CN100533551C - 在嵌入式器件中产生敲打声 - Google Patents

Abstract

敲打声既包括谐波频谱成分又包括非谐波频谱成分。为了再现特定的敲打声，比如鼓、铙钹的声音或者掌声，经验地确定所述谐波和非谐波成分。同样，经验地确定谐波成分随时间的变化，以及上升、持续和衰减的时间特征。在本发明中，这些属性用敲打声文件表示。敲打声文件包括一个谐波成分简档(502)、噪声形状过滤器(504)、多普勒频移简档(506)以及时间波形整形简档(508)。一个FM发生器(114)使用所述谐波成分简档来产生一个频率调制信号(116)。一个噪声发生器(134)使用所述噪声形状简档来产生所述非谐波频谱成分并对其整形。当产生声音时，使用所述多普勒频移简档来调节所述FM信号的基频。

Description

在嵌入式器件中产生敲打声

技术领域

本发明总体上涉及电子地产生声音，尤其是产生模拟敲打声的声音而不使用存储所要产生的声音的样本，从而大大缩减用于存储用于产生这样的声音的参数所需的存储空间量。

背景技术

目前使用的有许多用于电子地产生音乐和声音的方法。或许最为流行的方法是电子乐器数字接口(Musical Instrument DigitalInterface)方法或者说MIDI。在MIDI设备中，在MIDI文件中规定乐器和声音，并通过一个声音合成器来产生乐器和声音。波表合成(Wavetable synthesis)是一种记录乐器或者声音并对其进行数字采样的技术。这些采样构成所谓的波表文件。波表文件用来重建给定乐器的声音或者其它声音。一般，当对谐波或者调性乐器(harmonic ortonal instrument)比如钢琴或者长号采样时，例如，在若干不同的音调间距上对乐器进行采样。当MIDI设备产生处在这些采用之间的音调时，MIDI设备就在存储的采样之间进行插值，从而实现所需的音调。音调成分或者谐波成分，以及声音的时间特征在采样中都是固有的。这些品质在不同的乐器之间不同，在不同的声音之间也不同。因为这些品质是波表合成器文件所固有的，就没有必要对它们建模。相反，当要演奏特定乐器声音时，MIDI设备只需要知道所需的音调，如果必要的话在两个存储的音调之间进行插值。

可以用频率调制(FM)技术合成调性乐器的声音。在频率调制技术中，可以用一个或者多个FM方程对给定乐器建模。FM技术提供了建立特定调性或者谐波乐器的声音的适当的精确复制。但是，FM技术没有提供一种可以接受的重建非谐波乐器或者声音比如鼓声、铙钹以及其它敲打声和声音效果比如掌声的手段。对于这些声音，一般认为波表合成是进行声音重建的更好的方式。标准的MIDI系统既描述谐波也描述打击乐器。因此，为了对具有打击乐器声音的音乐进行忠实的再现，一般使用波表。

尽管从波表再现乐器的声音的方法是简单的，并提供了从质量上说精确的再现，但是在某些嵌入式器件中，其所需要的存储空间量是不容易得到满足的。这样的嵌入式器件的一个例子就是移动电话。这种设备的设计的主要目的不是来产生音乐。但是，在某些市场上，尤其是在移动通信设备市场上，声音和音乐演示能力成为市场上的区分标志。例如当接收到呼入电话时，音乐可以用作通知信号。某些制造商已经设计了允许设备用户在设备中编写表示歌曲的音调序列的通信设备。但是，由于再现敲打声所需的存储空间的量，这种设备的音乐能力受到限制。因此，有必要有一种产生敲打声的方法，其能够使用比波表技术少得多的存储空间。

附图说明

图1为本发明的音乐和敲打声产生设备的框图；

图2是一个特定敲打声的频谱成分的曲线图；

图3是一个特定敲打声的幅度随时间的变化的曲线图；

图4表示了一个特定敲打声的频率随着时间而发生的多普勒频移；

图5是本发明的乐器说明文件的示意图；

图6是本发明的包括谐波声音发生器和敲打声发生器的发声设备的框图。

具体实施方式

尽管本说明书归纳的限定本发明的特征的权利要求是新颖的，结合附图阅读下面的说明仍然能够有助于更好地理解本发明。在附图中，一致地使用类似的附图标记。对现有技术的简要描述也是有用的。

本发明解决的技术问题是通过将白噪声过滤技术和多普勒频移FM技术以及时间波形整形(temporal wave shaping)结合起来，提供一种音乐和声音发生引擎，其能够产生敲打声而不使用波表或者其它存储的敲打声采样。通过研究所需的敲打声的时间和频谱成分，可以用白噪声成分、谐波成分、谐波频移(harmonic shift)、总体上升(overall attack)、持续时间以及衰减特征来表征声音。本发明提供一种新颖的表达这些参数的方法，从而能够合成声音而不需要存储波表或者其它采样文件。这大大减少了重建声音所需的存储空间量，同时实现了对原始声音的适当的忠实再现。

现在来看图1。其中图示了根据本发明的音乐和敲打声发生设备100的框图。该发生设备包括一个用于存储乐器和声音文件(包括至少一个作为乐器说明文件的敲打声文件104)的存储器102。所述敲打声文件包括一个噪声波形过滤器106、一个多普勒频移简档(profile)108、一个时间波形整形简档110和一个谐波成分简档112。频率调制信号发生器114利用所述多普勒频移简档和所述谐波成分简档来根据所述谐波成分简档产生一个频率调制信号116。该频率调制信号具有一个基频或者说初始频率，该频率根据所述多普勒频移简档随时间而偏移。该基频是在118提供的数字正弦信号的形式。在120提供调制存储在谐波成分简档中的信号比的数字FM调制器。在122将所述基频118乘以该比120。在124提供所述多普勒简档(在优选实施例中它是单个数字字)，并在126将其加到基频上或者从基频中减去，这提供了根据多普勒频移简档相对于时间调节频率调制信号的基频的手段。将在128的被调节的基频和在130的未调节基频与调制比的积均提供给正弦调制器132。该调制器产生频率调制信号116。在实践中，当然，这些模块表示由数字处理器或者数字信号处理器对数据执行的功能。这种频率调制方案中除了多普勒频移之外是公知的。

频率调制信号发生器提供被产生的敲打声的谐波成分。但是敲打声还包括非谐波成分。产生非谐波成分是一个问题，因此波表或者存储采样过去是产生敲打声的优选方法。本发明用白噪声信号发生器134来产生非谐波成分。白噪声信号发生器包括一个白噪声发生器136，后者本质上是一个随机数发生器，用于提供原始白噪声信号。根据所述噪声波形过滤器106，用一个滤波装置对所述原始白噪声信号滤波，得到所需的频谱形状。所述噪声波形过滤器可以是任何数目的并联安排的传统数字过滤器，以形成所需数量的噪声整形频带。一般，已经发现，最好有至少两个无限脉冲响应(IIR)过滤器138，它们并联工作以对噪声频谱的不同部分整形，而后再加起来。结果是得到线条140上的整形白噪声信号。过滤器的选择取决于要产生的特定敲打声。过滤器的设计是这样进行的：首先分析要产生的实际声音的频谱成分。这可以通过分析声音的数字采样来进行。已经发现，这种分析会揭示声音的非谐波成分的形状和位置，从而使得能够设计合适的过滤器来对原始白噪声信号进行整形。这样，以经验为主地选择过滤器和谐波成分。使频率调制信号116和整形白噪声信号分别通过定标器142、144。定标器的定标系数S₁和S₂的选择也主要是依靠经验。在某些情况下，使得频率调制信号的幅度基本上大于整形白噪声信号的幅度。

在定标之后，用一个加法装置146将两个信号加起来，从而得到一个和信号148。所述加法装置的操作连接到白噪声信号发生器和频率调制信号发生器(最好通过算法流(algorithmic flow)，因为加法操作很有可能由执行图1所示的大多数模块的功能的同一个数字处理器执行)。然后由一个整形装置150对所述和信号整形，对和信号的幅度相对于时间根据时间波形整形简档110、152进行整形，提供整形和信号。该整形装置有点类似与时间相关的定标函数。最后，将整形和信号提供给一个音频电路154，该音频电路的操作连接到所述整形装置。在优选实施例中，该音频电路接收数字信号，将数字信号转换为模拟信号，然后通过扬声器或者音频换能器156转换为声音信号。

对敲打声发生设备的操作包括：在存储器中提供一个对应于要产生的敲打声的敲打声文件。所谓“对应”的意思是所述敲打声文件是通过分析要产生的特定声音比如军鼓声音，然后确定谐波成分和噪声成分，以及谐波成分的频移的时间特性，以及声音的上升(attack)、持续和衰减，从而确定的。上述这些可以按照例行的方式主要按照经验确定。图2到图4图示了敲击军鼓一次产生的声音的各种特征。对该声音进行了采样和分析。

图2图示了一次军鼓敲击的频率成分的曲线图，频率成分包括谐波成分和非谐波成分。该曲线图已经针对幅度进行了归一化。从该曲线图可以看到，谐波成分的幅度比非谐波成分的幅度大得多。为此，在定标器142和144中进行的定标使得在幅度方面频率调制信号比整形噪声信号大得多。另外，在被分析时，谐波成分的频率和幅度特性，以及非谐波成分的位置和形状，可以被识别出来，从而选择合适的参数。

图3图示了被敲击的军鼓的声音的曲线图，以及在记录设备中随时间产生的电压。从这样的曲线图可以确定用于时间波形整形简档过滤器的合适的参数。一般，需要对声音的上升、持续和衰减进行建模。所述“上升(attack)”是指初始上升时间(initial rise time)，在敲打声中，一般会以非常陡的初始坡度上升。所述“持续”与声音的延续有关，所述“衰减”描述声音变小的方式。“衰减”可以具有线性特征、指数特征，或者二者兼有。

图4图示了一次军鼓敲击的归一化频率相对于时间的曲线图。该曲线图表示在声音的持续期间的频率响应。最大的峰是初始基频，在左边的较低频率的较小的峰表示频率如何随时间变化。这种分析产生的信息允许选择合适的频移简档参数，来随时间调整频率调制信号的基频的初始值。

图5图示的是根据本发明的一个乐器说明文件500，尤其是敲打声文件的示意图。该敲打声文件是多个值的汇编，这里所示的特定声音文件用来表示要被包括的用以产生敲打声的值。许多其它的布置方案也是适合的。该敲打声文件包括一个谐波成分简档502、噪声波形过滤器504、一个多普勒频移简档506和一个时间波形整形简档508。这样，在该优选实施例中，所述敲打声文件包括由图1所示的敲打声产生设备使用的23个数字字。所述谐波成分简档502包括3个数字字，包括所述定标器142使用的一个谐波发生器定标值510(定标系数S₁)、FM操作符β₁512，以及调制频率比的调制器频率514。所述噪声形状过滤器504包括11个数字字值，一个用于频率定标系数S₂ 516，10个字用于IIR过滤器抽头(filter tap)，限定用于对白噪声发生器136产生的白噪声信号整形的IIR过滤器138。所述多普勒频移简档506包括一个用于线性频率变化的字。它可以是有符号的，以便表示所需的频移随着时间是增加频率还是降低频率。最后，所述时间波形整形简档508包括8个字，四个表示片断持续时间520，四个表示片断斜率522。所谓“片断(segment)”是指不同的时间段，在不同的时间段中，不同的斜率被应用于所述和信号148的形状，以产生所述整形和信号。由于声音的持续时间是有限的，所述各片断的总持续时间基本上等于所述声音从实际的乐器或者声源听起来一般持续的时间。所述片断的斜率控制基本上按照经验确定的声音的上升、持续和衰减。衰减可以是线性的、指数的或者兼有这两种特征。例如，在图3中，可以看出军鼓的衰减基本上为指数衰减。与传统的声音产生设备中使用的典型的采样或者波表文件相比，所述敲打声文件短得多，占据少得多的存储空间。

图6图示了根据本发明包括多个敲打声发生器的音乐和声音发生设备600。有多个谐波声音发生器602、多个敲打声发生器604。这些不同的模块产生的信号被加起来606，然后被馈送给一个音频模块用以转换为声音信号。所述谐波声音发生器用来产生谐波乐器声音，比如钢琴、木管乐器、铜管乐器以及其它此类声音。每一个模块包括一对类似于图1中的谐波声音发生器114的FM发生器。每一个FM发生器产生一个FM信号，该FM信号可以与另一个FM信号组合而产生一个特定的乐器声音。所述敲打声发生器模块基本上与图1所示是相同的。提供多个敲打声发生器以便能够产生若干不同的敲打声。

操作所述敲打声发生器的方法包括：例如用一个随机数发生器产生一个白噪声信号，根据所述噪声形状过滤器，针对频率对所述白噪声信号进行滤波，以提供一个整形白噪声信号。同时，所述敲打声发生器开始根据所述谐波成分简档生成一个频率调制信号。该频率调制信号具有一个基频或者初始频率，是正弦信号，可以被称为载波。用另一个信号，最好是另一个正弦信号，对该载波进行调制。在将所述整形白噪声信号和所述频率调制信号加起来之前，所述敲打声发生器还可以对所述整形白噪声信号和所述频率调制信号相对地进行定标(scaling)，以使频率调制信号的幅度基本上大于整形白噪声信号的幅度。图1中的谐波发生器114和非谐波发生器134提供敲打声的频谱成分。通过改变基频以及在持续时间期间声音的上升、持续和衰减特性，来控制声音的时间特性。

所述敲打声发生器根据所述多普勒频移简档来相对于时间调节所述频率调制信号的基频。一般，该调节以线性方式进行。一个加法器将所述整形白噪声信号和所述频率调制信号加起来，以提供一个和信号。根据所述时间波形整形简档，相对于时间对所述和信号的幅度进行整形，从而对该和信号的幅度进行整形或者控制，提供一个整形和信号。所述敲打声发生器将所述整形和信号提供给一个音频电路，由其将整形和信号转换为对应于所要的敲打声的声音信号。

从而，本发明提供了一种产生敲打声的方法和设备，同时避免了使用传统的采样或者波表文件(那样会使用很大数量的存储空间)。本发明将产生频谱成分的装置和调节频谱成分以及声音随时间变化的上升、持续和衰减的装置结合起来。这种产生敲打声的方法尤其适合于嵌入式器件(与更为复杂的设备相比，它们通常具有比较小的存储空间)。尽管上面图示和说明了本发明的优选实施例，但是很清楚，本发明不限于此。对于本领域普通技术人员来说，在本申请的权利要求所限定的本发明的实质范围内，可以实现多种修改、变化、变型、替换和等效方案。

Claims (10)

1.一种在一个设备中产生一个敲打声的方法，该设备具有一个存储器，该方法包括：

在所述存储器中提供一个对应于所要的敲打声的敲打声文件，该敲打声文件具有一个噪声形状过滤器、一个多普勒频移简档、一个时间波形整形简档和一个谐波成分简档；

产生一个白噪声信号；

根据所述噪声形状过滤器，针对频率对所述白噪声信号进行滤波，以提供一个整形白噪声信号；

根据所述谐波成分简档产生一个频率调制信号，该频率调制信号具有一个基频，其中根据所述多普勒频移简档，相对于时间调节所述频率调制信号的所述基频；

将所述整形白噪声信号和所述频率调制信号加起来，以提供一个和信号，该和信号具有一个幅度；

根据所述时间波形整形简档，相对于时间对所述和信号的幅度进行整形，以提供一个整形和信号；以及

将所述整形和信号提供给一个音频电路，由之将所述整形和信号转换为与所需要的敲打声对应的声音信号。

2.如权利要求1所述的产生一个敲打声的方法，其中，通过用一个正弦信号调制一个在所述基频的载波而产生所述频率调制信号。

3.如权利要求1所述的产生一个敲打声的方法，其中，根据所述噪声形状过滤器针对频率对所述白噪声信号进行滤波的步骤包括：用至少两个无限脉冲响应滤波器对所述白噪声信号进行滤波。

4.如权利要求1所述的产生一个敲打声的方法，还包括：在将所述整形白噪声信号和所述频率调制信号加起来之前，对所述整形白噪声信号和所述频率调制信号相对地定标，使得所述频率调制信号的幅度基本上大于所述整形白噪声信号的幅度。

5.如权利要求1所述的产生一个敲打声的方法，其中，根据所述多普勒频移简档相对于时间调节所述频率调制信号的所述基频的步骤是通过线性地调节所述基频来完成的。

6.一种用于嵌入应用的音乐和敲打声发生设备，包括：

一个存储器，用于存储至少一个敲打声文件，该敲打声文件具有一个噪声形状过滤器、一个多普勒频移简档、一个时间波形整形简档和一个谐波成分简档；

一个白噪声信号发生器，用于提供一个白噪声信号；

滤波装置，用于根据所述噪声形状过滤器，针对频率对所述白噪声信号进行滤波，以提供一个整形白噪声信号；

一个频率调制信号发生器，用于根据所述谐波成分简档产生一个频率调制信号，该频率调制信号具有一个基频，其中根据所述多普勒频移简档，相对于时间调节所述频率调制信号的所述基频；

加法装置，用于将所述整形白噪声信号和所述频率调制信号加起来，以提供一个和信号，该加法装置操作上连接到所述白噪声信号发生器和所述频率调制信号发生器，该和信号具有一个幅度；

整形装置，用于根据所述时间波形整形简档，相对于时间对所述和信号的幅度进行整形，以提供一个整形和信号；以及

一个音频电路，其在操作上与所述整形装置连接，由之将所述整形和信号转换为与所需要的敲打声对应的声音信号。

7.如权利要求6所述的音乐和敲打声发生设备，其中，所述频率调制信号发生器用一个正弦信号调制一个在所述基频的载波而提供所述频率调制信号。

8.如权利要求6所述的音乐和敲打声发生设备，其中，所述滤波装置包括至少两个无限脉冲响应滤波器。

9.如权利要求6所述的音乐和敲打声发生设备，还包括：对所述整形白噪声信号进行定标的装置和对所述频率调制信号进行定标的装置，用于相对地定标，使得所述频率调制信号的幅度基本上大于所述整形白噪声信号的幅度。

10.如权利要求6所述的音乐和敲打声发生设备，其中，调节所述频率调制信号的所述基频是相对于时间线性地调节所述基频。

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