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Die
Erfindung betrifft eine Tonerzeugungsvorrichtung und ein Tonerzeugungsverfahren
für ein
mobiles Endgerät
eines drahtlosen Telekommunikationssystems.
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Mobile
Endgeräte
von drahtlosen Telekommunikationssystemen, wie z.B. dem GSM- oder dem UMTS-System,
besitzen üblicherweise
eine Toneinheit für
die Erzeugung und Ausgabe von Tönen,
wie z.B. Melodien, um dem Benutzer einen ankommenden Telefonanruf,
eine empfangene Nachricht, eine voreingestellte Zeit und ein voreingestelltes
Datum oder dgl. anzuzeigen. Bei den ersten mobilen Endgeräten auf
dem Markt umfaßte
die Tonerzeugungsvorrichtung nur eine kleine Anzahl von vorgespeicherten
Melodien und/oder Tönen,
aus denen der Benutzer das bevorzugte Klingel- oder Alarmsignal
auswählen
konnte. Einige der neueren mobilen Endgeräte von drahtlosen Telekommunikationssystemen
bieten die Möglichkeit,
innerhalb des begrenzten Bereichs von einer oder zwei Oktaven eigene
Melodien zu erzeugen, wobei der Ton für die von dem Benutzer zusammengesetzte
Melodie vorgegeben ist und von dem Benutzer nicht ausgewählt werden kann.
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Das
Dokument
US 5 644 098
A beschreibt einen FM-Tonsignalgenerator vom Wellentabellentyp.
Dieser Tonsignalgenerator enthält
einen Wellenformgenerator mit mehreren Wellentabellen, einen Wähler und
einen Hüllkurvenerzeuger.
Der Wähler
wählt in
Abhängigkeit
von einer Anzahl von Auswahlsignalen eine der Wellentabellen aus.
Die ausgewählte
Wellentabelle liefert das Wellenformsignal, wenn sie durch das Phasenwinkel-Adressensignal adressiert
wird. Die Auswahl der ausgewählten
Wellentabelle variiert mit jedem Auswahlsignal. Ein Hüllkurvenerzeuger
prägt ein
Hüllkurvensignal
auf das Wellenformsignal. Dieses Hüllkurvensignal wird dann als
Träger
oder Modulator für
die Erzeugung des FM-Tonsignals benutzt. Das Dokument WO 99/65221
A beschreibt ein Mobiltelefon mit einem Klingeltongenerator, der
durch tonbezogene digitale Parametern, wie Frequenz, Dauer der Töne, Einschwingverhalten,
Abklingverhalten, Halten, Auslösen,
gesteuert wird.
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Es
ist deshalb das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Tonerzeugungsvorrichtung
und ein Tonerzeugungsverfahren für
ein mobiles Endgerät
eines drahtlosen Telekommunika tionssystems zur Verfügung zu
stellen, das es dem Benutzer ermöglicht,
Töne und
ihre Tonhöhe
einfach und flexibel zu wählen
und so Melodien zusammenzusetzen.
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Dieses
Ziel wird erreicht durch eine Tonerzeugungsvorrichtung für ein mobiles
Endgerät
eines drahtlosen Telekommunikationssystems nach Anspruch 1, die
aufweist: Eine Tonerzeugungsvorrichtung für ein mobiles Endgerät eines
drahtlosen Telekommunikationssystems, eine Speichereinrichtung zum
Speichern von Wellenformen, wobei jede Wellenform einem Ton entspricht
und jede Wellenform eine vorbestimmte Anzahl von Abtastproben enthält, eine
Auswahleinrichtung für
das Auswählen
eines Tons und einer Tonhöhe
für den zu
erzeugenden Ton, eine Recheneinrichtung zum Berechnen einer Tontabelle
aus den Abtastproben der gespeicherten Wellenform eines ausgewählten Tons
auf der Basis einer vorgegebenen Rechenregel, eine Leseeinrichtung
zum Auslesen eines Teils der Abtastproben aus der berechneten Tontabelle
in Abhängigkeit
von der für
den Ton ausgewählten
Tonhöhe
und eine Ausgabeeinrichtung für
die Ausgabe eines Tons auf der Basis des von der Leseeinrichtung
ausgelesenen Teils von Abtastproben.
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Das
obige Ziel wird außerdem
erreicht durch ein Tonerzeugungsverfahren für ein mobiles Endgerät eines
drahtlosen Telekommunikationssystems nach Anspruch 11 mit den Verfahrensschritten:
Auswählen
eines Tons und einer Tonhöhe
für den
zu erzeugenden Ton aus gespeicherten Wellenformen, wobei jede gespeicherte
Wellenform einem Ton entspricht und jede Wellenform eine vorbestimmte
Anzahl von Abtastproben umfaßt,
Berechnen einer Tontabelle aus den Abtastproben der Wellenform auf
der Basis einer vorgegebenen Rechenregel, Auslesen eines Teils der
Abtastproben aus der berechneten Tontabelle in Abhängigkeit
von der ausgewählten
Tonhöhe
für den
ausgewählten
Ton und Ausgeben eines Tons auf der Basis des von der Leseeinrichtung
ausgelesenen Teils von Abtastproben.
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Die
Tonerzeugungsvorrichtung und das Tonerzeugungsverfahren gemäß der Erfindung
ermöglichen es
dem Benutzer, in einfacher und flexibler Weise einen zu erzeugenden
Ton sowie die Tonhöhe,
in der der Ton ausgegeben werden soll, auszuwählen. So können verschiedene Melodien
erzeugt und komponiert werden, ohne daß eine große Verarbeitungsleistung benötigt wird.
Außerdem
ermöglichen
die Tonerzeugungsvorrichtung und das Tonerzeugungsverfahren gemäß der Erfindung
eine einfache und kosteneffektive Implementierung in einem mobilen
Endgerät
eines drahtlosen Telekommunikationssystems. Die Töne, die
als Wellenformen in der Speichereinrichtung gespeichert sind, können z.B.
der Ton eines Musikinstruments, einer menschlichen Stimme, einer
Tierstimme oder ein beliebiger anderer möglicher Ton sein. Jeder Ton
hat eine bestimmte typische Frequenzverteilung, z.B. eine Grundfrequenz
und höhere
Harmonische. Das digitale Abtasten einer solchen Frequenzverteilung
mit einer vorbestimmten Anzahl von Abtastproben ergibt eine Wellenform.
Die Verarbeitung der gespeicherten Wellenformen gemäß der vorliegenden
Erfindung basiert somit auf dem Prinzip eines Abtastratenwandlers.
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Jede
Wellenform besteht vorzugsweise aus einer einzigen Periode von Abtastproben
einer Frequenzverteilung des zu erzeugenden Tons. Ferner besteht
jede Wellenform vorzugsweise aus 51 Abtastproben. Die Zahl von 51
Abtastproben ist ein Wert, der im Hinblick auf eine Ressourcenminimierung
für die
Implementierung und im Hinblick auf die Minimierung des Frequenzfehlers
in dem ausgegebenen Ton optimiert ist.
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Die
Recheneinrichtung berechnet die Tontabelle vorzugsweise auf der
Basis einer Interpolationsrechnung. Dies bedeutet, daß zwischen
zwei benachbarten Abtastproben der gespeicherten Wellenform interpoliert
wird, so daß die
Wellenform überabgetastet
wird. In diesem Fall hängt
die Zahl der berechneten interpolierten Abtastproben zwischen zwei
benachbarten Abtastproben der gespeicherten Wellenform von der gewählten Tonhöhe für den zu
erzeugenden Ton ab. Auf diese Weise kann eine Optimierung zwischen
den Ressourcen für
die Implementierung und dem Frequenzfehler erreicht werden. Die
Zahl der berechneten interpolierten Abtastproben ist vorzugsweise
für jede
Note einer Oktave gleich, nimmt jedoch mit ansteigenden Oktaven
ab. Dadurch ist es möglich,
für jede
Note innerhalb einer Oktave die gleiche berechnete Tontabelle zu
benutzen, so daß der
erforderliche Verarbeitungsumfang signifikant reduziert wird.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Leseeinrichtung jede n-te Abtastprobe
aus der Tontabelle ausliest, wobei n eine ganze Zahl ist. Dies ermöglicht eine
weitere Reduzierung des erforderlichen Verarbeitungsumfangs, bevor
der ausgewählte
Ton ausgegeben wird. Die Zahl n hängt vorzugsweise von der für den zu
erzeugenden Ton gewählten
Tonhöhe
ab. Die Zahl n wird mit ansteigenden Noten innerhalb einer Oktave
vorzugsweise größer, ist
jedoch für
jede Note innerhalb der verschiedenen Oktaven gleich. Dadurch werden
die Speicher- und Verarbeitungsressourcen weiter verringert, da
für jede
Note innerhalb einer Oktave nur eine einzige Zahl n gespeichert
werden muß.
In verschiedenen Oktaven kann die gleiche Zahl n für jeden
Ton wiederverwendet werden. Es ist ferner vorteilhaft, wenn die
Abtastproben aus der Tontabelle mit einer Rate von etwa 8 kHz ausgelesen
werden, so daß die
höchste
Frequenz des ausgegebenen Tons gleich 4 kHz sein kann.
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Die
vorliegende Erfindung wird in der folgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch ein mobiles Endgerät
eines drahtlosen Telekommunikationssystems mit einer Tonerzeugungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 zeigt
ein Diagramm zur Erläuterung
der Erzeugung eines Tons gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1 zeigt
schematisch ein mobiles Endgerät 1 für ein drahtloses
Telekommunikationssystem, wie z.B. das GSM- oder das UMTS-System.
Es ist zu beachten, daß in 1 nur
die für
die Erläuterung
der vorliegenden Erfindung benötigten
Elemente dargestellt sind, während
andere für
den normalen Betrieb des mobilen Endgeräts 1 in einem drahtlosen
Telekommunikationssystem, wie Antenne, Hochfrequenzteil, Modulator, Demodulator,
Kodierer, Dekodierer usw. zur Vereinfachung der Darstellung nicht
gezeigt sind.
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Das
mobile Endgerät 1 besitzt
einen Lautsprecher 2 zur Ausgabe von hörbaren Signalen, um den Benutzer
auf einen ankommenden Anruf, eine empfangene Nachricht, eine voreingestellte
Zeit und ein voreingestelltes Datum oder dgl. hinzuweisen. Der Lautsprecher 2 kann
entweder der gleiche Lautsprecher sein, der dazu benutzt wird, während einer
Unterhaltung Sprachsignale an den Benutzer auszugeben, oder es kann
ein separater Lautsprecher für
die Ausgabe von Alarm- oder Anzeigesignalen sein. In dem zweiten
Fall kann der Lautsprecher 2 als einfaches und billiges
Element implementiert sein.
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Das
mobile Endgerät 1 besitzt
ferner eine Eingabeeinrichtung 3, die z.B. die normale
Tastatur des mobilen Endgeräts
sein kann. Durch das Auswählen
einer entsprechenden Menüfunktion
des mobilen Endgeräts kann
der Benutzer einen Ton und eine Tonhöhe für einen Ton wählen, den
er für
die Erzeugung benutzt und als Alarmsignal, Hinweissignal oder dgl.
benutzt. Die Eingabeeinrichtung 3 ist mit einer Steuereinheit 4 verbunden,
die die Erzeugung des ausgewählten
Tons steuert. Die Steuereinheit 4 ist mit einer Speichereinrichtung 5,
z.B. einem nichtflüchtigen
Speicher, verbunden, in welchem Wellenformen gespeichert sind, die
Tönen entsprechen.
Jede Wellenform entspricht einem bestimmten Ton, wie z.B. dem Ton
eines Instruments, dem Ton einer menschlichen Stimme, dem Ton einer
Tierstimme oder dgl., und besteht aus einer vorbestimmten Zahl von
Abtastproben. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt jede
Wellenform eine einzelne Periode einer Frequenzverteilung eines
entsprechenden Tons in Form von 51 digitalisierten Abtastproben.
Die Zahl von 51 Abtastproben für
jede Wellenform, die in der Speichereinrichtung 5 gespeichert
ist, repräsentiert
zusammen mit den unten in den Tabellen 1 und 2 angegebenen spezifischen
Werten optimale Werte im Hinblick auf eine Optimierung der Verarbeitungsressourcen
in dem mobilen Endgerät
und des Frequenzwählers
für den
ausgegebenen Ton. In diesem Kontext ist zu beachten, daß für die Ausgabe
von Alarmsignalen, Hinweissignalen, Klingeltönen und dgl. eine Wortlänge von
8 Bit genügt.
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Der
Benutzer, der einen Ton und eine Tonhöhe für ein Alarmsignal oder dgl.
auswählen
möchte,
kann den ausgewählten
Ton oder die Tonhöhe
mit Hilfe der Eingabeeinrichtung 3 eingeben. Alternativ
können
ein Ton und die Tonhöhe
für den
zu erzeugenden Ton mit Hilfe einer beliebigen anderen Auswahleinrichtung
ausgewählt
werden, z.B. durch Übertragung
einer entsprechenden Nachricht von einer Basisstation des drahtlosen
Telekommunikationssystems oder dgl.. Nach der Auswahl eines Tons
und der Tonhöhe
für den
zu erzeugenden Ton, z.B. durch Eingabe mittels der Eingabeeinrichtung 3 wird
eine entsprechende Information an die Steuereinheit 4 übertragen.
Die Steuereinheit 4 weist eine Recheneinrichtung 6 auf,
um auf der Basis einer vorgegebenen Rechenregel aus den Abtastproben
der Wellenform eines ausgewählten
Tons eine Tontabelle zu berechnen. In dem bevorzugten Ausführungsform
ist die vorgegebene Rechenregel eine Interpolationsrechnung, wobei
die Zahl der berechneten interpolierten Abtastproben zwischen zwei
benachbarten Abtastproben der Wellenform von der für den zu
erzeugenden Ton ausgewählten
Tonhöhe
abhängt.
Dadurch ist die Zahl der berechneten interpolierten Abtastproben
für jede
Note innerhalb einer Oktav gleich, nimmt mit ansteigenden Oktaven
jedoch ab. Optimierte Werte für
die Zahl der interpolierten Werte pro Abtastprobe und die resultierende
Zahl von Abtastproben für
die Tontabelle in jeder Oktav sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.
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Für die erste
Oktave c–h
(262–494
Hz) ist die Zahl der interpolierten Werte pro Abtastprobe gleich
47, so daß in
jeder berechneten Tontabelle insgesamt (48 × 51 =) 2048 Abtastproben enthalten
sind. Für
die zweite Oktave c'–h' (524–988 Hz)
werden 23 Werte pro Abtastprobe interpoliert, so daß in jeder
berechneten Tontabelle insgesamt (24 × 51 =) 1224 Abtastproben enthalten
sind. Für
die dritte Oktave c''–h'' (1048–1976 Hz)
werden zwischen zwei benachbarten Abtastproben 11 Werte interpoliert,
so daß insgesamt
(12 × 51
=) 612 Abtastproben in jeder berechneten Tontabelle enthalten sind.
Für die
dritte Oktave c'''–h''' (2096–3952 Hz)
werden zwischen zwei benachbarten Abtastproben 5 Werte interpoliert,
so daß in
jeder berechneten Tontabelle insgesamt (6 × 51 =) 306 Abtastproben enthalten
sind. Die Zahl der interpolierten Werte zwischen zwei benachbarten
Abtastproben für
jede Oktave ist etwa halb so groß wie die Zahl der interpolierten
Abtastproben zwischen zwei benachbarten Abtastproben für die vorhergehende Oktave.
Es ist zu beachten, daß höhere Tonhöhen wegen
der 4-kHz-Begrenzung (Ende der vierten Oktave) eine kleinere Zahl
von Abtastproben für
eine Tontabelle erfordern, so daß in dem höheren Frequenzbereich der Speicherplatz
und die Verarbeitungsleistung reduziert werden können. Die 4-kHz-Begrenzung
und die daraus resultierende Abtastfrequenz von 8 kHz bilden das
Frequenzlimit bzw. die Abtastfrequenz von digitalen Mobiltelefonen.
Wenn das gleiche Frequenzlimit und die gleiche Abtastfrequenz gewählt werden,
hat dies den Vorteil, daß der
für die
Ausgabe des Sprachsignals vorgesehene D/A-Wandler des mobilen Endgeräts auch
für die
Melodieerzeugung gemäß der vorliegenden
Erfindung benutzt werden kann.
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Die
oben erwähnte
Interpolationsrechnung für
die Berechnung der Tontabelle kann eine lineare, eine polynomische
oder irgendeine andere Interpolationsrechnung sein. Anstelle einer
Interpolationsrechnung kann jedoch auch irgendeine anderes Verfahren
zur Berechnung von Zwischenwerten zwischen zwei benachbarten Abtastproben
einer ausgewählten
Wellenform benutzt werden.
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Eine
von der Recheneinrichtung 6 berechnete Tontabelle wird
in einem flüchtigen
Speicher 7 der Steuereinheit 4, z.B. einem RAM,
gespeichert. Anschließend
wird eine in dem flüchtigen
Speicher 7 gespeicherte Tontabelle von einer Leseeinrichtung 8 ausgelesen,
die ebenfalls in der Steuereinheit 4 enthalten ist. Die
Leseeinrichtung 8 liest nur einen Teil der Abtastproben
einer in dem flüchtigen
Speicher 7 gespeicherten Tontabelle aus. Die Zahl der von
der Leseeinrichtung 8 ausgelesenen Abtastproben hängt von
der für
den auszugebenden Ton gewählten
Tonhöhe
ab. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
liest die Leseeinrichtung 8 jede n-te Abtastprobe aus einer
in dem flüchtigen
Speicher 7 gespeicherten Tontabelle aus, wobei n eine ganze Zahl
ist. Die Zahl n wird insbesondere mit ansteigenden Noten innerhalb
einer Oktave größer, ist
jedoch für jede
Note in den verschiedenen Oktaven gleich, wie dies in der folgenden
Tabelle 2 dargestellt ist.
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Für jede Note
c in jeder Oktave ist n gleich 80, für jede Note c# in jeder Oktave
ist n gleich 85 usw. Die Leseeinrichtung 8 liest jede n-te
Abtastprobe aus einer in dem flüchtigen
Speicher 7 gespeicherten Tontabelle aus, wobei vorzugsweise
ein Register als Hinweis auf die Tontabelle benutzt wird und das
Register für
jeden ausgelesenen Wert um n inkrementiert wird, wobei anschließend das
Ergebnis modulo der Länge
der Tontabelle reduziert wird, so daß aus der Tontabelle für eine einzige
Periode periodische Ausgangstöne
erzeugt werden können.
Die Leseeinrichtung 8 arbeitet mit einer Ausleserate von
etwa 8 kHz, um jede n-te Abtastprobe aus einer in dem nichtflüchtigen
Speicher 7 gespeicherten Tontabelle auszulesen, und liefert
die ausgelesenen Abtastproben an einen Ausgangspuffer 9 der
Steuereinheit 4. Der Ausgangspuffer 9 liefert
die Abtastproben an eine Hüllkurveneinrichtung 10,
die die Abtastproben einer Amplituden-Hüllkurvenfunktion unterzieht,
um einen natürlichen
Klang zu erreichen. Die Amplituden-Hüllkurvenfunktion umfaßt z.B.
einen Einschwing-, einen Abkling-, einen Halte- und einen Auslöseparameter,
auf denen der natürliche
Klang der erzeugten Wellenform basiert. Diese Parameter können entweder
im voraus gespeichert oder von dem Benutzer oder durch irgendeine
andere Maßnahme
eingestellt werden. Die Hüllkurveneinrichtung 10 ist
ebenfalls Teil der Steuereinheit 4. Die von der Hüllkurveneinrichtung 10 ausgegebenen,
entsprechend verarbeiteten digitalen Abtastproben werden einem Digital-/Analog-Wandler 11 zugeführt, der
die digitalen Abtastproben in analoge Signale umwandelt. Der Digital/Analog-Wandler 11 liefert
die analogen Signale an einen Leistungsverstärker 12, der die verstärkten Signale
dem Lautsprecher 2 zuführt,
der seinerseits die verstärkten
Signale als den ausgewählten
Ton in der ausgewählten
Tonhöhe
ausgibt.
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Wenn
gleichzeitig mehr als eine Stimme oder mehr als ein Ton erzeugt
und ausgegeben werden sollen, wird die oben beschriebene Verarbeitung
sooft parallel ausgeführt,
wie Stimmen erhalten werden sollen. Dadurch kann z.B. ein Ton erzeugt
werden, der aus verschiedenen Stimmen und/oder Instrumenten besteht. In
diesem Fall werden die gewonnenen digitalen Werte addiert und dann
dem Digital-/Analog-Wandler 11 zugeführt, bevor sie verstärkt und
ausgegeben werden.
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Die
Implementierung der Tonerzeugung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wie sie schematisch in 1 dargestellt ist, kann in verschiedener
Weise realisiert werden. Eine Möglichkeit
besteht in der Implementierung in Form einer speziellen Hardware,
wie einer integrierten Schaltung, die einen Taktgenerator, Register für die Wellenformtabellen,
logische Schaltungen für
die Interpolation und das Auslesen der Tabelle sowie Digital-/Analog-Wandler
enthält.
Eine andere Möglichkeit
besteht darin, die Tonerzeugungsfunktionen in dem digitalen Signalprozessor
eines mobilen Telefons zu implementieren und den für die Ausgabe
des normalen Sprachsignals benutzten Digital-/Analog-Wandler des
mobilen Telefons zu benutzen, um die erzeugte Wellenform oder die
erzeugten Wellenformen auszugeben.
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Die
Zahlen, in Tabelle 1 und Tabelle 2 angegeben sind, und die Zahl
von 51 Abtastproben pro gespeicherter Wellenform sind Werte, die
im Hinblick auf die Reduzierung der Speicher- und Verarbeitungsleistung und
den Frequenzfehler optimiert sind. Für die gegebe nen Werte ist der
Frequenzfehler zwischen 262 Hz (Note c) und 3952 Hz (Note h''')
kleiner als 0,27%. Außerdem
führen
die gegebenen Werte zu optimierten Frequenzverhältnissen für jede einzelne Oktave des
hörbaren
Bereichs des menschlichen Ohrs. Optimierte Frequenzverhältnisse
für jede
Oktave bedeutet hier, daß für das Verhältnis der
Frequenzen benachbarter Noten ein Wert realisiert wird, der sehr
nahe bei
liegt.
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2 zeigt
ein Diagramm zur Erläuterung
der Tonerzeugung gemäß der vorliegenden
Erfindung anhand des Beispiels der Note d der ersten Oktave, d.h.
einer Note mit der Frequenz 294 Hz, z.B. des Instruments Posaune.
Es wird angenommen, daß in
der Speichereinrichtung 5 des in 1 dargestellten
mobilen Telefons eine einzelne Periode einer Wellenform des Klangs
des Instruments Posaune gespeichert ist. Die Wellenform umfaßt 51 Abtastproben,
die ausgelesen und von der Recheneinrichtung 6 der Steuereinheit 4 verarbeitet
werden, indem 47 interpolierte Werte zwischen zwei benachbarten
Abtastproben S1, S2, ..., S51 berechnet werden, so daß eine Tontabelle
1, 2, 3, ..., 2448 mit einer Gesamtlänge von 2448 Abtastproben erzeugt wird.
Die Tontabelle wird dann in dem flüchtigen Speicher 7 gespeichert.
Die Leseeinrichtung 8 liest jede 90. Abtastprobe aus der
in dem nichtflüchtigen
Speicher 7 gespeicherten Tontabelle mit einer Wiederholrate
von 8 kHz aus. Wie z.B. in 2 dargestellt
ist, werden die Abtastproben, 1, 91, 181, 271, ..., 2431, 73, 163,
253, ..., 2413, 55, 145 usw. zyklisch ausgelesen, so daß ein periodischer
Posaunenton mit der Note d erzeugt wird. Wenn ein anderer Ton, wie
z.B. eine Flöte
oder eine Violine, gewünscht
wird, wird die gleiche Prozedur, wie oben beschrieben, mit einem
anderen Satz von 51 Abtastproben durchgeführt, die dem ausgewählten Ton
entsprechen. Auf diese Weise ermöglicht
die vorliegende Erfindung die Erzeugung periodischer Signale mit
den Frequenzen von musikalischen Tönen aus gespeicherten Einzelperioden
von Wellenformen in einer einfachen, jedoch effektiven Weise.
