一种音乐智能拾音方法及装置与流程

1.本发明涉及在线教育技术领域，尤其涉及一种音乐智能拾音方法及装置。

背景技术：

2.教育，狭义上指专门组织的学校教育；广义上指影响人的身心发展的社会实践活动。教育者按照法律法规和行业规范，根据学校条件和职称，有目的有计划有组织地对受教育者的心智发展进行教化培育，以现有的经验、学识推敲于人，为其解释各种现象、问题或行为，以提高实践能力，如此，人的思维才不至于过于偏差，并因思维的丰富而逐渐成熟、理性，并由此，走向最理性的自我和拥有最正确的思维认知，这就是教育的根本所在，随着科技的发展，教育行业已经不仅仅局限于线下对学员进行知识补充，而是通过在线教育的方式完成教学内容。
3.在线教育顾名思义，是以网络为介质的教学方式，通过网络，学员与教师即使相隔万里也可以开展教学活动；此外，借助网络课件，学员还可以随时随地进行学习，真正打破了时间和空间的限制，对于工作繁忙，学习时间不固定的职场人而言网络远程教育是最方便不过的学习方式。
4.在线教育是一种新生事物，产生与发展的时间不长，人们对在线教育的认识也在不断深化和完善。当前对在线教育的认识有多种观点，目前我们认为在线教育既是一种教育理念，也是一种教育手段，又是一种教学组织形式，同时还是一种学习方式。它是以计算机通信技术和网络技术为依托，结合了现代信息技术，采用远程实时多点、双向交互式的多媒体现代化教学手段，可以实时传送文本、声音、图像、图形、电子课件和教师板书的实现跨越时空的教育传递过程，为人们提供丰富的学习资源创造具有良好的交互性、智能化乃至仿真的学习环境―虚拟学校、虚拟课堂、虚拟图书馆等，是人们获得“自我教育”和“终身教育”的最佳方式。
5.在线教育的出现，对传统的教育思想、教育理念、教育内容、教育形式、教育结构、教育监控、教育保障和教育评价等形成了极大的冲击。它使人们根据工作、生活需要，随时随地地进行自主性学习，扩充知识、提高能力；学习者成为教学活动的主体，学习方式灵活多样。
6.从整个世界来看，国家之间、地区之间的教育资源分布是不均匀的，而借助于互联网在线学习这种方式，可以最大限度地实现信息与资源的共享，便于全球性的信息交流，更加方便了教育资源相对贫乏地区的学生获取知识，解决了教育需求与供给在地域上的不对称状况。
7.互联网在线学习以internet为桥梁跨越教师和学生在时间和空间上的距离，突破了传统教育面对面课堂教学方式的限制，将授课课堂由教室和实验室延伸到因特网所能覆盖的任何场所，极大地拓展了教育时空，向人们提供了一个广阔的学习空间，一个人只要拥有一台计算机和接入网络的设备，就可以获得学习的权利和机会。完善的互联网在线学习一方面没有时间限制，任何人无论地域、种族、年龄、知识程度都可以按照自己的意愿随时
上网学习，也可以从网上下载课件和辅导材料，见缝插针地学习，以获取丰富的知识和信息；另一方面没有互联网在线学习地域限制，学习者可以学习本地的网络课程，也可以学习到异地的课程，随时随地完成交互式教学活动，教师的教和学生的学可以在不同地点同时进行，师生可以通过这种方式有效地进行交流和沟通。可见，无时空限制是互联网在线学习方式与传统教育方式的最大区别之一。
8.而对于音乐课程在网络上进行教学的时，无法像其他课程一样能够实现与线下教育无差别的情况，由于音乐本身会受到多种因素的影响，例如环境音干扰，回音干扰等因素的影响，当教育者通过网络为学员进行音乐授课时，这些因素往往会导致学员无法接收到正确的音乐，为音乐课程的在线教育增加了难度。

技术实现要素：

9.为了现有技术存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种音乐智能拾音方法及装置，可以有效解决背景技术中的问题。
10.为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案具体如下：
11.本发明实施例公开了一种音乐智能拾音方法，方法包括以下步骤：
12.通过模拟信号采集器实时采集模拟信号，并将采集的模拟信号进行滤波；
13.将滤波后的模拟信号进行模拟数字转换；
14.将转换后的数字信号进行滤波并提取。
15.在上述任一方案中优选的是，模拟信号采集器中包括信号放大电路，信号放大电路用于在模拟信号采集时，将采集的模拟信号先进行信号放大，调整信号的带宽范围，以供滤波以及a/d转换。
16.在上述任一方案中优选的是，信号放大电路包括opa1632放大器、电阻r45、电阻r46、电阻r47、电阻r48、电阻r49、电阻r50、电容c50、电容c52和电容c53；
17.电阻r45连接opa1632放大器正极性输入端，电阻r46连接opa1632负极性输入端，opa1632放大器公共输出端通过电容c50接地，电阻r49一端连接opa1632放大器的负极性输出端，电阻r49另一端连接电阻r47的一端，电阻r47另一端连接opa1632放大器的正极性输入端，opa1632放大器负极性输出端通过电阻r49串联的电阻r47与电阻r49和电阻r47并联的电容c52支路与opa1632放大器的正极性输入端连接，电阻r50一端连接opa1632放大器的正极性输出端，电阻r50另一端连接电阻r48一端，电阻p48另一端连接opa1632放大器的负极性输入端，opa1632放大器正极性输出端通过电阻r50串联的电阻r48与电阻r50和电阻r48并联的电容c53支路与opa1632放大器的负极性输入端连接，运放opa1632放大器将输入的电压信号跟随、分压。
18.在上述任一方案中优选的是，信号放大电路中，opa1632放大器和rc构成的低通滤波器对输入信号进行调理，差分运放电源可采用10uf和0.1uf的旁路电容，差分运算放大器采用
±
15v双电源供电，差分运算放大器设有vocm输入引脚，模拟信号滤波器采用butterworth带通滤波器或低通滤波器。
19.在上述任一方案中优选的是，通过a/d转换器将采集到的模拟量转换为相应的数字量后，a/d转换器将采集到的数据传输至中央控制单元，中央控制单元发出控制指令，进行声音拾取。
20.在上述任一方案中优选的是，中央处理单元内部嵌有fpga。
21.在上述任一方案中优选的是，还包括自适应滤波器，自适应滤波器对数字信号进行滤波及提取，自适应滤波器包括输入信号i(t)、环境噪声信号n(t)、回音信号f(t)、综合信号s(t)、加权信号q(t)、输出信号v(t)；输入信号i(t)为通过a/d转换后得到的数字声音信号；环境噪声信号n(t)为数字化后的环境噪声信号；回音信号f(t)为时刻t由于乐器本身发生的余音所产生的信号；加权信号q(t)为滤波后的加权信号；输入信号i(t)和环境噪声信号n(t)经过加法器合成后得到综合信号s(t)；综合信号s(t)中不包含回音信号f(t)。
22.在上述任一方案中优选的是，n(t)为一个定值，f(t)为i(t-1)，输出信号v(t)＝s(t)-q(t)-f(t)；v(t)的均方差为：e[v2(t)]＝e[s2(t)]+e[f(t)-q(t)]
2-2e[s(t)f(t)-s(t)q(t)]，s(t)＝i(t)+n(t)，因此，e[s2(t)]＝e[i2(t)]+e[n(t)]2+2e[i(t)n(t)]。
[0023]
在上述任一方案中优选的是，自适应滤波器滤波参数为e[v2(t)]。
[0024]
本发明实施例还公开了一种音乐智能拾音装置，装置包括：
[0025]
模拟信号采集模块，用于实时采集模拟信号；
[0026]
模拟信号滤波模块，用于对模拟信号进行滤波；
[0027]
模拟/数字转换模块，用于将滤波后的模拟信号进行模拟数字转换；
[0028]
数字信号滤波及提取模块，用于将转换后的数字信号进行滤波并提取；
[0029]
中央控制单元，用于接收在模拟量转换为相应的数字量后，模拟/数字转换模块发送的采集数据，并根据采集数据进行拾音。
[0030]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0031]
本发明提供的一种音乐智能拾音方法及装置可实现对音乐声音的信号提取，且利用本发明提取到的信号完整可靠，提取方式简单，大大提高了对音乐声音的提取效率，对复杂噪声环境及回声有着很强的适应性。
附图说明
[0032]
附图用于对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0033]
图1是本发明一种音乐智能拾音方法流程示意图；
[0034]
图2是本发明信号放大电路连接示意图；
[0035]
图3是本发明fpga的结构示意图。
[0036]
图4是本发明自适应滤波器功能示意图
[0037]
图5是本发明一种音乐智能拾音装置模块示意图。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0039]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
[0040]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0041]
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图及具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明。
[0042]
实施例：
[0043]
如图1所示，本发明提供了一种音乐智能拾音方法，方法包括以下步骤：
[0044]
步骤1，通过模拟信号采集器实时采集模拟信号，并将采集的模拟信号进行滤波。
[0045]
具体的，通过模拟信号采集器实时对模拟信号进行采集，模拟信号采集器中包括信号放大电路，信号放大电路在模拟信号采集时输入的模拟信号先经过信号放大、调整信号的带宽范围，以供滤波以及a/d转换使用。
[0046]
进一步的，如图2所示，信号放大电路包括opa1632放大器、电阻r45、电阻r46、电阻r47、电阻r48、电阻r49、电阻r50、电容c50、电容c52和电容c53；电阻r45连接opa1632放大器正极性输入端，电阻r46连接opa1632负极性输入端，电阻r45阻值1k，电阻r46阻值1k，opa1632放大器公共输出端通过电容c50接地，电阻r49一端连接opa1632放大器的负极性输出端，电阻r49另一端连接电阻r47的一端，电阻r47另一端连接opa1632放大器的正极性输入端，opa1632放大器负极性输出端通过电阻r49串联的电阻r47与电阻r49和电阻r47并联的电容c52支路与opa1632放大器的正极性输入端连接，电阻r50一端连接opa1632放大器的正极性输出端，电阻r50另一端连接电阻r48一端，电阻p48另一端连接opa1632放大器的负极性输入端，opa1632放大器正极性输出端通过电阻r50串联的电阻r48与电阻r50和电阻r48并联的电容c53支路与opa1632放大器的负极性输入端连接，运放opa1632放大器可将输入的电压信号跟随、分压，实现到达合理的带宽范围。
[0047]
其中，通过opa1632放大器和rc构成的低通滤波器对输入信号进行调理，差分运放电源可采用10uf和0.1uf的旁路电容，差分运算放大器采用
±
15v双电源供电，差分运算放大器设有vocm输入引脚，模拟信号滤波器可以采用butterworth带通滤波器，或者低通滤波器。
[0048]
步骤2，将滤波后的模拟信号进行模拟数字转换。
[0049]
具体的，模拟信号经过滤波后，需要对模拟信号进行模拟数字转换，在本发明的音乐智能拾取方法中，中央处理单元采用fpga设计，因此要用ad转换器将采集到的模拟量转换为相应的数字量后，将采集到的数据传送到fpga中，从而由fpga控制系统发出相应地控制命令，使整个声音拾取装置的运行。
[0050]
本发明的fpga结构图如图3所示：
[0051]
ad采集芯片有8个差分电压信号输入，模式控制管脚经前面分析连接如图，其中pwdn[8:1]是每一通道的开关，所有通道由fpga统一控制开启或关闭。与fpga相连的ad芯片共16块，其中clk、sync、sclk、pwdn[8:1]控制信号可共用fpga的i/o，dout1与drdy信号每个芯片需单独与fpga管脚相连，则fpga控制ad芯片进行采集共需要36个i/0端口。
[0052]
ads1278的输入为8路差分模拟信号，参考电压为2.5v，输出为串行的8路数字信号；要实现同时采集128路信号，则需要16片ads1278，这16个芯片并行采集，将数据送入
fpga的i/o口进行处理。
[0053]
步骤3，将转换后的数字信号进行滤波并提取。
[0054]
具体的，通过自适应滤波器对数字信号进行滤波及提取，如图4所示，自适应滤波器包括输入信号i(t)、环境噪声信号n(t)、回音信号f(t)、综合信号s(t)、加权信号q(t)、输出信号v(t)；输入信号i(t)为通过a/d转换后得到的数字声音信号；环境噪声信号n(t)为数字化后的环境噪声信号，例如空间内的噪声；回音信号f(t)为时刻t由于乐器本身发生的余音所产生的信号；加权信号q(t)为滤波后的加权信号；输入信号i(t)和环境噪声信号n(t)经过加法器合成后得到综合信号s(t)。
[0055]
进一步的，本发明的技术方案中，综合信号s(t)中不包含回音信号f(t)，因为相对回音信号而言，环境噪声信号较为稳定，例如对于一个音乐教室，或者家庭环境中的一个音乐学习空间而言，其环境相对稳定，因此环境噪声也会相对稳定；而回音信号相对不稳定，例如乐器演奏时的声音频率和强度都会抑扬顿挫，因此回音信号f(t)相对于环境噪声信号n(t)而言，变化较大。
[0056]
在理想的情况下，n(t)可以是一个定值，而f(t)可以是i(t-1)；因此，输出信号v(t)＝s(t)-q(t)-f(t)。
[0057]
v(t)的均方差为：e[v2(t)]＝e[s2(t)]+e[f(t)-q(t)]
2-2e[s(t)f(t)-s(t)q(t)]，这里的s(t)＝i(t)+n(t)，因此，e[s2(t)]＝e[i2(t)]+e[n(t)]2+2e[i(t)n(t)]。
[0058]
对于自适应滤波器而言，其滤波参数的选择满足e[v2(t)]最小即可，即利用v(t)的最小均方差调节自适应滤波器参数。
[0059]
如图5所示，本发明还提供了一种音乐智能拾音装置，包括：
[0060]
中央控制单元，用于接收在模拟量转换为相应的数字量后，模拟/数字转换模块发送的采集数据，并根据采集数据控制装置的运行；
[0061]
模拟信号采集模块，用于实时采集模拟信号；
[0062]
模拟信号滤波模块，用于对模拟信号进行滤波；
[0063]
模拟/数字转换模块，用于将滤波后的模拟信号进行模拟数字转换；
[0064]
数字信号滤波及提取模块，用于将转换后的数字信号进行滤波并提取。
[0065]
与现有技术相比，本发明提供的有益效果是：
[0066]
本发明提供的一种音乐智能拾音方法及装置可实现对音乐声音的信号提取，且利用本发明提取到的信号完整可靠，提取方式简单，大大提高了对音乐声音的提取效率，对复杂噪声环境及回声有着很强的适应性。
[0067]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种音乐智能拾音方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：通过模拟信号采集器实时采集模拟信号，并将采集的模拟信号进行滤波；将滤波后的模拟信号进行模拟数字转换；将转换后的数字信号进行滤波并提取。2.根据权利要求1的所述音乐智能拾音方法，其特征在于：模拟信号采集器中包括信号放大电路，信号放大电路用于在模拟信号采集时，将采集的模拟信号先进行信号放大，调整信号的带宽范围，以供滤波以及a/d转换。3.根据权利要求2的所述音乐智能拾音方法，其特征在于：信号放大电路包括opa1632放大器、电阻r45、电阻r46、电阻r47、电阻r48、电阻r49、电阻r50、电容c50、电容c52和电容c53；电阻r45连接opa1632放大器正极性输入端，电阻r46连接opa1632负极性输入端，opa1632放大器公共输出端通过电容c50接地，电阻r49一端连接opa1632放大器的负极性输出端，电阻r49另一端连接电阻r47的一端，电阻r47另一端连接opa1632放大器的正极性输入端，opa1632放大器负极性输出端通过电阻r49串联的电阻r47与电阻r49和电阻r47并联的电容c52支路与opa1632放大器的正极性输入端连接，电阻r50一端连接opa1632放大器的正极性输出端，电阻r50另一端连接电阻r48一端，电阻p48另一端连接opa1632放大器的负极性输入端，opa1632放大器正极性输出端通过电阻r50串联的电阻r48与电阻r50和电阻r48并联的电容c53支路与opa1632放大器的负极性输入端连接，运放opa1632放大器将输入的电压信号跟随、分压。4.根据权利要求3的所述音乐智能拾音方法，其特征在于：信号放大电路中，opa1632放大器和rc构成的低通滤波器对输入信号进行调理，差分运放电源可采用10uf和0.1uf的旁路电容，差分运算放大器采用
±
15v双电源供电，差分运算放大器设有vocm输入引脚，模拟信号滤波器采用butterworth带通滤波器或低通滤波器。5.根据权利要求4的所述音乐智能拾音方法，其特征在于：通过a/d转换器将采集到的模拟量转换为相应的数字量后，a/d转换器将采集到的数据传输至中央控制单元，中央控制单元发出控制指令，进行声音拾取。6.根据权利要求5的所述音乐智能拾音方法，其特征在于：中央处理单元内部嵌有fpga。7.根据权利要求6的所述音乐智能拾音方法，其特征在于：还包括自适应滤波器，自适应滤波器对数字信号进行滤波及提取，自适应滤波器包括输入信号i(t)、环境噪声信号n(t)、回音信号f(t)、综合信号s(t)、加权信号q(t)、输出信号v(t)；输入信号i(t)为通过a/d转换后得到的数字声音信号；环境噪声信号n(t)为数字化后的环境噪声信号；回音信号f(t)为时刻t由于乐器本身发生的余音所产生的信号；加权信号q(t)为滤波后的加权信号；输入信号i(t)和环境噪声信号n(t)经过加法器合成后得到综合信号s(t)；综合信号s(t)中不包含回音信号f(t)。8.根据权利要求7的所述音乐智能拾音方法，其特征在于：n(t)为一个定值，f(t)为i(t-1)，输出信号v(t)＝s(t)-q(t)-f(t)；v(t)的均方差为：e[v2(t)]＝e[s2(t)]+e[f(t)-q(t)]
2-2e[s(t)f(t)-s(t)q(t)]，s(t)＝i(t)+n(t)，e[s2(t)]＝e[i2(t)]+e[n(t)]2+2e[i(t)n(t)]。
9.根据权利要求8的所述音乐智能拾音方法，其特征在于：自适应滤波器滤波参数为e[v2(t)]。10.一种音乐智能拾音装置，其特征在于：装置包括：模拟信号采集模块，用于实时采集模拟信号；模拟信号滤波模块，用于对模拟信号进行滤波；模拟/数字转换模块，用于将滤波后的模拟信号进行模拟数字转换；数字信号滤波及提取模块，用于将转换后的数字信号进行滤波并提取；中央控制单元，用于接收在模拟量转换为相应的数字量后，模拟/数字转换模块发送的采集数据，并根据采集数据进行拾音。

技术总结

本发明涉及一种音乐智能拾音方法，所述方法包括通过模拟信号采集器实时采集模拟信号，并将采集的模拟信号进行滤波；将滤波后的模拟信号进行模拟数字转换；将转换后的数字信号进行滤波并提取。本发明提供的一种音乐智能拾音方法及装置可实现对音乐声音的信号提取，且利用本发明提取到的信号完整可靠，提取方式简单，大大提高了对音乐声音的提取效率，对复杂噪声环境及回声有着很强的适应性。噪声环境及回声有着很强的适应性。噪声环境及回声有着很强的适应性。