MSP53C39 FM語音合成演算法

MSP53C39晶元是TI公司推出的掩膜型語音處理晶元，它除了具有語音播放的功能外，還可以播放專門的FM（Frequency Modulation）樂譜。FM樂譜是TI公司專有的語音合成演算法（Synthesis），是用相對簡單的格式來產生不同樂器音樂效果的技術。使用FM 樂譜，MSP53C39可以模擬產生各種樂器的聲音，如鋼琴、黑管、長笛、小號等等。 

1 FM的原理

    FM樂譜使用調製后的信號來模擬各種樂器的聲音，改變信號的參數可模擬不同的樂器效果。FM的基本原理可用下式表達：

　

式中：V_1m、V_2m、ω₁、ω₂是載波的振幅和角頻率；

    Ω₃、Ω₄是調製信號的角頻率；
   m_f3、m_f4、是調頻指數。

2.1 樂譜文件音符數據格式

    在FM格式文件中，數據位元組是倒的（低位LSB在前，高位MSB在後）。TI公司定義的FM樂譜數據格式編寫的音符/歌曲是按下面的形式組織的。

    RBYTE  CHANNEL   NOTE  DURATION  LOAD_BOTH_CHINNEL

其中：

• RBYTE 保留字；
• CHINNAL 通道號，值是1或2分別對應通道1和2；
• NOTE 音符符號，即C、D、E、F、G、A、B七個音符，這裡共定義了6個八度，見表1所示。

    任何音符的高半度與其相鄰高音符的低半度是相同的，或者說任何音符的高半度與其相鄰低音符的高半度也是相同的。比如DS和E的低半度相同，B的低半度和 AS相同，所以符號表中未列出低半度的音符，而是均以高半度來表示。由於E和F、B和高八度的C之間都是相差半度，所以E和B沒有高半度表示，而其它任兩個相鄰的音符之間都是相差一度。

    此外，還包括一個休止符REST（#63H），用來禁止發聲和兩個通道和拍。

• DURATION 節拍，音符演奏的時間，如四分之一拍。分別用如下符號表示：

表1 音符表

    節拍還可以是以上各值的加法組合，但總和不能超過最大值#0FFH。如WHOLE+HALF+QTR（#80H+#40H+#20H=#0D0H）是有效的。

• LOAD_BOTH_CHINNELS 是否同時載入兩個通道，為0時兩個通道同時發這一個音符，為1時僅一個通道發聲。

例如：RBYTE 1 A2 QTR 1

表示僅在通道1產生A2（正常的A音符，即#30H）四分之一個節拍。

2.2 四個特殊命令

    除了一般的音符數據外,還有4個特殊的命令。

    （1）結束命令

    RBYTE  #FF

    結束命令告知處理器這是一首歌曲的結束，語音處理器的模式寄存器PCM和ENA1被禁止，然後關閉。一旦處理器發現這個命令就會忽略其餘後面的音符,所以為了避免在結束時產生尖叫,應在兩個通道的最後一個音符后加休止符來適當的延遲。

    （2）改變樂器命令

    RBYTE  #F0   NEW_TIMBRE  CHINNEL

    NEW_TIMBRE樂器名稱，TI的FM格式中支持67種樂器。包括：PICCOLO（短笛），FLUTE（長笛），CLARINET（黑管）等。
    CHINNEL 通道號，載入樂器於某一通道。

    （3）改變速度命令

    RBYTE  #EA   NEW_TEMPO

    NEW_TEMPO 設定新的速度，取值範圍是0～127。

    （4）重複命令

    RBYTE #D0
    RDATA LABEL

    使用重複命令前應先定義一個標號（LABEL），重複命令的功能是將從標號到當前的數據重複演奏一次。

3 MSP53C39支持的樂器

    MSP53C39內部集成了67種樂器的模式，每種樂器的定義通過13個參數來確定。包括：1個位元組的頻率比，6個位元組的載波函數參數和6個位元組的調製函數參數，例如：

    BYTE FR121,#38,#E0,#F8,#20,#FC,#00,#1F, #1C, #18, #23,#20,#20 ;喇叭
    BYTE FR421,#08,#18,#FC,#00,#D0,#F8,#05, #1F, #1D,#50,#16,#04 ;長笛
    BYTE FR121,#00,#F8,#FE,#00,#F0,#F0,#28, #20,#08,#37,#27,#1C ;電子琴
    BYTE FR121,#00,#FE,#FE,#00,#00,#00,#30, #20,#1F,#05,#05,#05 ;風琴

    以上是4種樂器的模式定義數據，這些數據是MSP53C39內部固化好的，用戶無需再定義。

4 TI＿FM使用說明

    如果直接按TI公司要求的FM格式編寫一首歌曲是十分困難的，作者必須具有相當的音樂專業知識，並且對命令表也要非常熟悉。為了簡化編寫的步驟，TI公司有一個基於DOS專用於轉換的程序TI＿FM，可將用符號表編寫的FM歌曲的文本文件（SOG文件）轉換成彙編源文件（TFM文件），再通過 MSP50C3×彙編程序彙編成二進位數據文件。

    TI＿FM的使用方法是：
    TI＿FM SONG.SOG
    輸入文件：SONG.SOG
    輸出文件：SONG.TFM

    在編寫FM歌曲符號表文件格式時應注意以下幾點：

    （1）TEMPO用於定義速度；
    （2）TIMBRE_CH1 和TIMBRE_CH2 用於定義通道1、通道2使用的樂器；
    （3）CHANNEL1和CHANNEL2后是通道1、2中的音符和節拍：第一行是音符，第二行是節拍，所有音符和節拍都以空格分開，並且音符和節拍必須一一對應；
    （4）‘*’和‘；’后是解釋或說明信息，如詞/曲作者和歌詞等；
    （5）在歌曲最後要有一個REST休止符以保證歌曲的正確結束。

附錄1 FM格式源文件（S1.SOG）
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* 歌名 : Miss You Indeed
* 作詞 : Xianyue Yang
* 作曲 : Hanying Li
* 速度 : D4/4

    另外PC機用於和MSP53C39的介面源程序C39_ SPK.ASM限於篇幅未能列出，如感興趣者請與作者聯繫，E-mail:dvssy@p8s.com。

參 考 文 獻

1 孫樹印. 掩碼型語音晶元MSP53C39原理及應用. 力源電子工程，1999（3）

2 方建淳編著. 語音合成技術與單片機綜合系統. 北京：航空航天大學出版社