第10课：滑音与弯音

🔊 滑音在不同音乐中的角色

• TB-303：Roland TB-303合成器的滑音是Acid House音乐的灵魂——合成器在音符间滑动，产生标志性的"哇哇"效果
• Game Boy：许多GB游戏使用方波滑音制造音效——如《俄罗斯方块》中的消行音效
• NES：2A03的方波通道有硬件滑音（sweep单元），可以自动将频率向高或向低扫描
• 美漫风格：快速滑音制造"哇哦"的效果，如动画中角色出现的音效

📐 MIDI弯音规范

MIDI弯音消息：

• 14位精度(0-16383)，中心值8192=无偏移
• 0-8191 = 向下弯音，8193-16383 = 向上弯音
• 默认范围±2半音，可通过RPN消息调整

在硬件中，弯音偏移量 = pitch_bend × base_freq × sensitivity / 8192

为避免除法，我们用移位近似：offset ≈ pitch_bend × base_freq >> N

// portamento.v - 滑音与弯音模块
// portamento: 平滑音高过渡
// pitch_bend: 实时音高偏移
module portamento #(
    parameter PHASE_BITS = 32,
    parameter GLIDE_BITS = 16,
    parameter CLK_FREQ = 50000000
)(
    input  wire clk,
    input  wire rst_n,
    input  wire [PHASE_BITS-1:0] target_freq,   // 目标频率调谐字
    input  wire [GLIDE_BITS-1:0] glide_rate,     // 滑音速率
    input  wire glide_enable,                    // 滑音使能
    input  wire signed [13:0] pitch_bend,        // 弯音偏移（有符号）
    input  wire bend_enable,                     // 弯音使能
    output wire [PHASE_BITS-1:0] output_freq     // 输出频率
);
    // 滑音：从当前频率平滑过渡到目标频率
    reg [PHASE_BITS-1:0] current_freq;
    reg [GLIDE_BITS-1:0] glide_counter;
    
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            current_freq <= {PHASE_BITS{1'b0}};
            glide_counter <= {GLIDE_BITS{1'b0}};
        end else begin
            glide_counter <= glide_counter + 1'b1;
            
            if (glide_enable && glide_counter >= glide_rate) begin
                glide_counter <= {GLIDE_BITS{1'b0}};
                
                if (current_freq < target_freq)
                    current_freq <= current_freq + 1'b1;
                else if (current_freq > target_freq)
                    current_freq <= current_freq - 1'b1;
                // 到达目标时不变化
            end else if (!glide_enable) begin
                // 滑音禁用时直接跳到目标
                current_freq <= target_freq;
            end
        end
    end
    
    // 弯音：在当前频率上叠加偏移
    // pitch_bend范围：-8192到+8191（14位有符号）
    // 映射为频率偏移：±2半音（标准MIDI弯音范围）
    wire signed [PHASE_BITS:0] bend_offset;
    // 弯音比例因子：2半音 ≈ base_freq × 0.122
    // 简化：bend_offset = pitch_bend × base_freq >> 16
    wire signed [PHASE_BITS:0] bend_product;
    assign bend_product = $signed(pitch_bend) * $signed({1'b0, current_freq[31:15]});
    assign bend_offset = bend_product >> 10;
    
    wire signed [PHASE_BITS:0] freq_with_bend;
    assign freq_with_bend = $signed({1'b0, current_freq}) + 
                            (bend_enable ? bend_offset : {PHASE_BITS+1{1'b0}});
    
    // 确保输出为正
    assign output_freq = (freq_with_bend[PHASE_BITS-1:0] > 0) ? 
                          freq_with_bend[PHASE_BITS-1:0] : current_freq;
endmodule

✅ Verilator验证通过

⚠️ Sweep的隐藏规则

• 溢出静音：向上Sweep导致频率超过$7FF时，通道立即静音，但不改变频率寄存器
• 补差计算：向下Sweep使用补码减法：new = current + (~current >> shift) + 1，不是简单的减法
• 延迟一步：Sweep的更新比预期延迟一个周期，因为它是基于"影子"频率计算的
• 静音恢复：溢出导致的静音只在该周期有效——如果下一周期频率不再溢出，通道恢复发声

📚 音调控制阶段回顾

阶段2的5课让我们从"静态波形"进化到"有表现力的音乐"：

• 第6课：频率映射——从手动计算到MIDI音符自动转换
• 第7课：ADSR包络——赋予声音生命力和时间维度
• 第8课：音量控制——从线性到对数，从硬切换到淡入淡出
• 第9课：颤音效果——LFO调制的第一次应用
• 第10课：滑音弯音——音符之间的流动过渡

这些模块组合起来，让一个简单的方波变成了可以演奏富有表情的音乐的"乐器"。

🔧 从MIDI消息到频率偏移

// Step 1: 接收MIDI Pitch Bend消息
// 格式: 0xEc ll mm (c=通道, ll=LSB, mm=MSB)
midi_value = (msb << 7) | lsb;  // 0-16383
center = 8192;

// Step 2: 转为有符号偏移
bend_signed = midi_value - center;  // -8192 to +8191

// Step 3: 缩放到半音偏移
// ±2半音范围: bend_semitones = bend_signed × 2 / 8192
semitones = bend_signed * bend_range / 8192;

// Step 4: 半音到频率倍率
// 每半音 = 2^(1/12) ≈ 1.0595
// freq_ratio = 2^(semitones/12)

// Step 5: 应用到基础频率
// final_freq = base_freq × freq_ratio
// 用查找表或近似计算避免实时幂运算

🎵 滑音时间与效果