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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Klangwandler und ein Verfahren zum Anpassen eines Klangwandlers an einen Referenzklangwandler.
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Die Klangerzeugung eines Musikinstruments erfolgt in der Regel dreistufig. Zunächst erfolgt eine Anregung des Musikinstruments beispielsweise durch das Streichen eines Bogens über die Saite einer Geige, das Schlagen eines Hammers auf eine Seite eines Klaviers oder das Anblasen eines Blättchens eines Saxophons. In einem zweiten Schritt werden in einem oder mehreren Resonatoren Teile des angeregten Frequenzspektrums gezielt verstärkt oder gedämpft. Der oder die Resonatoren bestimmen dabei typischerweise die Grundfrequenz der einzelnen Töne. Die Resonatoren können konstante oder variable Eigenschaften besitzen. Beispiele für Resonatoren der oben genannten Musikinstrumente sind die Saiten der Geige, deren effektive Länge im Sinne eines Resonators mit variablen Eigenschaften durch den Geigenspieler kontinuierlich variiert werden kann, die Saiten des Klaviers, deren Länge typischerweise unveränderlich ist, so dass von einem Resonator mit konstanten Eigenschaften gesprochen werden kann, und die Luftsäule des Saxophons, deren Länge durch das Schließen/Öffnen von in vorbestimmten Abständen angeordneten Klappen des Saxophons verändert werden kann, so dass ebenfalls ein Resonator mit variablen Eigenschaften vorliegt. In einem dritten Schritt wird dann die mittels der Anregung in das Instrument eingebrachte Schwingungsenergie, deren Frequenzanteile im Resonator gezielt verstärkt/gedämpft worden sind, mit einem Schallwandler an die umgebende Luft abgegeben. Als Schallwandler wirkt dabei der Resonanzkörper der Geige, der Resonanzboden des Klaviers oder der Trichter des Saxophons.
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Die oben beschriebenen Beispiele für Schallwandler sorgen regelmäßig nicht nur für eine Übertragung der Schwingungen an die umgebende Luft, sondern beeinflussen auch wesentlich den individuellen Klangcharakter eines Instruments. Auch ungeschulte Menschen können typischerweise den Klang einer Violine vom Klang einer Bratsche unterscheiden, obwohl sich die Instrumente im Wesentlichen nur durch die Größe der Resonanzkörper unterscheiden. Es kann daher auch von einem Klangwandler gesprochen werden.
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Im Fall eines elektrischen Musikinstruments, z.B. einer E-Geige, einer E-Gitarre oder einem E-Bass, kann dabei die Kette aus Tonabnehmer, Verstärker und Lautsprecher als Klangwandler angesehen werden.
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Häufig umfasst diese Kette wenigstens eine einstellbare Analogschaltung, mit welcher der Klang beeinflusst werden kann. Beispiele für solche Analogschaltung sind der Gain-Regler eines analogen Gitarrenverstärkers und/oder der Tone-Stack eines analogen Gitarrenverstärkers und/oder ein Verzerrerpedale. Manchmal wird er Tone-Stack auch als Equalizer bezeichnet. Die Analogschaltung kann auch Topologien mit mehreren parallelen Signalwegen umfassen. Der Gain-Regler ist am Eingang des analogen Gitarrenverstärkers vorgesehen und dient zum benutzerseitigen Einstellen das Pegels des Eingangssignals des analogen Gitarrenverstärkers und damit insbesondere des Verzerrungsgrades des nachfolgend angeordneten analogen Gitarrenverstärkers.
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Zunehmend nutzen Musiker digitale Nachbildungen analoger Referenzklangwandler. Ein beispielhaftes Verfahren zum Anpassen eines (digitalen) Klangwandlers an einen Referenzklangwandler ist in der
DE 10 2019 005 855 B4 beschrieben.
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Das aus der
DE 10 2019 005 855 B4 bekannte Verfahren ermöglicht es einem Benutzer einen Klangwandler automatisiert an einen Referenzklangwandler anzupassen, ohne dass technische Vorkenntnisse über die analogen (Teil-) Schaltungen des Referenzklangwandlers nötig sind.
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Ein solches Anpassen ohne Detailkenntnisse des Referenzklangwandlers kann auch als Grey Box Modelling bezeichnet werden und ist in der Praxis auch als „Profiling“ oder „Capturing“ bekannt.
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Mittels Profiling angepassten Klangwandlern wird eine hohe klangliche Authentizität nachgesagt, da sie den Klangcharakter von spezifischen Referenzklangwandlern nachbilden. Insbesondere wird beim Profiling implizit berücksichtigt, dass die Bauteile von Referenzklangwandlern in ihren Eigenschaften Streuungen unterliegen. Demzufolge können zwei Referenzklangwandler des gleichen Typs unterschiedliche Klangeigenschaften haben.
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Trotz der erzielbaren hohen klanglichen Authentizität scheuen Benutzer regelmäßig den mit einem Profiling bei jeder möglichen Einstellung eines Referenzklangwandlers mit einer einstellbaren Analogschaltung einhergehenden Aufwand.
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Hiervon ausgehend besteht folglich Bedarf an einem praktikablen Verfahren zum Anpassen eines Klangwandlers an einen Referenzklangwandler bei einer Zieleinstellung einer Analogschaltung eines Referenzklangwandlers sowie an einem korrespondierenden Klangwandler.
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Erfindungsgemäß wurde diesem Bedarf mit dem Verfahren gemäß Hauptanspruch und dem Klangwandler gemäß Nebenanspruch entsprochen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Anpassen eines Klangwandlers an einen Referenzklangwandler bei einer Zieleinstellung einer Analogschaltung des Referenzklangwandlers, wobei der Klangwandler eine Klangübertragungsfunktion aufweist, wobei die Analogschaltung durch eine Analogfunktion digital modelliert wird, wobei bei einer Ursprungseinstellung der Analogschaltung Parameter der Klangübertragungsfunktion des Klangwandlers an den Referenzklangwandler angepasst werden, wobei vor oder nach der Klangübertragungsfunktion eine zur Analogfunktion inverse Analogfunktion mit der Ursprungseinstellung entsprechenden Ursprungsanalogparametern und die Analogfunktion mit der Zieleinstellung entsprechenden Zielanalogparametern angewendet werden.
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Bauteilstreuungen, welche eine Änderung des Verhaltens der Analogschaltung in Abhängigkeit der Einstellung der Analogschaltung bewirken, fallen gegenüber Bauteilstreuungen, welche das Verhalten bei einer Analogschaltung bei vordefinierten Einstellung gegenüber einer anderen Analogschaltung bei der gleichen vordefinierten Einstellung ändern, weniger ins Gewicht, so dass deren fehlende Berücksichtigung bei der digitalen Modellierung durch die Analogfunktion im Hinblick auf die Anpassung des Klangwandlers an den Referenzklangwandler vernachlässigbar ist. In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die Klangübertragungsfunktion eine nichtlineare Klangübertragungsfunktion ist.
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Insbesondere kann die nichtlineare Klangübertragungsfunktion einem Frequenzgang entsprechen, welcher sich aus der Kombination eines ersten Frequenzgangs einer ersten lineare Übertragungsfunktion, eines zweiten Frequenzgangs einer zweiten lineare Übertragungsfunktion und eine zwischen die erste und zweite lineare Übertragungsfunktion geschaltete nichttriviale Nichtlinearität ergibt.
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Bei der Ursprungseinstellung der Analogschaltung können die Parameter der Übertragungsfunktion des Klangwandlers an den Referenzklangwandler mittels eines deterministischen Verfahrens angepasst werden.
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Es ist ebenfalls denkbar, bei der Ursprungseinstellung der Analogschaltung, die Parameter der Übertragungsfunktion des Klangwandlers an den Referenzklangwandler mittels maschinellen Lernens anzupassen.
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Vorgeschlagen wird weiter ein Klangwandler, wobei der Klangwandler Mittel zur Durchführung eines der vorstehenden Verfahren aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt schematisch:
- 1 eine Darstellung einer Musikwiedergabe mit einem Klangwandler;
- 2 eine Darstellung einer Musikwiedergabe mit einem Referenzklangwandler;
- 3 ein Ablaufdiagramm zur Anpassung des Klangwandlers an den Referenzklangwandler.
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Der in der 1 gezeigte Klangwandler 100 hat einen Eingang 101 für ein Eingangssignal und einen Ausgang 102 für ein Ausgangssignal. Als Eingangssignal des Klangwandlers 100 kann beispielsweise das Signal eines Tonabnehmers einer E-Gitarre141 verwendet werden. Das Ausgangssignal des Klangwandlers 100 kann, ggf. nach einer Verstärkung, über einen Lautsprecher 142 als Schallsignal ausgegeben werden, so dass die Zuhörer 150 die Gitarrenmusik wahrnehmen können. Mittels des Klangwandlers 100 kann folglich der über den Lautsprecher 142 wiedergegebene Klang beeinflusst werden.
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Der Klangwandler 100 weist einen Drehknopf 103 auf, mit welchem eine Zieleinstellung vorgegeben werden kann, welche einer Zieleinstellung einer Analogschaltung eines Referenzklangwandlers entspricht.
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2 zeigt ein Beispiel eines Referenzklangwandlers 200. Das Signal eines Tonabnehmers der E-Gitarre 141 wird zunächst mittels eines Gain-Reglers 203 vorverstärkt und dann dem Eingang 201 eines analogen Gitarrenverstärkers 221 zugeführt. Dieser verstärkt das Signal, welches dann über einen Lautsprecher des Gitarrenverstärkers 221 angeben, von einem vor dem Lautsprecher platzierten Mikrofon 222 nochmal aufgenommen und im Anschluss über einen Lautsprecher 142 wiedergegeben wird, so dass die Zuhörer 150 die Musik genießen können.
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Ein Gain-Regler 203 weist typischerweise ein Potentiometer, welches als Spannungsteiler beschaltet ist, sowie oftmals zusätzlich einen Kondensator auf, welcher den Eingang des Potentiometers mit dem Schleifer bzw. dem Ausgang des Potentiometers verbindet.
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Die Analogschaltung in Form des Gain-Reglers 203 liegt am Eingang 201 des analogen Gitarrenverstärkers 221 und dient zum benutzerseitigen Einstellen der Eingangspegels des analogen Gitarrenverstärkers 221 und folglich insbesondere des Verzerrungsgrades des analogen Gitarrenverstärkers. Die Verzerrung selbst erfolgt typischerweise in einer weiteren Verstärkerstufe des analogen Gitarrenverstärkers 221.
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Der gegebenenfalls vorhandene zusätzliche Kondensator, welcher auch Bright Cap genannt wird, kann einen Kurzschluss des als Spanungsteiler geschalteten Potentiometers für hohe Frequenzen bewirken. Eine Veränderung der Einstellung des Potentiometers führt folglich zu kaum eine Änderung des Signalpegels für hohe Frequenzen. Im Unterschied dazu, bewirkt eine Veränderung der Einstellung des Potentiometers für tiefe Frequenzen eine viel deutlichere Änderung des Signalpegels. Mit dem Potentiometer des Gain-Reglers 203 kann folglich nicht nur der Eingangspegel, sondern auch der Frequenzgang des Eingangssignals des analogen Gitarrenverstärkers 221 signifikant verändert werden.
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Der Gain-Regler 203 beeinflusst den Frequenzgang typischer bei jeder Einstellung. Eine Ausnahme ist im Regelfall die Maximalstellung, bei welcher der Kondensator kurzgeschlossen ist. Es gibt allerdings auch Gain-Regler, bei welchen auch bei Maximalstellung des Gain-Reglers der Frequenzgang merklich beeinflusst wird.
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Andere Analogschaltungen eines Referenzklangwandlers, z.B. der Equalizer eines analogen Gitarrenverstärkers, welcher auch Tonestack genannt wird, beeinflussen den Frequenzgang typischerweise in jeder Einstellung.
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In der 3 ist beispielhaft ein Flussdiagramm zur Illustration eines Verfahrens zum Anpassen eines Klangwandlers an einen Referenzklangwandler bei einer Zieleinstellung einer Analogschaltung des Referenzklangwandlers dargestellt, wobei der Klangwandler eine Klangübertragungsfunktion aufweist.
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In Ausführungsbeispielen kann die Analogschaltung dem oben beschriebenen Gain-Regler entsprechen. Grundsätzlich kann die Analogschaltung auch Equalizer umfassen. Die Analogschaltung wird durch eine Analogfunktion digital modelliert (Schritt 310).
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Beispielsweise kann die oben beschriebene Analogschaltung eines Gain-Reglers durch eine Analogfunktion digital modelliert werden. Beispielsweise kann der Gain-Regler durch einen digitalen Pegelsteller sowie einen vor- oder nachgeschalteten einpoligen Shelvingfilter nachgebildet werden. Die Parameter des Shelvingfilters können von der Position des digitalen Pegelstellers abgeleitet werden. Alternativ ist es denkbar, den digitalen Pegelsteller auch mit Parametern des Shelvingfilters zu verrechnen.
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Bei einer Ursprungseinstellung der Analogschaltung werden Parameter der Klangübertragungsfunktion an den Referenzklangwandler angepasst (Schritt 320).
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Die Anpassung der Klangübertragungsfunktion an den Referenzklangwandler bei der Ursprungseinstellung der Analogschaltung kann auf verschiedene Art und Weisen erfolgen. Es kann sowohl mit deterministischen Verfahren auch mittels maschinellen Lernens durchgeführt werden. Deterministische Verfahren zur Anpassung einer Klangübertragungsfunktion sind beispielsweise aus der
DE 10 2019 005 855 B4 und der
US 11 164 551 B2 bekannt.
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Die Klangübertragungsfunktion kann komplexe Netzwerke aus Filtern und Nichtlinearitäten, welche in Reihe oder parallel geschaltet sind, umfassen. Die Position der Analogfunktion kann im Signalfluss vorn oder hinter der Klangübertragungsfunktion, allerdings auch parallel zur Klangübertragungsfunktion angeordnet sein. Hier sei angemerkt, dass sich Analogfunktionen an beliebiger Stelle im Netzwerk befinden können, also auch parallel zu Teilen der Klangübertragungsfunktion, und das auch seriell kombiniert mit anderen Teilen der Klangübertragungsfunktion.
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Typischerweise wird die Ursprungseinstellung der Analogschaltung von einem Benutzer vorgegeben. Die Wahl der Ursprungseinstellung kann dabei nach technischen und/oder künstlerischen Kriterien erfolgen. Bei vielen Equalizer-Schaltungen kann die Wahl der Mittelstellung als Ursprungseinstellung vorteilhaft sein. Sie kann vom Benutzer häufig sehr leicht und präzise eingestellt werden. Bei einem Gain-Regler kann die Wahl der Maximalstellung als Ursprungseinstellung vorteilhaft sein, da auf diesem Weg bei der Anpassung der Klangübertragungsfunktion die Eigenschaften des Referenzklangwandlers besonders präzise ermittelt werden können.
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Es ist denkbar, die Ursprungseinstellung der Analogschaltung später aus den Parametern der angepassten Klangübertragungsfunktion zu ermitteln. Wie oben beschrieben wurde, beeinflusst die Stellung eines Gain-Reglers üblicher Weise nicht nur den Pegel eines Referenzklangwandlers, sondern auch den Frequenzgang. Über eine geeignete gewichtete Pegelmessung des Frequenzgangs kann folglich unter Berücksichtigung einer Analogfunktion, welche die Analogschaltung digital modelliert, die Ursprungseinstellung des Gain-Reglers ermittelt werden.
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Anschließend wird vor oder nach der Klangübertragungsfunktion eine zur Analogfunktion inverse Analogfunktion mit der Ursprungseinstellung entsprechenden Ursprungsanalogparameter und die Analogfunktion mit der Zieleinstellung entsprechenden Zielanalogparametern angewendet (Schritt 330).
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Bei Ursprungseinstellung kann daher eine möglichst hohe Klangneutralität erreicht werden. Dies kann es vereinfachen mehrere Analogschaltungen eines Referenzklangwandlers durch mehrere Analogfunktionen nachzubilden, wobei bei Ursprungsanalogparametern der mehreren Analogfunktionen die Klangneutralität im Wesentlich erhalten bleibt. Diese Analogfunktionen können der Klangübertragungsfunktion bei der Ursprungseinstellung, insbesondere dem Profil des Klangwandlers, jeweils einzeln oder gemeinsam angefügt werden oder von diesem entfernt werden, ohne dass die Klangübertragungsinformation bei der Ursprungseinstellung neu ermittelt werden muss.
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Im Fall eines Gain-Reglers kann folglich auf das Tonabnehmersignal zunächst ein digitaler Pegelsteller, d.h. ein digitales Modell des Potentiometers, mit Zielparametern, die der (gewünschten) Zieleinstellung des Potentiometers des Gain-Reglers entsprechen, angewendet werden.
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Ein Shelvingfilter mit Zielparametern, welcher der Zieleinstellung des Potentiometers entsprechen, wird auf das Signal angewendet werden. Der Shevlingfilter kann dabei insbesondere den durch den Bright-Cap-Kondensator beeinflussten Frequenzgang digital modellieren.
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Weiter wird ein inverser Pegelsteller auf das Signal angewendet. Die Parameter des inversen Pegelstellers entsprechend dabei der Ursprungseinstellung, mit welcher der Klangwandler an den Referenzklangwandler angepasst worden ist.
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Schließlich wird ein inverser Shelvingfilter mit Parametern, welche der Ursprungseinstellung auf das Signal angewendet.
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Die inverse Analogfunktion, welche aus inversem Pegelsteller und inversem Shelvingfilter gebildet wird, kann dabei den Einfluss der Analogschaltung auf die Klangübertragungsfunktion bei der Ursprungseinstellung des Referenzklangwandlers egalisieren, während die Analogfunktion selbst die Einstellung eines der Analogschaltung entsprechenden Effektes durch den Benutzer ermöglicht.
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Bevorzugt werden die Analogfunktion und die inverse Analogfunktion vor der Klangübertragungsfunktion angewendet, wenn die Analogschaltung am Eingang des Referenzklangwandlers angeordnet ist, und nach der Klangübertragungsfunktion angewendet, wenn die Analogschaltung am Ausgang des Referenzklangwandlers angeordnet ist. Grundsätzlich wird die Analogfunktion an der Stelle angewendet, an welcher auch die Analogschaltung im Signalfluss des Referenzwandlers angeordnet ist. Dies kann beispielsweise auch eine Anordnung parallel zur Klangübertragungsfunktion oder Teilen der Klangübertragungsfunktion umfassen.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es Einstellmöglichkeiten wie sie bei herkömmlichen Referenzklangwandlern, insbesondere analogen Gitarrenverstärkern gegeben sind, insbesondere die Intensität der Verzerrung durch einen am Eingang des analogen Gitarrenverstärkers vorgesehenen Gain-Regler oder allgemeine Einstellmöglichkeiten des Frequenzgangs, eingangsseitig oder ausgangsseitig, durch einen digitalen Klangwandler abzubilden.
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im Unterschied zu einem klassischen Modeling, welches sich nur auf den digitalen Nachbau einer generischen analogen Schaltung beschränkt, ist es bei dem beschriebenen Verfahren nicht nur möglich, Bauteilstreuungen jedenfalls teilweise zu berücksichtigen. Es können zudem der Klangcharakter eines nachgeschalteten Gitarrenlautsprechers, eines oder mehrerer davor platzierter Mikrophone und des umgebenden Raumes eingefangen werden.
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Insbesondere die Platzierung und Mischung der Mikrophone kann einen großen Einfluss auf die Klangübertragungsfunktion haben und ein Ausdruck des künstlerischen Schaffens sein. Dieser Aspekt kann die Klangübertragungsfunktion zu einem künstlerisch sehr wertvollen Gut machen.
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Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist es typischerweise nicht erforderlich, den genauen Typ des Referenzschallwandlers (z.B. des analogen Gitarrenverstärkers oder eines Referenz-Effektgerätes) zu kennen. Insbesondere lassen sich praktisch alle Gitarrenverstärker und viele Verzerrerpedale auf eine einfache Grundstruktur reduzieren, welche zwei lineare Übertragungsfunktionen (Filter) mit einer dazwischenliegenden nichttrivialen Nichtlinearität umfassen.
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Es ist denkbar bei dem bekannten Verfahren, die Parameter der Klangübertragungsfunktion des Klangwandlers an den Referenzklangwandler bei einer Ursprungseinstellung von dessen Analogschaltung anzupassen, bevor die Analogschaltung durch eine Analogfunktion digital modelliert wird. Letzteres kann zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen, wobei kein Zugriff mehr auf den Referenzklangwandler benötigt wird.
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Insbesondere kann es möglich sein, die digital modellierte Analogfunktion später noch klanglich zu optimieren.
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Die digital modellierte Analogfunktion kann auch als differenzielles Modell bezeichnet werden. Das differenzielle Model muss lediglich diejenigen Teile der analogen Schaltung nachbilden, welche durch den Benutzer z.B. über Schalter und Potentiometer verändert werden können. Diejenige Schaltungsteile, welche in ihrer Eigenschaft konstant bleiben, sind üblicherweise in der Überzahl und können bereits bei der Anpassung der Klangübertragungsfunktion an den Referenzklangwandler bei der Ursprungseinstellung der Analogschaltung berücksichtigt werden. Dies kann den Entwicklungsaufwand für das differenzielle Modeling erheblich reduzieren.
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Das differenzielle Modell in mehrere Teile gegliedert werden, welche jeweils nur einzelne Aspekte der Analogschaltung nachbilden.
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Bevorzugt ist das differenzielle Models so gewählt, dass es möglichst klangneutral, insbesondere absolut klangneutral, ist, wenn die benutzerseitigen Einstellmöglichkeiten des Modells identisch gesetzt zu den Ursprungseinstellungen (engl. Default Settings oder Default Values) des Referenzklangwandlers sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019005855 B4 [0006, 0007, 0032]
- US 11164551 B2 [0032]
