MSP53C39 FM语音合成算法

MSP53C39芯片是TI公司推出的掩膜型语音处理芯片，它除了具有语音播放的功能外，还可以播放专门的FM（Frequency Modulation）乐谱。FM乐谱是TI公司专有的语音合成算法（Synthesis），是用相对简单的格式来产生不同乐器音乐效果的技术。使用FM 乐谱，MSP53C39可以模拟产生各种乐器的声音，如钢琴、黑管、长笛、小号等等。 

1 FM的原理

    FM乐谱使用调制后的信号来模拟各种乐器的声音，改变信号的参数可模拟不同的乐器效果。FM的基本原理可用下式表达：

式中：V_1m、V_2m、ω₁、ω₂是载波的振幅和角频率；

    Ω₃、Ω₄是调制信号的角频率；
   m_f3、m_f4、是调频指数。

改变调制信号的振幅可以改变音质；改变载波信号的振幅可以改变音量。调制信号和载波信号的频率比会影响到声音的特性，当载波频率为调制频率的整数倍时，发出的声音就有音乐一样的悦耳动听旋律。MSP53C39内部的程序固化了67种乐器的参数（详见第三节）。     演奏每个音符的过程包括四个基本部分：上升、衰减、维持和恢复（见图1）。上升是一个音符的起始，衰减是对上升的撤消，维持是音符的持续，恢复是一个音符的结束。 2 TI公司FM乐谱文件数据格式

图1 演奏一个音符的过程

    在FM格式文件中，数据字节是倒的（低位LSB在前，高位MSB在后）。TI公司定义的FM乐谱数据格式编写的音符/歌曲是按下面的形式组织的。

    RBYTE  CHANNEL   NOTE  DURATION  LOAD_BOTH_CHINNEL

其中：

• RBYTE 保留字；
• CHINNAL 通道号，值是1或2分别对应通道1和2；
• NOTE 音符符号，即C、D、E、F、G、A、B七个音符，这里共定义了6个八度，见表1所示。

    任何音符的高半度与其相邻高音符的低半度是相同的，或者说任何音符的高半度与其相邻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，所以符号表中未列出低半度的音符，而是均以高半度来表示。由于E和F、B和高八度的C之间都是相差半度，所以E和B没有高半度表示，而其它任两个相邻的音符之间都是相差一度。

    此外，还包括一个休止符REST（#63H），用来禁止发声和两个通道和拍。

• DURATION 节拍，音符演奏的时间，如四分之一拍。分别用如下符号表示：

表1 音符表

    节拍还可以是以上各值的加法组合，但总和不能超过最大值#0FFH。如WHOLE+HALF+QTR（#80H+#40H+#20H=#0D0H）是有效的。

• LOAD_BOTH_CHINNELS 是否同时加载两个通道，为0时两个通道同时发这一个音符，为1时仅一个通道发声。

例如：RBYTE 1 A2 QTR 1

表示仅在通道1产生A2（正常的A音符，即#30H）四分之一个节拍。

2.2 四个特殊命令

    除了一般的音符数据外,还有4个特殊的命令。

    （1）结束命令

    RBYTE  #FF

    结束命令告知处理器这是一首歌曲的结束，语音处理器的模式寄存器PCM和ENA1被禁止，然后关闭。一旦处理器发现这个命令就会忽略其余后面的音符,所以为了避免在结束时产生尖叫,应在两个通道的最后一个音符后加休止符来适当的延迟。

    （2）改变乐器命令

    RBYTE  #F0   NEW_TIMBRE  CHINNEL

    NEW_TIMBRE乐器名称，TI的FM格式中支持67种乐器。包括：PICCOLO（短笛），FLUTE（长笛），CLARINET（黑管）等。
    CHINNEL 通道号，加载乐器于某一通道。

    （3）改变速度命令

    RBYTE  #EA   NEW_TEMPO

    NEW_TEMPO 设定新的速度，取值范围是0～127。

    （4）重复命令

    RBYTE #D0
    RDATA LABEL

    使用重复命令前应先定义一个标号（LABEL），重复命令的功能是将从标号到当前的数据重复演奏一次。

    MSP53C39内部集成了67种乐器的模式，每种乐器的定义通过13个参数来确定。包括：1个字节的频率比，6个字节的载波函数参数和6个字节的调制函数参数，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 ;长笛
    BYTE FR121,#00,#F8,#FE,#00,#F0,#F0,#28, #20,#08,#37,#27,#1C ;电子琴
    BYTE FR121,#00,#FE,#FE,#00,#00,#00,#30, #20,#1F,#05,#05,#05 ;风琴

    以上是4种乐器的模式定义数据，这些数据是MSP53C39内部固化好的，用户无需再定义。

    如果直接按TI公司要求的FM格式编写一首歌曲是十分困难的，作者必须具有相当的音乐专业知识，并且对命令表也要非常熟悉。为了简化编写的步骤，TI公司有一个基于DOS专用于转换的程序TI＿FM，可将用符号表编写的FM歌曲的文本文件（SOG文件）转换成汇编源文件（TFM文件），再通过 MSP50C3×汇编程序汇编成二进制数据文件。

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

5 使用体会     笔者曾使用MSP53C39对FM算法进行过评估，用PC机的并口给MSP53C39提供数据，这样在PC机上就能全部完成FM数据的生成和语音的评估，其连接示意图如图2所示。 首先在PC机上用编辑工具按FM文本格式要求编写一段乐谱文件（见附录1），使用TI_FM程序转换成TFM格式文件，再用汇编程序汇编成二进制数据文件。在PC机上编写一个小程序，通过并口向MSP53C39发送数据，就能够听到悦耳的音乐。编写乐谱文件通常可以根据歌曲简谱，如果有MIDI的多乐器乐谱，使两个通道分别播放主乐器和配乐器的话，效果就会更好。

图2 PC机与MSP53C39连接示意图

    在编写FM歌曲符号表文件格式时应注意以下几点：

    （1）TEMPO用于定义速度；
    （2）TIMBRE_CH1 和TIMBRE_CH2 用于定义通道1、通道2使用的乐器；
    （3）CHANNEL1和CHANNEL2后是通道1、2中的音符和节拍：第一行是音符，第二行是节拍，所有音符和节拍都以空格分开，并且音符和节拍必须一一对应；
    （4）‘*’和‘；’后是解释或说明信息，如词/曲作者和歌词等；
    （5）在歌曲最后要有一个REST休止符以保证歌曲的正确结束。

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

    另外PC机用于和MSP53C39的接口源程序C39_ SPK.ASM限于篇幅未能列出，如感兴趣者请与作者联系，E-mail:dvssy@p8s.com。

1 孙树印. 掩码型语音芯片MSP53C39原理及应用. 力源电子工程，1999（3）

2 方建淳编著. 语音合成技术与单片机综合系统. 北京：航空航天大学出版社