【音乐合成】基于FPGA的音乐合成系统verilog实现

1.软件版本

matlab2013b，quartusii12.1

2.系统FPGA实现

2.1频率选择

音乐的合成主要有几种频率，这里设置如下几组频率，在实际情况下，可以进行扩充。

Fc = 261.63; %C

Fd = 293.66; %D

Fe = 329.63; %E

Ff = 349.23; %F

Fg = 392; %G

Fa = 440; %A

Fb = 493.88; %B

在FPGA中，取整数，进行四舍五入的选择。

module sin_tops(clk,rst,Fre,sine);input       clk;
input       rst;					
input[9:0]	Fre;
output[9:0]sine;reg[15:0]fres;			
always @(posedge clk or posedge rst)
beginif(rst)beginfres <= 16'd0;end
else begincase(Fre)10'd262 : fres <= 16'd1715;10'd294 : fres <= 16'd1925;10'd330 : fres <= 16'd2160;10'd349 : fres <= 16'd2289;10'd392 : fres <= 16'd2569;10'd440 : fres <= 16'd2884;10'd494 : fres <= 16'd3237;default:  fres <= 16'd1715;endcaseend
end		
//parameter Fc = 10'd262;//261.63;//0.1M,32'd11236923
//parameter Fd = 10'd294;//293.66;//0.1M,32'd12612601
//parameter Fe = 10'd330;//329.63;//0.1M,32'd14157501
//parameter Ff = 10'd349;//349.23;//0.1M,32'd14999314
//parameter Fg = 10'd392;//392;   //0.1M,32'd16836272
//parameter Fa = 10'd440;//440;   //0.1M,32'd18897856
//parameter Fb = 10'd494;//494;	//0.1M,32'212171384		nco_ips nco_ips_u(.phi_inc_i (fres),.clk       (clk),.reset_n   (~rst),.clken     (1'b1),.fsin_o    (sine),.fcos_o    (),.out_valid ());					//	input	[31:0]	phi_inc_i;
//	input		clk;
//	input		reset_n;
//	input		clken;
//	output	[15:0]	fsin_o;
//	output	[15:0]	fcos_o;
//	output		out_valid;
endmodule

这个模块的仿真效果如下所示：

2.2正弦信号的模块设计

第二，正弦信号的模块设计，这个是核心模块，产生不同频率的正弦模块。

这个模块的主要功能就是产生正弦信号波。

2.3衰减模块

第三，衰减模块，即对每个音符发生的时候出现衰减，相当于论文中的公式：

公式中的exp部分。

2.4音乐合成顶层模块

module tops(i_clock,i_rst,o_fre,o_sin,o_lapse,o_final);input       i_clock;
input       i_rst;
output[9:0] o_fre;
output[9:0] o_sin;
output[11:0]o_lapse;
output[21:0]o_final;//timing Controller
reg      Reset;
reg      Enable;
reg[15:0]Count;
reg[3:0] Cnt;always @(posedge i_clock or posedge i_rst)
beginif(i_rst)beginCount <= 16'd0;Cnt   <= 4'd0;Reset <= 1'b0;Enable<= 1'b0;end
else begin//every pitch continue 1sif(Count == 8000)Count <= 1;elseCount <= Count + 1;if(Count == 1)beginReset <= 1'b1;Enable<= 1'b1;if(Cnt == 4'd6)Cnt <= 4'd0;elseCnt <= Cnt + 4'd1;endelsebeginReset <= 1'b0;Enable<= 1'b0;end    end
end//C D E F G A B ~~~~~
sub_pitch sub_pitch_u(.i_clock  (i_clock),.i_reset  (Reset),.i_enable (Enable),.i_a      (4'd1),.i_sel    (Cnt),//C D E F G A B ~~~~~.o_fre    (o_fre),.o_sin    (o_sin),.o_lapse  (o_lapse),.o_final  (o_final));endmodule

进行音乐的合成：

仿真效果如下所示：

上述就是加入衰减效果的音符。

下面就通过连续的音符，产生一个音乐。

最后，根据合成的音符，组成连续的音乐。连续播放CDEFGAB。

3.通过matlab对FPGA实现结果进行验证

首先进行仿真，得到如下的仿真结果，即运行我们代码中的top.vwf文件，仿真运行，结果如下：

然后，我们将对应的数据o_final和i_clock复制到新的一个波形文件中，如下所示：

就是新建一个波形文件，然后将o_final和i_clock复制到里面，如下

然后做一个设置，选中i_clock，然后点击如下的按键：

将时钟频率设置为原来的一半，得到如下的效果：

然后进行保存，右击另存为tbl文件

得到一个tbl波形文件组。

然后，将tbl中的英文说明删除。变成单独的数据（前面几行英文和最后一行X）

然后运行我们提供的MATLAB数据获取代码

clc;
clear;
close all;%从tbl中数据进行提取
y     = tbls('DAT.tbl');
%将读取的十六进制数据转换为有符号十进制数据
y_dec = func_get_real_dat(y);
%将FPGA中的数据进行归一
y_dec = y_dec/max(y_dec);figure;
plot(y_dec);
sound(y_dec,8000);

运行后得到如下的效果：