基于多維度小波變換及音頻信號(hào)重構(gòu)的激光陣列豎琴設(shè)計(jì)

劉 斌，劉 佳

（1.河南林業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000；2.河南省果園管理特種機(jī)器人工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽(yáng) 471000）

傳統(tǒng)的豎琴是一種具有豐富的內(nèi)涵和美麗音質(zhì)的撥弦樂(lè)器，而激光豎琴是采用激光模擬琴弦[1]，通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，從而發(fā)出相應(yīng)的聲音，而且可以根據(jù)音樂(lè)選擇不同的音色進(jìn)行演奏。而激光豎琴中最主要的就是對(duì)信號(hào)的采集、處理，及音色的還原[2]。本文設(shè)計(jì)了激光琴弦信號(hào)的采集、處理電路，以及對(duì)相應(yīng)的音頻信號(hào)采用多維度小波變換[3-4]及重構(gòu)的方式進(jìn)行解碼及音色還原。

1 硬件電路

激光豎琴采用stm32f407 作為處理器。通過(guò)信號(hào)調(diào)理板把光敏電阻阻值調(diào)理為處理器可識(shí)別的高低電平，再利用處理器通過(guò)對(duì)信號(hào)調(diào)理板來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢，判斷是哪個(gè)光敏電阻變化，然后通過(guò)處理器給語(yǔ)音芯片發(fā)送控制命令。CPU 核心板接收到信號(hào)后，對(duì)琴弦信號(hào)進(jìn)行解析，并根據(jù)解析后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)工業(yè)總線向音頻處理系統(tǒng)發(fā)送控制命令。音頻處理系統(tǒng)接到控制命令后，利用由多維度小波包、深度學(xué)習(xí)等算法組成的音頻信號(hào)重構(gòu)技術(shù)模擬各種弦樂(lè)的音頻信號(hào)，從而達(dá)到用激光作為虛擬琴弦來(lái)模仿樂(lè)器進(jìn)行樂(lè)曲演奏的目的。

硬件電路主要包括由光敏電阻陣列構(gòu)成的傳感器，由LM393 比較器、電位器等構(gòu)成的信號(hào)采集調(diào)理電路，由處理器和語(yǔ)音芯片構(gòu)成的信號(hào)處理、控制電路。本設(shè)計(jì)硬件總體框圖如圖1 所示。

圖1 硬件總體框圖

1.1 琴弦信號(hào)采集及調(diào)理電路

信號(hào)采集電路以4 個(gè)比較器、光敏電阻傳感器陣列及外圍電路組成，如圖2 所示。其中，比較器采用的是德州儀器生產(chǎn)的LM393 比較器，LM393 內(nèi)部有兩個(gè)比較器，消耗電流小，輸出為TTL 電平信號(hào)，是一款雙電壓比較器。

圖2 信號(hào)采集調(diào)理電路

LM393 的同相輸入端接上光敏電阻，當(dāng)阻斷激光頭與光敏電阻之間的光線時(shí)，會(huì)減小光敏電阻的阻值。同相輸入端電壓與參考電壓通過(guò)LM393 進(jìn)行比較，將比較結(jié)果以輸出不同的電平信號(hào)的方式傳輸給stm32f407 的I/O 口。激光是否可以直接照射到光敏電阻，決定了比較器的輸出口輸出的電平狀態(tài)。8 路光敏電阻對(duì)應(yīng)的8 個(gè)輸出口接在了處理器上的PA 口，通過(guò)讀取PA 口的狀態(tài)值來(lái)確定彈奏的是哪根激光琴弦，從而發(fā)出相應(yīng)的聲音。

1.2 音頻重構(gòu)電路

1.2.1 音頻模塊電路設(shè)計(jì)本模塊主要由音頻處理芯片WT588D-U 與外掛SPI Flash 兩路電路構(gòu)成，WT588D-U 需要外掛SPI總線的Flash 模塊來(lái)存儲(chǔ)音色樣本庫(kù)。為了使激光豎琴能夠彈奏出多種樂(lè)器的音色，可事先建立不同的音色庫(kù)，這樣激光豎琴就可以通過(guò)按鍵來(lái)控制發(fā)出多種樂(lè)器的音色，比如鋼琴，小提琴、豎琴等，從而使功能更豐富。

音頻模塊電路圖如圖3 所示。圖中U6 為32M 的外掛SPI Flash GD25Q32SIP，用于深度學(xué)習(xí)算法樣本庫(kù)的建立，U7 為音頻芯片WT588D，用于各種樂(lè)器音頻信號(hào)的重構(gòu)[5]。

圖3 音頻模塊電路

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

2.2 多維度小波解析變換

將一個(gè)多頻率組成的波通過(guò)多維度小波分解[6]，將所有頻率分解出來(lái)，再通過(guò)逆運(yùn)算將這些分頻率加權(quán)重構(gòu)，得到最終還原音色的結(jié)果。在離散小波變換（DWT）[7]中，音頻信息我們用空間VJ=VJ-1+WJ-1來(lái)表示，而兩個(gè)空間中的基函數(shù)可以表示出每一個(gè)在VJ上表示的音頻信號(hào)X（t）。

我們?cè)诔叨榷攘靠臻gJ 中分解系數(shù)A0（k）時(shí)，在尺度度量空間中可以得到兩個(gè)系數(shù)D1（k）和A1（k），并且我們還可以通過(guò)重構(gòu)兩個(gè)系數(shù)A1（k）和D1（k）來(lái)得到系數(shù)A0（k）。

具體的系數(shù)計(jì)算過(guò)程如下：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

制作好的激光豎琴樣機(jī)如圖5 所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。對(duì)硬件和軟件的調(diào)試實(shí)驗(yàn)在MATLAB 平臺(tái)上進(jìn)行。操作系統(tǒng)選用微軟公司的Windows 10 系統(tǒng)，系統(tǒng)環(huán)境的運(yùn)行內(nèi)存為8 GB。

圖5 激光豎琴成品圖

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果就是在該激光豎琴中實(shí)現(xiàn)的。

圖6 至圖8 是音頻重構(gòu)系統(tǒng)對(duì)豎琴不同頻段的信號(hào)的重構(gòu)結(jié)果[8]。

圖6 音頻重構(gòu)系統(tǒng)對(duì)豎琴信號(hào)（頻段95 Hz～4.3 kHz）重構(gòu)結(jié)果

圖7 音頻重構(gòu)系統(tǒng)對(duì)鋼琴信號(hào)（頻段120 Hz～8 kHz）重構(gòu)結(jié)果

圖8 音頻重構(gòu)系統(tǒng)對(duì)吉他信號(hào)（頻段65 Hz～ 1.7 kHz）重構(gòu)結(jié)果

試驗(yàn)分別對(duì)三種頻段的音色信息進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，隨著小波包迭代次數(shù)的改變，系統(tǒng)對(duì)三種音頻處理的誤差呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中，對(duì)于鋼琴音色處理誤差最低，最低可達(dá)約0.1%，而其他兩種音頻的誤差最低分別約為1.3%和1.8%，相比之下所提系統(tǒng)的處理誤差分別下降了約1.2%和1.7%。這是由于所提系統(tǒng)設(shè)計(jì)的芯片內(nèi)部電路有齊納調(diào)節(jié)的參考電壓，能夠確保輸出恒定為3.3 V 電壓，輸出精度誤差百分之一以內(nèi)，進(jìn)而提高了所提系統(tǒng)處理的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多維度小波變換對(duì)各種音色的低、中、高頻段具有很好的還原特性，誤差的均方值在0.97 以下，特別是在中、高頻段誤差的均方值可以達(dá)到0.99。

4 結(jié)論

本文中的激光豎采用stm32f407 處理器為核心，通過(guò)大功率激光頭、光敏電阻陣列、LM393 組成的信號(hào)處理模塊所組成的信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集。其中應(yīng)用了信號(hào)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸、SPI通信、音頻解碼和音頻輸出等多項(xiàng)技術(shù)。通過(guò)對(duì)信號(hào)端進(jìn)行巡檢，來(lái)實(shí)時(shí)的判斷信號(hào)端的狀態(tài)，當(dāng)有信號(hào)端被觸發(fā)時(shí)，處理器采用多維度小變換和音頻信號(hào)重構(gòu)的方法對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行解析，利用信號(hào)重構(gòu)技術(shù)還原真實(shí)音色。