刘 斌，刘 佳

（1.河南林业职业学院，河南 洛阳 471000；2.河南省果园管理特种机器人工程技术研究中心，河南 洛阳 471000）

传统的竖琴是一种具有丰富的内涵和美丽音质的拨弦乐器，而激光竖琴是采用激光模拟琴弦[1]，通过对采集到的信号进行处理，从而发出相应的声音，而且可以根据音乐选择不同的音色进行演奏。而激光竖琴中最主要的就是对信号的采集、处理，及音色的还原[2]。本文设计了激光琴弦信号的采集、处理电路，以及对相应的音频信号采用多维度小波变换[3-4]及重构的方式进行解码及音色还原。

1 硬件电路

激光竖琴采用stm32f407 作为处理器。通过信号调理板把光敏电阻阻值调理为处理器可识别的高低电平，再利用处理器通过对信号调理板来进行实时巡检，判断是哪个光敏电阻变化，然后通过处理器给语音芯片发送控制命令。CPU 核心板接收到信号后，对琴弦信号进行解析，并根据解析后的数字信号通过工业总线向音频处理系统发送控制命令。音频处理系统接到控制命令后，利用由多维度小波包、深度学习等算法组成的音频信号重构技术模拟各种弦乐的音频信号，从而达到用激光作为虚拟琴弦来模仿乐器进行乐曲演奏的目的。

硬件电路主要包括由光敏电阻阵列构成的传感器，由LM393 比较器、电位器等构成的信号采集调理电路，由处理器和语音芯片构成的信号处理、控制电路。本设计硬件总体框图如图1 所示。

图1 硬件总体框图

1.1 琴弦信号采集及调理电路

信号采集电路以4 个比较器、光敏电阻传感器阵列及外围电路组成，如图2 所示。其中，比较器采用的是德州仪器生产的LM393 比较器，LM393 内部有两个比较器，消耗电流小，输出为TTL 电平信号，是一款双电压比较器。

图2 信号采集调理电路

LM393 的同相输入端接上光敏电阻，当阻断激光头与光敏电阻之间的光线时，会减小光敏电阻的阻值。同相输入端电压与参考电压通过LM393 进行比较，将比较结果以输出不同的电平信号的方式传输给stm32f407 的I/O 口。激光是否可以直接照射到光敏电阻，决定了比较器的输出口输出的电平状态。8 路光敏电阻对应的8 个输出口接在了处理器上的PA 口，通过读取PA 口的状态值来确定弹奏的是哪根激光琴弦，从而发出相应的声音。

1.2 音频重构电路

1.2.1 音频模块电路设计本模块主要由音频处理芯片WT588D-U 与外挂SPI Flash 两路电路构成，WT588D-U 需要外挂SPI总线的Flash 模块来存储音色样本库。为了使激光竖琴能够弹奏出多种乐器的音色，可事先建立不同的音色库，这样激光竖琴就可以通过按键来控制发出多种乐器的音色，比如钢琴，小提琴、竖琴等，从而使功能更丰富。

音频模块电路图如图3 所示。图中U6 为32M 的外挂SPI Flash GD25Q32SIP，用于深度学习算法样本库的建立，U7 为音频芯片WT588D，用于各种乐器音频信号的重构[5]。

图3 音频模块电路

2 软件设计

2.1 主程序设计

主程序流程图如图4 所示。

图4 主程序流程图

2.2 多维度小波解析变换

将一个多频率组成的波通过多维度小波分解[6]，将所有频率分解出来，再通过逆运算将这些分频率加权重构，得到最终还原音色的结果。在离散小波变换（DWT）[7]中，音频信息我们用空间VJ=VJ-1+WJ-1来表示，而两个空间中的基函数可以表示出每一个在VJ上表示的音频信号X（t）。

我们在尺度度量空间J 中分解系数A0（k）时，在尺度度量空间中可以得到两个系数D1（k）和A1（k），并且我们还可以通过重构两个系数A1（k）和D1（k）来得到系数A0（k）。

具体的系数计算过程如下：

3 实验结果

制作好的激光竖琴样机如图5 所示，通过实验分析，验证系统的有效性。对硬件和软件的调试实验在MATLAB 平台上进行。操作系统选用微软公司的Windows 10 系统，系统环境的运行内存为8 GB。

图5 激光竖琴成品图

本实验结果就是在该激光竖琴中实现的。

图6 至图8 是音频重构系统对竖琴不同频段的信号的重构结果[8]。

图6 音频重构系统对竖琴信号（频段95 Hz～4.3 kHz）重构结果

图7 音频重构系统对钢琴信号（频段120 Hz～8 kHz）重构结果

图8 音频重构系统对吉他信号（频段65 Hz～ 1.7 kHz）重构结果

试验分别对三种频段的音色信息进行信号重构，随着小波包迭代次数的改变，系统对三种音频处理的误差呈现下降趋势。其中，对于钢琴音色处理误差最低，最低可达约0.1%，而其他两种音频的误差最低分别约为1.3%和1.8%，相比之下所提系统的处理误差分别下降了约1.2%和1.7%。这是由于所提系统设计的芯片内部电路有齐纳调节的参考电压，能够确保输出恒定为3.3 V 电压，输出精度误差百分之一以内，进而提高了所提系统处理的精度。实验结果表明，多维度小波变换对各种音色的低、中、高频段具有很好的还原特性，误差的均方值在0.97 以下，特别是在中、高频段误差的均方值可以达到0.99。

4 结论

本文中的激光竖采用stm32f407 处理器为核心，通过大功率激光头、光敏电阻阵列、LM393 组成的信号处理模块所组成的信号采集系统进行信号采集。其中应用了信号采集、信号处理、数据存储及传输、SPI通信、音频解码和音频输出等多项技术。通过对信号端进行巡检，来实时的判断信号端的状态，当有信号端被触发时，处理器采用多维度小变换和音频信号重构的方法对音频信号进行解析，利用信号重构技术还原真实音色。