摘 要

针对信号与系统课程实验缺乏理论联系实际的问题，设计开发了基于MATLAB 的音乐分析与合成实验。把信号与系统的概念及分析方法应用于生活实际，增进对傅里叶级数和傅里叶变换的理解，启发学习思路，激发学习热情，加深在工程领域的具体应用，提高分析问题和解决问题的能力。

语音信号处理是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新兴学科，是目前发展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术之一。通过语音传递信息是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息形式。 MATLAB语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件，它可以将声音文件变换为离散的数据文件，然后利用其强大的矩阵运算能力处理数据，如数字滤波、傅里叶变换、时域和频域分析、声音合成以及各种图形的呈现等，它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析提供了十分丰富的功能函数。利用这些功能函数可以快捷而又方便地完成语音信号的处理和分析以及信号的可视化，使人机交互更加便捷。语音信号合成是MATLAB重要应用的领域之一， 本设计针对现在大部分语音处理软件内容繁多、操作不便等问题，采用MATLAB7.0综合运用GUI界面设计、各种函数调用等来实现语音信号的合成、降噪、傅里叶变换及滤波，程序界面简练，操作简便，具有一定的实际应用意义。

关键词：音乐分析与合成；MATLAB；傅里叶分析；信号与系统

The synthesis and manufacture of MIDI music for Violin Music

ABSTRACT

To address the problem with experiments for the Signals and Systems course，that is there is a shortage of real- world applications of the theory，we designed and develop MATLAB-based music analysis and synthesis experiments，where the concepts and analysis methods about signals and systems are used in real- world applications. They help students increase their understanding of the Fourier Series and Fourier Transform，give them inspirations and add to their enthusiasm for studies. In addition，they help deepen their impression on signal analysis applications in engineering fields and improve their capabilities of analyzing and solving problems.

Speech signal processing is to study the use of digital signal processing technology and knowledge of the voice signal voice processing of the emerging discipline is the fastest growing areas of information science one of the core technology. Transmission of information through the voice of humanity's most important, most effective, most popular and most convenient form of exchange of information. MATLAB language is a data analysis and processing functions are very powerful computer application software, sound files which can be transformed into discrete data files, then use its powerful ability to process the data matrix operations, such as digital filtering, Fourier transform, use of these functions can be quick and convenient features complete voice signal processing and analysis and visualization of signals, makes computer interaction more convenient . MATLAB Signal Processing is one of the important areas of application. The design of voice-processing software for most of the content are numerous, easy to maneuver and so on, using MATLAB7.0 comprehensive use GUI interface design, various function calls to voice signals such as frequency, amplitude, Fourier transform and filtering, the program interface concise, simple, has some significance in practice.

Key words：music analysis and synthesis; MATLAB; Fourier analysis; signals and systems

目 录

绪 论 1

第1章 MATLAB概述 2

1.1 MATLAB的发展 2

1.2 MATLAB的主要功能 3

第2章 乐理知识简介 5

2.1 基波频率 5

2.2 谐波频谱 5

2.3 包络波形 5

第3章 基于MATLAB的音乐合成的基本原理 6

3.1 实验原理 6

3.2 音乐分析与合成的MATLAB实现 6

第4章 MATLAB合成音乐 10

4.1 合成小提琴音乐 10

4.2 用包络修正每个乐音，消除噪音 11

4.3 用最简单的方法将4.2中的音乐分别升高和降低 13

4.4 在4.2中加入适量谐波，重新生成音乐 13

第5章 测试原始声音和频谱分析 15

5.1 测试原始声音 15

5.2 对wave2prov进行傅立叶分析 17

5．3 对导入音乐的自动节拍分析和频率分析 19

第6章 重新合成小提琴音乐 24

6.1 用5.2分析出来的结果重新合成小提琴音乐 24

6.2 用5.3分析的结果重新合成小提琴音乐 24

第7章 总 结 27

第8章 致 谢 28

绪 论

自20世纪80年代以来，出现了很多种科学计算语言。因为它们具有功能强、简单易学等特点，使其在许多领域都得到广泛应用。MATLAB便是一种影响大、流行广的计算机科学语言。

MATLAB是英文MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写。自1984年由美国MathWorks公司推向市场以来，得到了广泛的应用和发展。在欧美各高等院校MATLAB已经成为线性代数、自动化控制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等诸多课程的基本教学工具，成为大学生、硕士生以及博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB已经被广泛的应用与研究和解决各种具体的工程问题。近年来，MATLAB在我国也开始流行，应用MATLAB的单位和个人极具增加。可以预见，MATLAB将在我国科学研究和工程应用中发挥越来越大的作用。

本论文根据信号与系统中MATLAB的仿真功能进行语音合成，以MATLAB的流行版本Matlab R_2018a版为基础进行信号分析和程序编译工作。

第1章 MATLAB概述

1.1 MATLAB的发展

MATLAB是英文MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写。1980年前后，时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve Moler教授在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用当时流行的线性代数软件包LINPACK和基于特征计算的软件包EISPACK，但发现许多高级语言调用LINPACK和EISPACK软件包极为不便，于是，Cleve Moler教授便着手写了接口程序并命名为MATLAB，这便是MATLAB的雏形。

早期的MATLAB是用FORTRAN语言编写的，尽管功能十分简单，但是由于是免费软件，还是吸引了大批使用者。经过几年的校际流传，在John Little、Cleve Mloer和Bangert合作下，于1984年成立了MathWorks公司，并正式推出MATLAB第一版（DOS版）。从这时起，MATLAB的核心采用了C语言编写，功能也越来越强。它不仅具有数值计算功能，而且还具有符号计算、图形处理等功能。

以后，MATLAB版本不断更新。MathWorks公司于1992年推出了了具有划时代意义的4.0版本，并与1993年推出了其微机版，该版本可以配合WINDOWS3.x一起使用，使其应用范围越来越广。1994年推出了的4.2版本扩充了4.0的功能，尤其在图形界面设计方面提高了新的方法。1997年推出了5.0版本提供了更多的数据结构，如结构数据、单元数据、多维矩阵、对象与类等，使编程更方便。1999年初推出了的5.3版本在很多方面又进行了进一步改进。2001年7月，MathWorks公司退了MATLAB最新版本6.1版，6.1版对计算机配置要求比较高。之后又推出了7.0、8.0、9.0、10.0版本。现在最新版本用的是2018a版本。