CN1025521C - 音频校正方法和音频校正器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子乐器技术领域，是一种用于声控自动伴奏机的声控频率校正。它是对歌声的频率采用CPU技术对其作自动校正，选择标准的音阶，以消除串音现象，校正后的音阶频率数据输入至音源电路而产生乐音，从而对歌唱进行自动伴奏。由于本发明采用CPU技术解决了以往声控自动伴奏机所未能解决的串音以及发音不准的现象，使其性能指标标得到了大幅度提高。本发明适用于声控伴奏机。

Description

本发明属于电子乐器技术领域，特别是用于声控伴奏机的歌声频率作控制信号的音频校正方法和音频校正器。

声控自动伴奏机是一种根据人的歌声，不需乐器师演奏而自动伴奏的电子乐器，它的出现给人们的文娱生活带来很多方便，但是，目前已研究出的声控自动伴奏机其音阶识别分辨率低、音阶少、音域范围窄、电路复杂、对元器件要求精度高，调试难度大，不利于大批量生产。最关键的是现有设计方案无法解决串音现象，而串音现象是伴奏乐器中不允许出现的，因为它的出现不但不能使人们享受到歌唱带来的美的感受，反而使人们产生不愉快。

串音现象：由于歌唱者发音的不准确性以及不稳定性（包括电路的不稳定性），导致音频之基频频率F0为非音阶频率或在某一范围内抖动，由于非音阶频率和频率的抖动现象，使得以往的声控自动伴奏机无法正确跟踪，而出现串音现象，即来回发出某相邻两个或多个音阶频率，扬声器接受这样的音阶频率发出的就是串音。

例如：123HZ发B音，131HZ发C音，139HZ发^＃C音（这三个频率为音阶频率），这三个音是相邻的，F0为基频频率（采样音频信号得到的），如果F0落在123H2与131H2的中间（即分界线上）或者F0在F0±△F范围内抖动，因以往声控自动伴奏机采用一对一的跟踪办法，将来回往复出现B音和C音或者B、C、^＃C音，另外因采样 频率较高（这是快速跟踪需要的），这种快速的来回往复出现某两个或多个音就形成串音，人们听起来相当不舒服。

应该说明：这种串音现象在琴键式电子乐器中是不存在。

本发明的目的在于提供一种声控伴奏机中控制音源电路的歌声频率信号出现不标准音频信号现象时的音频校正方法和音频校正器。

本发明是用如下方式完成的：音频校正方法是采用下列步骤：

把十二平均律的标准音阶频率数据以及将包括各个标准音阶频率数据的频率区段数据存入存贮器中，各相邻的频率区段数据之间部分重迭;

中央处理器CPU控制定时器，用定时器定时控制计数器对输入的音频脉冲信号进行第一次采样计数;

当第一次采样完后，CPU从计数器读取采样频率数据与从上述存贮器中按顺序读取的频率区段数据进行比较，确定采样频率数据对应的频率区段，并将该频率区段数据寄存在CPU内，同时将该频率区段数据中的标准音阶频率数据读出送输出口;然后中央微处理器CPU控制定时器，用定时器定时控制计数器对输入的音频脉冲信号进行第二次采样计数;

第二次采样完后，CPU读取计数器的第二次采样频率数据与寄存在CPU内的上次频率区段数据进行比较，若该采样频率数据属于寄存于CPU中的频率区段，则CPU把该频率区段数据内的标准音阶频率数据送输出口，再进行第三次采样比较，否则CPU就按顺序读取上述存贮器中的频率区段数据与第二次采样频率数据进行比较，确定第二次采样频率数据对应的频率区段，并将该频率区段数据寄存在CPU内，作第三次采样频率数据的比较值，同时将该频率区段中的标准音阶频率数据读出送输出口，然后中央微处理器CPU控制定时器，用定时器定时控制计数器对输入的音频脉冲信号进行第三次采样计数;

第三次、第四次一直下去都重复第二次采样、比较、寄存、输出的过程，将采样到的音阶频率数据进行音频校正，输出标准音阶频率数据。

CPU读取存贮器中的频率区段数据顺序是按频率分布由小到大或由大到小或取中间某一区段数据比较后，再分别往大的方向读取或往小的方向读取。

存放在存贮器中的每个频率区段数据是由一个下限频率数据和一个上限频率数据以及一个标准音阶频率数据组成。

音频校正器是由中央微处理器CPU经地址总线连接存贮器I1和译码器I2，译码器I2分别连接定时器CTC、计数器I3以及输出接口电路I4，中央微处理器CPU经数据总线分别连接存贮器I1、定时器CTC、计数器I3以及输出接口电路I4，CPU的写入端控制定时器CTC，用定时器CTC定时控制接于计数器I3的三态与门I5的通、断，让计数器I3对输入的音频脉冲信号进行采样计数，CPU的读出端接存贮器I1和计数器I3读取存贮器内的频率数据和计数器I3的采样数据进行比较，确定存贮器I1内的标准音阶频率数据输出至接口电路I4，CPU的中断信号端由定时器CTC输出经非门I6接供。

本发明的特点就是对声控伴奏机的歌声频率信号控制音源电路，当歌唱者发音不准而可能导致音源电路发音出现串音现象时的音频校正，克服了目前声控伴奏机有串音的现象，提高声控伴奏机有伴奏效果，此外本发明采用定时器控制计数器对音频脉冲信号进行采样，其采样时间精确无误，稳定性高，且不需调试，本发明采用大规模集成电路，减少了分立元件，能提高生产效率，便于大批量生产，本发明采用CPU后，其音域范围可达20HZ-20KHZ，从理论上来说这个范围还可以进一步扩大。

图1是本发明电路原理图

图2是本发明CPU的程序框图

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：图1是本发明音频校正器的电路原理图，音频校正器是由中微处理器CPU、存贮器I1、译码器I2、定时器CTC、计数器I3、输出接口电路I4、三态与门I5、非门I6构成。声控伴奏机对歌唱者的歌声信号经过采样、分选后得到音频脉冲信号F0，该信号输入至三态与门I5，中央处理器CPU在复位或开机后将时间常数送往定时器CTC，同时对计数器I3进行清零，然后启动定时器CTC开始定时，定时器CTC输出低电平使三态与门I5导通，此时音频脉冲信号F0输入至计数器I3进 行计数，定时器CTC设定时间到，则它输出高电平使三态与门I5关断，停止计数器I3对音频脉冲信号F0的计数，同时定时器CTC经非门I6向CPU发出（中断信号）时间到信号，CPU响应此信号后，从计数器I3读出计数值，至此在CPU的控制下完成一次采样，存贮器I1采用只读存贮器EPROM，当然也可用其它形式的存贮器，在存贮器中存放有按I2平均率的标准音阶频率数据，以及将包括各个标准音阶频率数据的频率区段数据也存放在存贮器I1中，且各相邻的频率区段数据之间部分重迭，CPU经译码器I2读出计数器I3中的采样计数值和存贮器I1（EPROM）数据区中的标准音阶频率数据和频率区段数据按顺序进行比较，确定采样计数值落在某个频率区段数据区中，并将该频率区段数据寄存在CPU内寄存器中，同时将该区段中的标准音阶频率数据送输出口电路I4（高四位送口1、低四位送口2），同时CPU启动定时器CTC开始下一次采样，输出标准音阶频率数据经接口电路I4向音源电路输入，此音源电路发出对应的乐音信号，此乐音信号推动扬声器发出音乐。完成上述采样比较读出标准音阶频率后，CPU对第二次采样的数据是先将读出的第二次采样数据与上次（第一次）所选定的保存在CPU内寄存器中的频率区段数据进行比较，确定若第二次采样数据超出上次寄存的频率区段数据，则按顺序读出存贮器I1中的其它频率数据进行比较，以确定第二次采样数据对应的频率区段数据中，并将该频率区段数据寄存在寄存器中读出该区段内的标准音阶频率送输出口输出;若第二次采样频率数据仍落在第一次寄存的频率区段数据中，则仍将第一次标准音阶频率送输出口输出，第三次采样比较仍重复第二次的过程，这样一直下去，就完成了频率校正，只发出标准音阶频率信号。

本发明音频校正器是用地址总线和数据总线连接CPU和存贮器I1、译码器I2、定时器CTC、计数器I3、输出接口电路I4，定时器CTC输出端接非门I6控制CPU的INT端（中断请求），定时器CTC控制接于计数器I3输入端的三态与门I5，如图1所示。

本发明的音频校正方法是：首先在存贮器EPROM中存入根据十二平均律表所确定的标准音阶频率数据，以及把每个标准音阶频率包音的频率数据是119HZ-129HZ，标准音阶频率为123HZ，在这三个频率数据构成一个上限129HZ、下限119HZ，其中123HZ是处于上下限之中，同样，发C音的频率区段是下限125HZ、上限137HZ，上下限之中的标准音阶频率是131HZ，发^＃C音的下限133HZ、上限145HZ，上下限之中的标准音阶频率是139HZ等等，把十二平均律标准音阶频率数据划在若干上述频率区段数据之中，一般来说存放在存贮器中的每个频率区段数据只有三个即可，这样可减小存贮器容重，每个频率区段的上下限频率数据是人为设定的，但有一个原则是每两个相邻频率区段数据有部分重迭，加上述发C音的上限137HZ大于发^＃C音的下限133HZ，而发C音的下限125HZ小于发B音的上限129HZ等等，这样就在存贮器中存放有按频率大小顺序频率区段数据交错重迭的数据以及标准音阶频率数据。

启动中央处理器CPU，用CPU控制定时器CTC进行定时采样，用CPU进行读出采样数据和上述存贮器中的数据进行比较，第一次采样、比较、寄存、输出、第二次采样、比较、寄存、输出，等等，这种方法如上所述。以下频率数举例说明，如第一次采样的歌声频率是128HZ，这是一个不标准音，CPU读出后，CPU按顺序从存贮器I1中搜索频率区段数据逐个与128HZ进行比较，找出125HZ和137HZ的频率区段数据，调出该区段中的标准音阶频率131HZ（C音）输出至音源电路，同时将125HZ和137HZ寄存在CPU内寄存器中，若第二次采样频率数据是137HZ（因歌唱者发音不准确或者不稳定或者是电路产生的不稳定性，使频率发生抖动、偏移），这时CPU读出计数器中的137HZ与CPU内寄存的125HZ和137HZ比较，比较结果137HZ仍属于该区段，CPU仍调出131HZ（发C音）送输出口，这样就消除了歌唱者发音不准确或者不稳定或者由电路产生的不稳定性而造成的频率抖动、偏移现象，只有当采样频率数据大于137HZ或者小于125HZ时，CPU才按顺序读出存贮器中的数据与第二次采样频率数据比较，若第二次采样频率数据小于125HZ则往小的方向搜索，若大于137HZ则往大的方向搜索，找到第二次采样频率数据属于的那个区段频率数据，则将该区段上下限频率数据寄存在CPU内以备下 次比较之用，并调出相应的标准音阶频率数据输出，CPU的程序框图如图2所示，CPU对第二次以后采样的数据处理方法和率二次采样数据处理方法相同，上述CPU读出存贮器中的频率区段数据的顺序可以是按频率分布由小到大或由大到小或按照先读出某设定的一个频率区段数据进行比较，若不属于该区段就按大于上限往上搜索，小于下限则往上搜索，从上述可知对于每个标准音阶频率本发明都允许歌唱者的发音有一定范围的误差并自动将误差校正输出标准音阶频率，如歌唱者发C音时是131HZ（标准音阶）允许的频率误差范围是125-137HZ，也就是说允许发C音时的不准确程度为137-125＝12HZ，要说明的一点是：允许的不准确程度在不同音阶时有不同的值，音阶频率越高该值就越大，音阶频率越低该值就越小。频率重迭部分的大小与音阶频率有关，该值越大消除串音的能力越强，重迭部分值越小消除串音能力越弱。

应该指出：采样频率原则上为32HZ，是这样使用的，在一个周期内前半周期进行采样，后半周期进行数据处理，由于CPU的处理速度快使得采样频率为非标准32HZ，前半周期（采样周期）为标准32HZ半周期，后半周期时间长短取决于CPU的速度，因此音频信号需经64倍频后才能进行采样，否则得不到正确的频率数值，采样频率太高采样的误差越大，太低则跟不上速度的要求，所以本发明选择了32HZ为采样频率是根据误差和速度两项指标来选定的。

Claims (4)

1、一种用于声控伴奏机的音频校正方法，其特征是采用下列步骤：

把十二平均律的标准音阶频率数据以及将包括各个标准音阶频率数据的频率区段数据存入存贮器中，各相邻的频率区段数据之间部分重迭；

中央处理器CPU控制定时器，用定时器定时控制计数器对输入的音频脉冲信号进行第一次采样计数；

当第一次采样完后，CPU从计数器读取采样频率数据与从上述存贮器中按顺序读取的频率区段数据进行比较，确定采样频率数据对应的频率区段，并将该频率区段数据寄存在CPU内，同时将该频率区段数据中的标准音阶频率数据读出送输出口；然后中央微处理器CPU控制定时器，用定时器定时控制计数器对输入的音频脉冲信号进行第二次采样计数；

第二次采样完后，CPU读取计数器的第二次采样频率数据与寄存在CPU内的上次频率区段数据进行比较，若该采样频率数据属于寄存于CPU中的频率区段，则CPU把该频率区段数据内的标准音阶频率数据送输出口，再进行第三次采样比较，否则CPU就按顺序读取上述存贮器中的频率区段数据与第二次采样频率数据进行比较，确定第二次采样频率数据对应的频率区段，并将该频率区段数据寄存在CPU内，作第三次采样频率数据的比较值，同时将该频率区段中的标准音阶频率数据读出送输出口，然后中央微处理器CPU控制定时器，用定时器定时控制计数器对输入的音频脉冲信号进行第三次采样计数；

第三次、第四次一直下去都重复第二次采样、比较、寄存、输出的过程，将再采样到的音阶频率数据进行音频校正，输出标准音阶频率数据。

2、根据权利要求1所述校正方法，其特征在于CPU读取存贮器中的频率区段数据顺序是按频率分布由小到大或由大到小或取中间某一区段数据比较后，再分别往大的方向读取或往小的方向读取。

3、根据权利要求1所述校正方法，其特征在于存放在存贮器中的每个频率区段数据是由一个下限频率数据和一个上限频率数据以及一个标准音阶频率数据组成。

4、一种用于声控伴奏机的音频校正器，其特征是它由中央微处理器CPU经地址总线连接存贮器I1和译码器I2，译码器I2分别连接定时器CTC、计数器I3以及输出接口电路I4，中央微处理器CPU经数据总线分别连接存贮器I1、定时器CTC、计数器I3以及输出接口电路I4，CPU的写入端控制定时器CTC，用定时器CTC定时控制接于计数器I3的三态与门I5的通、断，让计数器I3对输入的音频脉冲信号进行采样计数，CPU的读出端接存贮器I1和计数器I3读取存贮器内的频率数据和计数器I3的采样数据进行比较，确定存贮器I1内的标准音阶频率数据输出至接口电路I4，CPU的中断信号端由定时器CTC输出经非门I6接供。