【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)
begin
     if(rst)
	  begin
	  fres <= 16'd0;
	  end
else begin
		  case(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;
		  endcase
     end
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。

【音乐合成】基于FPGA的音乐合成系统verilog实现_第1张图片

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。

【音乐合成】基于FPGA的音乐合成系统verilog实现_第2张图片

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)
begin
     if(i_rst)
     begin
     Count <= 16'd0;
     Cnt   <= 4'd0;
     Reset <= 1'b0;
     Enable<= 1'b0;
     end
else begin
     //every pitch continue 1s
         if(Count == 8000)
         Count <= 1;
         else
         Count <= Count + 1;
         
         if(Count == 1)
         begin
         Reset <= 1'b1;
         Enable<= 1'b1;
            if(Cnt == 4'd6)
            Cnt <= 4'd0;
            else
            Cnt <= Cnt + 4'd1;
         end
         else
         begin
         Reset <= 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:

【音乐合成】基于FPGA的音乐合成系统verilog实现_第3张图片

   仿真效果如下所示:

【音乐合成】基于FPGA的音乐合成系统verilog实现_第4张图片

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:

【音乐合成】基于FPGA的音乐合成系统verilog实现_第5张图片

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:

 

【音乐合成】基于FPGA的音乐合成系统verilog实现_第6张图片

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:

【音乐合成】基于FPGA的音乐合成系统verilog实现_第7张图片

将时钟频率设置为原来的一半,得到如下的效果:

【音乐合成】基于FPGA的音乐合成系统verilog实现_第8张图片

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:

【音乐合成】基于FPGA的音乐合成系统verilog实现_第9张图片

然后可以听到合成的音乐,CDEFGAB~~~1,2,3,4,5,6,7

A03-13

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