，其主要影響因素為聲波的振動幅度。音色是聲音的感覺特性，其變化是由音樂波形中諧波的作用產(chǎn)生的。1.4.2音調(diào)與唱名音樂曲譜中所對應(yīng)的的1(do)、2(re)、3(mi)、4(fa)即為唱名，每個唱名代表著各自獨特的基波頻率，但是要確定其基波頻率必須先確定音調(diào)。如，樂譜為1=C，代表音調(diào)為C調(diào)則1(do)的基波頻率是261.6Hz，假設(shè)樂譜為1=E則1(do)頻率是2

28、39.6Hz，樂譜為1=G則1(do)的頻率是392.1Hz。1.4.3音色與諧波音色是聲音的感覺特性，其變化是由音樂波形中諧波的作用產(chǎn)生的。在專業(yè)術(shù)語中，泛音指諧波，音調(diào)確認(rèn)后可以確定唱名的基波頻率，但是諧波頻率的卻無法確定。樂器不同，所發(fā)出聲音的音樂也不同，這是因為不同樂器會產(chǎn)生不同的諧波成分和頻譜構(gòu)造。不僅如此，不同樂器多產(chǎn)生的音樂包絡(luò)波形也迥乎不同，在合成音樂時常將音樂的復(fù)雜包絡(luò)函數(shù)直線化，這是便于用程序來表示波形包絡(luò)，因而常呈折線型。1.4.4十二平均律十二平均律，是指將音樂的八度按照頻率等比例地分成十二份，是一種音樂定律的方法。它被廣泛應(yīng)用在鍵盤樂器與交響樂隊中，因為它不僅與五度相

29、生律發(fā)音相似，而且能輕松解決轉(zhuǎn)調(diào)問題。國際標(biāo)準(zhǔn)音的規(guī)定顯示，相鄰的半音之間的頻率之比定為2(1/12)1.059，鋼琴就是所有樂器中應(yīng)用該規(guī)律的最常用樂器。其琴鍵a1的頻率規(guī)定為440Hz，所以根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)音規(guī)定就可以算出鋼琴其他所有琴鍵所對應(yīng)的頻率。如，與a1左邊相鄰#g1頻率是440/1.059=415.03Hz，與a1右邊相鄰的半音#a1的頻率是466.16Hz，也可以算出不同音調(diào)下1do的對應(yīng)的基波頻率，即C：261.63Hz，F(xiàn)：349.23Hz和G：392Hz等。1.4.5傅里葉變換與頻譜分析音樂合成過程中不可防止需要考慮音樂的三大特性：音調(diào)、響度、音色，因此必須了解音樂的基波、諧

30、波頻率成分以及包絡(luò)的形狀特征。應(yīng)用傅里葉變化理論對音樂信號的頻譜構(gòu)造進展分析處理，有利于提取其頻譜特征。現(xiàn)代信號頻譜的主要分析方法為有限長序列的離散傅氏變換(DFT)，它能夠?qū)㈩l域也離散化。N點DFT實質(zhì)上是其頻譜的離散頻域采樣，對頻率具有選擇性(k=2k/N)，在這些點上反映了信號的頻譜。N點DFT雖然能克制時間域與頻率域之間相互轉(zhuǎn)換的計算障礙，但是其計算量大計算復(fù)雜。因此引用快速傅里葉變化FFT算法最簡單、編程最容易的基2FFT，還有基4FFT、基8FFT等快速算法。采樣定律說明，F(xiàn)FT變換相當(dāng)于對有限長序列進展頻域采樣，計算速度快而且也不會喪失信息，具有雙重作用。所以只要時域序列的長度足

31、夠長，采樣的點數(shù)足夠多，頻域采樣也可以很好地反映信號的頻譜趨勢，基于以上優(yōu)點，在設(shè)計中可以用FFT進展語音信號的頻譜分析。第2章 音樂合成的相關(guān)算法音樂合成是語音合成的一種，因此語音合成的算法思路可以直接運用于音樂合成中。對于語音合成的研究已經(jīng)到了一個比擬深入的階段，也出現(xiàn)了多種不同的算法，但是歸結(jié)起來，主要是兩個大的方向，其中一種是通過統(tǒng)計學(xué)建立聲學(xué)模型來進展語音合成，另一種是挑選語音的特征參數(shù)來識別并合成新的語音。2.1 基于統(tǒng)計聲學(xué)模型的合成算法這種算法的思路是在模型訓(xùn)練階段，首先提取語料庫中語音數(shù)據(jù)的頻譜、基頻等聲學(xué)相關(guān)指數(shù)，與統(tǒng)計聲學(xué)模型可以用于匹配之前和之后的容，并通過語料庫中音位

32、以及韻律予以注釋。使用的模型構(gòu)造為隱馬爾柯夫模型。當(dāng)進入到合成階段時，以使目標(biāo)合成句對應(yīng)的聲學(xué)模型具有最大的似然值輸出為準(zhǔn)則，來進展最正確合成單元的挑選，最后通過平滑連接各備選單元波形來生成合成語音。其核心在于對錄入過程中中，對待合成字符產(chǎn)生的研究數(shù)據(jù)，需要將匹配的單元從前期進展錄制的語料庫中進展篩選，得到的結(jié)果為由波形進展編輯而成的語音成品。這種效果制作的語音成品相比普通算法在自然度上有所超越，原因在于波形自身便具備自然的特性。前期籌劃的語料庫的容越廣泛，自然度的優(yōu)勢就越明顯，甚至?xí)绊懙秸Z音合成未來的前進開展問題。隨著對語音合成技術(shù)的不斷探究，目前以隱馬爾柯夫模型作為主流算法，并且得到快速

33、的推廣。類似統(tǒng)計建模的統(tǒng)計模型，圍在語音識別方面以獲得廣泛推廣。在這種參數(shù)的操作原理中，即是在參數(shù)合成的方式以統(tǒng)計模型為主，聲學(xué)模型為輔的方式進展模擬，其中參數(shù)生成的方式為最大似然，通過對生成語音成品需求的頻譜和韻律進展評估，再通過參數(shù)合成的方式轉(zhuǎn)化語音。以這種方式為原則，將提升系統(tǒng)的應(yīng)用性，在運算期間，可以無視語種的區(qū)別以及進展自動化訓(xùn)練，最終使綜合的自然度質(zhì)量提高。通常在自動化訓(xùn)練環(huán)節(jié)，在前期籌備的語料庫里，可針對音素聲學(xué)參數(shù)匹配音段、韻律進展容注釋，對HMM模型中之前和之后的容進展信號頻率、基頻和時間長度進展訓(xùn)練。在最后的合成環(huán)節(jié)，需要進展錄入文本的解析，才可獲取目標(biāo)合成句中所有語音最小

34、單位進展上下容的注釋，測試已優(yōu)化好的模型與聲學(xué)模型的匹配程度?？梢詤⒄誎ullback-Leibler算法原則進展單元的選擇和MLE算法原則下進展單元值的選擇，生成的最終單元序列可到達合成語音的平滑輸出。詳細(xì)訓(xùn)練算法以及合成算法如圖2.1所示。圖里面的字太大了，說了好幾遍了圖 2.1基于統(tǒng)計聲學(xué)模型的合成算法2.2 基于離散變換的合成算法這種算法是在離散變換域中合成語音信號，建立語音線性預(yù)測模型，信號經(jīng)過加窗后隨著信號幀推進逐一展開處理，隨之對語音取樣值的線性組合進展預(yù)測以及運行基音檢測算法擇取語音幀，對語音信號進展模擬重建。其主要特質(zhì)為，通過對樣本進展頻率濾除，進而通過預(yù)測器進展預(yù)測，以語音

35、線性預(yù)測模型進展優(yōu)化，以到達控制信號的帶寬，加窗后隨著信號幀推進逐一展開處理，音頻的重構(gòu)合成將在聲道模型中進展。采用此種算法的亮點在于傳輸能力方面要好過模擬信號。通常情況下，信號在轉(zhuǎn)換過程中需要將模擬變?yōu)閿?shù)字，而語音信號也不例外，作為對語音信號進展重構(gòu)合成的變換域即Z域，就是由離散系統(tǒng)轉(zhuǎn)變而成。2.3 本文算法通過結(jié)合實際情況，本文的算法思路是：首先利用相關(guān)的語音處理函數(shù)進展簡單的音樂合成，對音樂進展降噪、加諧波以及升降度處理；然后用傅里葉變換分析經(jīng)相應(yīng)處理后的各音樂頻譜；最后運用傅里葉級數(shù)的原理來再次合成音樂針對語音音頻進展對應(yīng)的優(yōu)化合成，對音樂頻率中產(chǎn)生的噪音、非正弦電量、音調(diào)等參數(shù)進展分

36、析優(yōu)化。采用此種的亮點在于，方便快捷，可以使普通音頻合成的效果顯著。只不過，如果面對非常復(fù)雜的音頻，就會出現(xiàn)詬病。在噪音、音調(diào)等方面受到阻礙。下文將著重通過博里葉技術(shù)變化進展剖析，證明此種方法的合理性。第3章 基于MATLAB的簡單音樂合成設(shè)計本章主要簡單音樂合成設(shè)計，并對設(shè)計的根本原理進展分析，在介紹之前先對MATLAB進展一個簡介。3.1 MATLAB簡介一個簡介將了這么多你不如單獨列一章來將matlabMatlab為縮寫的英文名，而它中文命名為矩陣實驗室MATri* LABoratory，矩陣實驗室的縮寫。在1979年的時候，克里夫莫勒爾正在為美國新墨西哥大學(xué)任教，當(dāng)他在授課的時候，希望

37、自己的學(xué)生可以運用EISPACK和LINPACK進展運算，當(dāng)時他發(fā)現(xiàn)自己的學(xué)生在對接口進展編程經(jīng)常要花費大量精力，給運算帶來極大的不便。為了解決這一問題，方便學(xué)生的運算，他便自己編寫出程序庫的接口程序，并且根據(jù)程序庫的運算方式命名為矩陣實驗室。雛形時期的Matlab是用FORTRAN語言進展簡編，用途比擬單一，因為無償使用又在學(xué)生中有良好的口碑，經(jīng)常被各個大學(xué)所應(yīng)用。工程師John Little敏銳地覺察到Matlab在工程領(lǐng)域的廣闊前景。同年，他和 Cleve Moler、Sieve Bangert一起合作成立了公司。以C語言開發(fā)使之成為專業(yè)進展數(shù)據(jù)運算以及圖表顯示功能的專業(yè)軟件。在九十年代

38、初期，公司不斷對Matlab進展更新、升級、換代，使之成為多功能化計算軟件，在軟件超凡的數(shù)據(jù)運算能力為前提，增加了符號運算以及模擬建模等功能。使編程更方便。1999年初推出了的5.3版本在很多方面又進展了進一步改良。2001年7月，MathWorks公司退了Matlab最新版本6.1版，6.1版對計算機配置要求比擬高。之后又推出了7.0版本?，F(xiàn)在用戶用的最多的是7.0版本。 截止到目前，Mat lab已經(jīng)逐步成為專業(yè)功能更強大的軟件，它所具備的靈活運算能力以及通俗易懂的語言使之更為實用，其中在各個國家知名大學(xué)中被普及應(yīng)用，并受到廣泛的好評。主要運用于數(shù)學(xué)、機械自動化、自然科學(xué)、工程科技、測量測

39、繪等多種學(xué)科，是眾多學(xué)科專家教授以及學(xué)生都需要必備的應(yīng)用軟件，并在一些更為專業(yè)的學(xué)術(shù)部門被普及運用，進展專業(yè)性的科研開發(fā)。在國的科研工程之中，Matlab也被普遍應(yīng)用，而本文中主要需要Matlab的通訊處理和仿真模式。Matlab的計算功能分兩個方面，一方面是數(shù)值計算，一方面則以針對數(shù)據(jù)中的符號計算進而提供分析數(shù)據(jù)，對于精度以及解析進展求解。另外它包含的函數(shù)容以及函數(shù)算法等兼容性較強，算法公式為經(jīng)過專業(yè)計算專家進展審核認(rèn)可，并經(jīng)過精心設(shè)計。另外，對于符號計算的分析功能也十分強大，在通過與MAPLE軟件進展強強聯(lián)手，并以其明顯的功能優(yōu)勢成為計算軟件中的主流軟件。Matlab在制圖方面的功能也非常

40、完整，可進展兩種層次的制圖進展操作：首先可以對圖形變量進展低層制圖，再次也可以在此根底上進展高層制圖。尤其是在高層制圖方面，不僅在制圖的功能上比擬豐富，在操作上設(shè)計中也合理便捷。圖片的變量在繪制過程中可隨意的進展控制。此外，Matlab的額外亮點還在于它會用戶提供的工具箱，在進展根底的計算制圖等功能時，可使用根底款工具，就完全能滿足需求。而在擴展工具箱中，包括功能、學(xué)科等多種針對性操作工具，例如：模擬建模、符號處理、系統(tǒng)操作、通訊信號、金融數(shù)據(jù)等多種專業(yè)性工具。Matlab能夠在數(shù)據(jù)計算軟件中占據(jù)主流的位置，在科研單位以及高校各學(xué)科中得到如此的普及運用得益于它的可視化圖表、數(shù)值運算、算法測試等

41、。其中包含Matlab和Simulink，兩者可以將諸多專業(yè)性工具可視化圖表、數(shù)值運算、模擬建模等在軟件視圖進展優(yōu)化，以到達更高的客戶體驗。主要運用于數(shù)學(xué)、機械自動化、自然科學(xué)、工程科技、測量測繪等多種學(xué)科。Mat lab的主要特點分析如下：1.編程語言簡單，應(yīng)變能力強大；依靠其種類繁多、數(shù)量大、涉及圍較廣的數(shù)據(jù)庫，可以通過便利的函數(shù)應(yīng)用進展制作測試，對初學(xué)者根本無太多要求，而且非常容易上手。2. 用戶體驗良好，在Matlab能將根底功能進展掌握之后，根本對程序調(diào)試也非常熟練，開發(fā)人員對程序的編制更加得心應(yīng)手，而且其具備通俗易懂的操作界面，以人性化和實用化的開發(fā)環(huán)境滿足開發(fā)人員的實際需求，可以

42、盡快對于錯誤進展修復(fù)和排除，另外由于學(xué)習(xí)難度降低，使之成為比VB更為簡單的語言系統(tǒng)。3擴展兼容能力強 ， Matlab強大的數(shù)據(jù)庫使開發(fā)人員對程序的編制更加得心應(yīng)手，并且?guī)旌瘮?shù)兼容能力強，針對可以根據(jù)用戶的體驗進展自行改變，調(diào)動、翻閱。根據(jù)開發(fā)人員的實際需求，還可以自行對一些元素進展自定義的建立和擴展，使其具有的多元化的特征跟拓展性的功能。4語句簡單，容綜合表達 ，Matlab主要依靠函數(shù)成為自身重要語言，通常用以下表示：(a，6，c)= fund，e ，f，含義為函數(shù)在函數(shù)命數(shù)之，輸入變量d，e，f，和輸出變量a，b，c .組成，同一函數(shù)名F，不同數(shù)目的輸入變量包括無輸入變量及不同數(shù)據(jù)存在的

43、變量。其中每一種變量，有存在針對性的數(shù)值，使之將繁雜的運算符轉(zhuǎn)化更加精簡，從而大量減少字符的數(shù)量，提供了良好的編輯和調(diào)試的環(huán)境。5矩陣和數(shù)組運算能力強 Basic、Fortra一樣規(guī)定了矩陣的一系列運算符，它不需定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，將其用于在通訊方式、模擬建模、語音識別等角度的應(yīng)用，可以提高研究的效率，尤其是科研類軟件的開發(fā)，它具有的功能性以及可控制性使一些專業(yè)圍的軟件得到更好的研發(fā)及應(yīng)用。6制圖功能簡單有效，對于制圖的功能性，Matlab的優(yōu)勢在于簡單，通過輸入制圖函數(shù)的指令，就可以對其圖形、顏色、線、點等多重要素進展繪制。而且對于制圖表標(biāo)題、注釋也僅需要簡

44、單指令就可以達成。3.1.1MATLAB的運行啟動MATLAB 點擊MATLAB圖標(biāo),進入到MATLAB命令窗MATLAB mand Window.在命令窗,可以輸入命令、編程、進展計算. 學(xué)會使用help命令在命令窗輸入help命令,再敲回車鍵.在屏幕上出現(xiàn)了在線幫助 總覽.注意：MATLAB命令被輸入后,必需敲回車鍵才能執(zhí)行.為行文方便,以后不再每次提醒敲回車鍵.學(xué)會使用help命令,是學(xué)習(xí)MATLAB的有效方法.例如：要想知道MATLAB中的根本數(shù)學(xué)函數(shù)有哪些,可以在總覽的第五行查到：MATLAB中的根本數(shù)學(xué)函數(shù)用elfun表示,于是,可進一步鍵入：help elfun,屏幕上將出現(xiàn)根本

45、數(shù)學(xué)函數(shù)表.注意：help elfun之間有空格,以后不再每次提醒.如果想了解sin函數(shù)怎樣使用,可進一步鍵入help sin.在工具欄中點擊help按扭,或點擊？號按扭,與上面獲取幫助信息的方法是等效的. 學(xué)會使用demo命令 在命令窗輸入demo命令,再敲回車,鍵屏幕上將出現(xiàn)演示窗口. MATLAB Demo Window一共有三個窗口,左邊的窗口顯示欲演示容的大標(biāo)題,選定其中一項,右下方的小窗口顯示欲演示的具體容,選中其中一欄,再點擊run按扭,屏幕上將演示選定的演示程序.右上方的窗口顯示關(guān)于大標(biāo)題的一些說明.在命令窗輸入type (文 tob_id_4294 2 件名),將顯示演示程序

46、的M文件,仔細(xì)研究演示程序的M文件,是學(xué)習(xí)MATLAB的又一有效方法. 進入演示窗還有另一方法：在工具欄中點擊Help欄,下拉式菜單中點擊e*amples and demos項,即可進入演示窗口. 退出 在工具欄中點擊File按鈕,在下拉式菜單中單擊E*it MATLAB項即可3.1.2變量、語句、矩陣與函數(shù)1變量 在MATLAB中,變量由字母、數(shù)和下劃線組成.第一個字符必須是字母.一個變量最多由31個字符組成,并區(qū)分大小寫.下面是MATLAB中表示特殊量的字符： pi圓周率、eps最小浮點數(shù)、Inf正無窮大、NaN表示0/0或inf-inf等不定值、i,j虛數(shù)單位 2語句 MATLAB語句的

47、一般形式為：變量=表達式.當(dāng)*一語句的輸入完成后,按回車鍵,計算機就執(zhí)行該命令.如果該語句末沒輸入其它符號或輸入了逗號,將顯示結(jié)果；如果句末輸入了分號,將不顯示結(jié)果.如果語句中省略了變量和等號,則計算機將結(jié)果賦值給變量ans. 3矩陣把mn個數(shù)排成m行n列的數(shù)表,此數(shù)表被稱為m行n列的矩陣,記為 mnmnnmaaaaA1111 MATLAB中矩陣的輸入方法如下：A=a11,a1n；am1,amn.逗號是數(shù)之間的分隔符也可用空格代替；分號是換行符. 3.1.3 繪制三維圖形空間曲線的繪制 繪制空間曲線的根本命令為: plot3(*,y,z)；plot3(*,y,z,s)或plot3(*1,y1,

48、z1,s1,*2,y2,z2,s2,) 其中*,y,z是同維的向量或矩陣.當(dāng)它們是矩陣時,以它們的列對應(yīng)元素為空間曲線上點的坐標(biāo).s是線形、顏色開關(guān),這一點與二維曲線時的情形一樣. 曲面的繪制繪制空間曲面的根本命令為mesh(*,y,z). 如果*、y是向量,則要求*的長度=矩陣z的列維；y的長度=矩陣z的行維.以zij為豎坐標(biāo),*的第i個分量為橫坐標(biāo),y的第j個分量為縱坐標(biāo)繪網(wǎng)格圖多幅圖形的創(chuàng)立 有時同一曲面或曲線需要從不同的角度去觀察,或用不同的表現(xiàn)方式去表現(xiàn),這時,為了便于比擬,往往在一個窗口畫多幅圖形.MATLAB用subplot命令實現(xiàn)這一目的.具體格式為： subplotm,n,p

49、 使用此命令后,把窗口分為mn個圖形區(qū)域,p表示當(dāng)前區(qū)域號. 例如把sin*,cos*,atan*,sin*cosy畫在一個窗口,可鍵入： *=0:pi/6:2*pi;y=*; z1=sin(*);z2=cos(*);z3=atan(*); subplot(2,2,1); plot(*,z1,r,*,z2,g) subplot(2,2,2);plot(*,z3,m) subplot(2,2,3);*,y=meshgrid(*,y);z4=sin(*).*cos(y); mesh(*,y,z4);subplot(2,2,4);surfc(*,y,z4) 3.3 核心算法設(shè)計這個算法核心就是傅里葉

50、變換，傅里葉變換本來是數(shù)學(xué)專業(yè)的容，但是在MATLAB中運用的非常廣泛，本文根據(jù)福利葉變換創(chuàng)立了信號頻譜的概念。傅里葉分析就是將信號的頻率構(gòu)成、頻率寬度等特征進展分析。音樂的基波頻率和諧波構(gòu)成是合成一段音樂的根本。所以，傅里葉變換是在處理時必須要使用到的根本工具。當(dāng)時間信號是連續(xù)時，根據(jù)傅里葉變換有如下公式：。因為等式兩邊都是連續(xù)性函數(shù)，并不能用作計算機來進展計算。需要MATLAB提供的符號函數(shù)fourier來進展計算。但是有一個前提要求，就是需要信號解析的表達式。但是在工程實際應(yīng)用中，并不能得到信號是解析表達式，在這種情況下，就需要傅里葉變換的數(shù)值計算的方法。如果f(t)的主要取值區(qū)間為t1

51、，t2，則將T=t2-t1定義為區(qū)間長度。在該區(qū)間抽樣N個點，抽樣間隔為t=T/N，則通過上述公式則可以計算出任意頻點的傅里葉變換值。假設(shè)F()的主要取值區(qū)間是 1，2 ，要計算其間均勻抽樣的k個值，故在上面的式子中有如下表達式其表達的意思為頻域抽樣間隔。3.4 算法實現(xiàn)3.4.1 調(diào)用相關(guān)的MATLAB函數(shù)相關(guān)的幾個聲音信號分析與處理的MATLAB函數(shù)及其功能，見下表表3.1 函數(shù)功能表函數(shù)功能wavread讀.wav文件sound將向量轉(zhuǎn)換成聲音kron矩陣的量積(叉乘)resample改變信號的采樣率interp上采樣(提高采樣率)decimate下采樣(降低采樣率)3.4.2 音樂初步

52、處理要注意音樂時間的分割。在進展音樂信號處理時，需要考慮樣品數(shù)據(jù)是否是該軟件承受圍的點。假設(shè)以8000Hz為取樣樣品，意味著在一秒就有8000個取樣數(shù)據(jù)點。需要再進展相當(dāng)長時間的數(shù)學(xué)計算。由于時間較長，可能會出現(xiàn)死機的情況。所以，需要對音樂進展分割成假設(shè)干個小段落后在進展分析計算。并且分割的段落越多，其計算分析的速度越快，效率越高?？茖W(xué)時間段落為0.5秒一個段落。在進展音樂分析工作時，分析的重點應(yīng)該落在每一小段的最高幅度周圍，其他處當(dāng)做幅度衰減其頻率不變，可以不用重復(fù)分析。能夠減少工作時間。減少無用功。但是為了防止出現(xiàn)漏掉基波頻率，就需要嚴(yán)格參考時域波形，確定每個音的起止時間和持續(xù)時間。承接上

53、文提及到的音樂的起始時間和持續(xù)時間，這二者是合成音樂中的重要環(huán)節(jié)。音調(diào)的持續(xù)時間就是音樂的節(jié)拍，俗稱的拍子。一個節(jié)拍大約有零點五秒。需要準(zhǔn)確把我每個音的起始時間和持續(xù)時間，這樣才不會在合成音樂時完成失真的現(xiàn)象，才能真正把握住各個基波頻率的順序和節(jié)拍。音樂中一個重要的因素就是音樂的波形包絡(luò)。為了減小合成過程中造成的誤差，可以通過音樂時域波形判斷音樂在下一個音樂開場時是否會衰減為零。音樂的包絡(luò)有兩種形式，一是折線型，二是指數(shù)衰減。其重要步驟是如何采取衰減指數(shù)。假設(shè)是采取折線方式，其操作會更繁瑣一點，但是可以通過時域波形來判斷折線斜率。如果采取指數(shù)衰減的形式，就要簡單一些，只需要確定衰減系數(shù)。本文采

54、用的方式是指數(shù)衰減方法，根據(jù)工程上電容充放電理論來確定衰減系數(shù)，當(dāng)t大于等于3S以后，可認(rèn)為電路已趨穩(wěn)定，其中，S為RC電路的時間常數(shù)，S=RC。假設(shè)*一個音樂的持續(xù)時間為T，并且在持續(xù)時間衰減為零。當(dāng)包絡(luò)采用指數(shù)eat時，則衰減因子a=3/T。計算器的計算的容量是有限的，為了提高計算的速度，也應(yīng)該考慮合成時的頻率分量，并不能將所有的分量都參與到合成中。只需要選擇其中音頻超過0.35倍最大幅度的頻率分量，這樣才能保障計算機穩(wěn)定高效地工作。同時我們也發(fā)現(xiàn)，合成音樂并不是真正的音樂，由于舍棄了一些音樂頻譜中的頻率分量，導(dǎo)致合成音樂的頻率分量比真是音樂中的分量要少，并且采用了指數(shù)衰減包絡(luò)的形式對音樂

55、進展了波形形狀的篩選。并沒有完全具備真實音樂的波形形狀。從而簡化了程序的編制。3.4.3 音樂合成合成的局部代碼如下：function k= play()rhythm = 5 5 6 2 1 1 6 2;0 0 0 0 0 0 -1 0 ; 0.5 0.25 0.25 1 0.5 0.25 0.25 1;y=generaterhythm(rhythm, 8);sound(y);end用MATALB語言編程實現(xiàn)音樂的分析與合成實驗流程如圖3.1所示。圖3.1 音樂合成流程圖-. z.基于MATLAB的簡單音樂合成仿真這章主要是根據(jù)之前的程序進展進一步的仿真驗證。充分利用了MATLAB良好的信號處

56、理能力。主要的設(shè)計圖如下列圖?；贛ATLAB 軟件的音樂合成系統(tǒng)簡單合成及處理音樂的模塊音樂的傅里葉頻域分析模塊傅里葉級數(shù)合成音樂模塊音樂的字幕動態(tài)顯示模塊圖4.1 設(shè)計框架4.1 合成音樂4.1.1 初始音樂合成4.1.2 消除噪音在前面的音樂中會聽到雜音，使啪音效出的最簡便的方法是，可以通過包絡(luò)來消除噪音，為每個音都加上外形相似的包絡(luò)，讓其連接響度為零即可。主要是兩個判斷語句：if p/l0.7y=p/l*e*p(-7*p/l);elsey=0.7/0.3*e*p(-4.9)*(1-p/l);endend程序運行后，可明顯發(fā)現(xiàn)沒有啪音的出現(xiàn)，但由于不管音的長短，最終都要衰減到零，這使音樂

57、的真實感大大降低。加過包絡(luò)后的波形圖如圖4.1所示。圖4.1 加過包絡(luò)后的波形圖在兩個不同音的交界處放大圖如4.2所示，由圖可見，在交響處的響度為0，因此，不會出現(xiàn)大的高頻分量圖4.2 交界處放大圖在試驗程序中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交界處的響度非常小而非零時，啪音也不會出現(xiàn)，例如當(dāng)交界處響度為最大的10%時，啪也會消除，波形如圖4.3所示。圖4.3 響度為10%的波形圖4.1.3 重新生成音樂由樂理知識可以知道，八度的頻率差是兩倍，將原頻率升高或者降低成原來的兩倍或者二分之一，就能夠?qū)崿F(xiàn)將原音樂升高一個八度或者降低一個八度。并且僅需要在頻率標(biāo)記上乘以二或者除以二就可以了。假設(shè)要低一個八度，利用resampl

58、e 函數(shù)將上述音樂升高半個音階即可。假設(shè)要上升半個音階，將其頻率上升為原來的21/121.06倍就可以實現(xiàn)，只需要利用resample函數(shù)改變原數(shù)據(jù)采樣率即可，即y=resample(y,100,106);在上面結(jié)果的根底上參加適量諧波，重新生成音樂，代碼如下：function y = generatetune (freq, time, fs)c=1 0.2 0.3;t = 0:1/fs:(time - 1/fs);y = zeros(1, length(t);for count = 1:3;y=y+c(count)*sin(t*freq*count*2*pi);endfor count1 =

59、 1 : length(y)y(1, count1) = 20*y(1, count1) * amendment(count1, length(y);end僅修改generaterune函數(shù)即可。4.2 原始聲測試和傅里葉分析4.2.1 原始聲測試測試原始聲音的命令為：d=wavread(fmt.wav);sound(d)聽到聲音真實。載入文件Guitar.mat，并繪制realwave和wave2proc的圖像，我們得到圖4.4和圖4.5兩圖。圖4.4 realwave原始聲音波形圖圖4.5wave2proc原始聲音波形圖根據(jù)如下程序，我們可以近似求出一個周期的長度約為25個點。a=zero

60、s(1,length(realwave)-24);for count=1:length(realwave)-24a(count)=sum(realwave(1:25).*realwave(count:count+24);endagain=resample(realwave,250,243);sample=zeros(1,25);for count=1:25for count2=0:9sample(count)=sample(count)+again(25*count2+count);endendsample=sample/10;again=repmat(sample,1,10);again=r