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Die Erfindung betrifft eine Klangsignal-Syntheseeinrichtung
und Verfahren zum rechnergestützten
Bilden eines Klangsignals.
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Zum rechnergestützten Bilden eines Klangsignals,
insbesondere zum Erzeugen eines Schlagzeug-Klangsignals wird oftmals
ein Musiksynthesizer eingesetzt. Das Schlagzeug-Klangsignal wird
in diesem Fall unter Verwendung von Sound-Samples erzeugt. Der Einsatz
von Sound-Samples führt
zu einem großen
Speicherbedarf in dem Musiksynthesizer.
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Ferner ist zum Erzeugen eines Klangsignals die
so genannte subtraktive Synthese (vergleiche [1]) bekannt, bei der
das Klangsignal mittels eines bereitgestellten Breitbandsignals
und eines darauf angewendeten parametrierten Filters gebildet wird.
Bei der subtraktiven Synthese besteht das Problem, dass ein Filter-Parametersatz
nur für
eine bestimmte Abtastfrequenz des erzeugten Breitbandsignals gültig ist.
Dies bedeutet, dass bei frei einstellbarer Abtastfrequenz in dem
Musiksynthesizer für
jede mögliche
Abtastfrequenz eigene Filter-Parameter vorgegeben werden müssen, was
den Speicherbedarf ebenfalls erheblich erhöht.
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Ferner ist die so genannte FM-Synthese (Frequenzmodulations-Synthese) bekannt
(vergleiche [2]), mittels der die rauschhaften Signalanteile unter
Ausnutzung von so genannten Aliasing-Effekten zwar angenähert werden;
ein gezieltes Erzeugen von weißem
Rauschen oder rosa Rauschen ist jedoch mittels der FM-Synthese nicht
möglich.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, rechnergestützt ein
Klangsignal zu bilden, wobei die Signalsynthese mit einem gegenüber dem
Stand der Technik reduzierten Speicherplatzbedarf auskommt.
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Das Problem wird durch die Klangsignal-Syntheseeinrichtung
und das Verfahren zum rechnergestützten Bilden eines Klangsignals
mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Eine Klangsignal-Syntheseeinrichtung
weist eine FM-Syntheseeinheit
zum Erzeugen eines FM-Teilsignals eines Klangsignals auf. Ferner
ist eine Subtraktiv-Syntheseeinheit zum Erzeugen eines rauschhaften
Teilsignals des Klangsignals vorgesehen, wobei die Subtraktiv-Syntheseeinheit
eingerichtet ist zur Durchführung
einer subtraktiven Klangsynthese. Eine ebenfalls vorgesehene Zusammenführeinheit
ist mit der FM-Syntheseeinheit
und der Subtraktiv-Syntheseeinheit gekoppelt, so dass die Zusammenführeinheit
eingangsseitig das von der FM-Syntheseeinheit erzeugte FM-Teilsignal
sowie das von der Subtraktiv-Syntheseeinheit erzeugte rauschhafte
Teilsignal empfängt
und zusammenführt zu
dem Klangsignal.
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Bei einem Verfahren zum rechnergestützten Bilden
eines Klangsignals wird ein FM-Teilsignal des Klangsignals mittels
einer FM-Syntheseeinheit erzeugt. Ein rauschhaftes Teilsignal des
Klangsignals wird mittels einer Subtraktiv-Syntheseeinheit, welche eingerichtet
ist zur subtraktiven Synthese, erzeugt. Anschließend werden das FM-Teilsignal
und das rauschhafte Teilsignal zu dem Klangsignal zusammengeführt.
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Mittels der Erfindung kann auf sehr
effiziente Weise, d.h. mit gegenüber
dem Stand der Technik erheblich reduziertem Rechenzeitbedarf und
Speicherplatzbedarf ein von einer gewünschten Abtastfrequenz unabhängiges Klangsignal
erzeugt werden.
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Anschaulich kann die Erfindung darin
gesehen werden, dass eine sehr effiziente Realisierung eines Klanggenerators
für die
Synthese von einem Klangsignal insbesondere von Schlagzeug- und
Perkussionsklängen
basierend auf der Kombination von Frequenzmodulations-Synthese und
einfacher subtraktiver Synthese geschaffen wurde.
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Somit ist erfindungsgemäß die verwendete Abtastfrequenz
frei wählbar.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere
für die
Synthese von einem Schlagzeug-Klangsignal oder eines Perkussions-Klangsignals unter
Verwendung eines digitalen Signalprozessors, allgemein einer beliebigen
Prozessoreinheit, in dem die Synthese-Einrichtung bzw. das Verfahren
implementiert sind.
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Andere bevorzugte Einsatzgebiete
der Erfindung sind die Erzeugung von Klingeltönen oder Warteschleifen-Musikstücken in
einem Mobilfunktelefon oder auch in einem Festnetztelefon, softwarebasierte MIDI-Synthesizer
für unterschiedliche
tragbare Geräte
etc.
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Die Erfindung kann sowohl in Software,
d.h. mittels eines Computerprogramms, in Hardware, d.h. mittels
einer speziellen elektronischen Schaltung oder in beliebig hybrider
Form, d.h. mittels Softwarekomponenten und Hardwarekomponenten,
realisiert werden.
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Die Erfindung bietet ferner die Vorteile,
dass nur wenig Parameter erforderlich sind und eingestellt werden
müssen,
und dennoch sehr viele gängige Schlagzeug-Instrumente
parametrisiert werden können
und die entsprechenden Klangsignale erzeugt werden können.
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Ferner ist, wie oben beschrieben
wurde, die Erfindung unabhängig
von der Abtastfrequenz, so dass die Abtastfrequenz zur Laufzeit
programmierbar gehalten werden kann und somit veränderbar
eingerichtet ist und die Erfindung mit einem einzigen, von der Abtastfrequenz
unabhängigen
Parametersatz für jedes
zu parametrisierende Instrument auskommt.
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Ferner ist eine effiziente Softwareimplementierung
hinsichtlich des benötigten
Rechenzeitbedarfs und des benötigten
Speicherplatzbedarfs auf einem digitalen Signalprozessor, einem
Mikro-Controller oder auf einer anderen beliebigen Hardware möglich.
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Eine softwarebasierte Lösung auf
einem digitalen Signalprozessor oder auf einer Mikro-Controllerplattform
ist kostengünstiger
als eine zusätzlich benötigte Synthesizer-Hardware.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Die im Folgenden beschriebenen Ausgestaltungen
der Erfindung betreffen sowohl die Klangsignal-Syntheseeinrichtung
als auch das Verfahren zum rechnergestützten Bilden eines Klangsignals.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist
die FM-Syntheseeinheit
einen Modulator und einen Trägersignaloszillator
auf. Der Trägersignaloszillator
kann derart eingerichtet sein, dass er ein Trägersignal erzeugen kann bzw.
erzeugt, welches mindestens eine der folgenden Signalformen aufweist:
- – eine
Sinusform,
- – eine
Sägezahnform,
- – eine
Trapezform,
- – eine
Delta-Form, oder
- – eine
Rechteckform.
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Grundsätzlich ist anzumerken, dass
eine beliebig komplexe Frequenzmodulation mittels der FM-Syntheseeinheit
realisierbar ist und erfindungsgemäß eingesetzt werden kann.
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Bevorzugt ist die Subtraktiv-Syntheseeinheit derart
eingerichtet, dass sie wahlweise ein rauschhaftes Teilsignal gemäß einem
weißen
Rauschen und/oder ein rauschhaftes Teilsignal gemäß einem rosa
Rauschen (1/f-Rauschen) erzeugen kann.
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Das rauschhafte Teilsignal kann ein
Pseudo-Zufallssignal oder ein mittels linearer Kongruenz erzeugtes
Zufallssignal sein.
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Die Zusammenführeinheit kann als Addierer eingerichtet
sein, mit dem das FM-Teilsignal zu dem rauschhaften Teilsignal addiert
wird, womit das Klangsignal gebildet wird.
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In einer anderen Ausgestaltung der
Erfindung ist es vorgesehen, zwischen die Subtraktiv-Syntheseeinheit
und die Zusammenführeinheit eine
Filtereinheit zum Filtern des rauschhaften Teilsignals gemäß einer
vorgegebenen Filtervorschrift, insbesondere mittels eines Tiefpassfilters
einer vorgegebenen Grenzfrequenz, zwischenzuschalten. Die Filtereinheit
kann ein einzelnes Tiefpassfilter oder eine Mehrzahl kaskadierte
IIR-Tiefpassfilter (Infinite Input Response-Tiefpassfilter) aufweisen.
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Gemäß dieser Ausgestaltung der
Erfindung ist es auf sehr einfache Weise möglich, ein Weiß-Rauschsignal
in ein gut angenähertes
Rosa-Rauschsignal (1/f-Rauschsignal) umzuwandeln.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die
Filterkoeffizienten unabhängig
sind von der gewählten,
einstellbaren Abtastfrequenz. Vorzugsweise ist der oder sind die
Tiefpassfilter derart eingerichtet, dass die Bandbreite des Weiß-Rauschsignals
und/oder des Rosa-Rauschsignals auf die halbe Abtastfrequenz begrenzt
ist.
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Ferner kann die Klangsignal-Syntheseeinrichtung
einen oder mehrere ADSR-Hüllkurvengeneratoren
aufweisen, welcher eingangsseitig mit einem Ausgang der Frequenzmodulations-Syntheseeinheit und
einem Ausgang der Subtraktiv-Syntheseeinheit gekoppelt
ist, so dass in dem ADSR-Hüllkurvengenerator
das diesem jeweils zugeführte
Signal gemäß der ADSR-Hüllkurve
des/der ADSR-Hüllkurvengeneratoren
in seiner Signalform verändert
wird.
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Als ADSR-Hüllkurvengenerator kann grundsätzlich eine
mittels beliebiger Teilfunktionen gebildete ADSR-Kurve verwendet
werden, beispielsweise mittels linearer Teilkurven oder mittels
exponentieller Teilkurven, welche gemäß einer oder mehrerer Exponentialfunktionen
gebildet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Figur dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
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Die Figur zeigt ein Blockschaltbild
der Klangsignal-Syntheseeinrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Die Figur zeigt eine Klangsignal-Syntheseeinrichtung
100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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Die Klangsignal-Syntheseeinrichtung
100 weist eine Frequenzmodulations-Syntheseeinheit 101 und eine
Subtraktiv-Syntheseeinheit
136 auf.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die Klangspektren
vieler Schlaginstrumente sich aus einem Anteil mit nichtharmonischen
Teilton-Signalen und einem breitbandigen, rauschhaften Anteil zusammensetzen.
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Erfindungsgemäß wird die FM-Synthese mit einer
einfachen subtraktiven Synthese kombiniert, womit diese zwei Arten
von Spektralanteilen erzeugt werden.
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Die FM-Syntheseeinheit 101 weist
einen ersten Modulator 102 auf, mit dem ein sinusförmiges Signal
einer ersten Frequenz fm1 erzeugt wird.
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Das erste sinusförmige Signal 103,
dessen fixe Frequenz fm1 = fm1 multip1 ·f_midi_base_note 137 ist
und das vom Modulatoroszillator 102 erzeugt wird, wird
mit einem vorgegebenen Modulationsindex I1 mittels eines Multiplizierers 104 multipliziert
und das somit erzeugte Signal 105 wird mit der konstanten
Trägerfrequenz
fc1 = f_midi_base_note 107 addiert und dann einem Trägeroszillator 106 zugeführt, so
dass ein frequenzmoduliertes Signal 108 an dem Ausgang
der FM-Syntheseeinrichtung 101 erzeugt wird.
Die Größe von I1
bestimmt die Bandbreite (Anzahl der Teiltöne) des erzeugten FM-Signals.
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Ferner ist ein erster ADSR-Hüllkurvengenerator 109,
welcher eingerichtet ist für
die FM-Syntheseeinheit 101, vorgesehen.
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Mittels eines zweiten Multiplizierers 110,
welchem eingangsseitig das frequenzmodulierte Signal 108 und
ein von dem ersten AD5R-Hüllkurvengenerator 109 erzeugtes
erstes Hüllkurvensignal 111 zugeführt werden,
werden das frequenzmodulierte Signal 108 und das erste
Hüllkurvensignal 111 miteinander
multipliziert, womit ein FM-synthetisiertes Signal 112 erzeugt
wird.
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Mit der oben genannten mittels der
FM-Syntheseeinheit 101 durchgeführten FM-Synthese werden die
für viele
Schlaginstrumente typischen nichtharmonischen Teiltöne, d.h.
ein nichtharmonisches Teilsignal des Klangsignals, generiert. Es
ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass die Frequenzen des Modulatorsignals
und des Trägersignals
fest vorgebbar programmiert werden können. Ein nichtrationales Verhältnis zwischen
der Frequenz des Modulatorsignals mit der Frequenz fm1 und des Trägersignals
mit der Frequenz fc1 führen
zu nichtharmonischen Anteilen in dem FM-synthetisierten Klangsignal
112. Ganzzahlige Verhältnisse
liefern harmonische Spektren. Im vorliegenden Beispiel wird das
Verhältnis
zwischen fc1 und fm1 über
den Multiplikator fm1_multip1 eingestellt.
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Ferner ist anzumerken, dass auch
der Modulationsindex I1 mit einer ADSR-Hüllkurve multipliziert werden
könnte,
um so eine zeitliche Steuerung der Bandbreite des FM-Signals vorzunehmen.
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Anschaulich erfolgt die FM-Synthese
gemäß dem in
[2] beschriebenen Verfahren.
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Die Subtraktiv-Syntheseeinheit 136 weist eine
erste Rauschsignal-Erzeugungseinheit 113 und eine zweite
Rauschsignal-Erzeugungseinheit 114 auf.
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Die erste Rauschsignal-Erzeugungseinheit 113 ist
derart eingerichtet, dass sie ein erstes Rauschsignal r mit
der Charakteristik eines weißen Rauschens
erzeugt.
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Die zweite Rauschsignal-Erzeugungseinheit 114 ist
derart eingerichtet, dass sie ein zweites Rauschsignal 116 mit
der Charakteristik eines rosa Rauschens, d.h. mit einer Charakteristik
eines 1/f-Rauschens erzeugt.
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Ferner ist eine Schaltereinheit 117 vorgesehen,
mit der das erste Rauschsignal 115 und/oder das zweite
Rauschsignal 116 ausgewählt
werden kann/können
und an einem Ausgang der Subtraktiv-Syntheseeinheit 136 als
rauschhaftes Teilsignal 118 bereitgestellt werden kann/können.
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Ein zweiter ADSR-Hüllkurvengenerator 119 ist
vorgesehen zur Erzeugung eines zweiten Hüllkurvensignals 120,
welches in seinem Verlauf spezifisch vorgegeben sein kann für die subtraktive
Synthese.
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Der Ausgang des zweiten ADSR-Hüllkurvengenerators 119 ist
mit einem ersten Eingang eines dritten Multiplizierers 121 gekoppelt,
dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang der Subtraktiv-Syntheseeinheit 102 gekoppelt
ist.
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Damit werden das rauschhafte Teilsignal 118 und
das zweite Hüllkurvensignal 120 dem
dritten Multiplizierer 121 zugeführt und dort miteinander multipliziert
zu einem Subtraktiv-Synthesesignal 122.
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Mit der subtraktiven Synthese in
der Subtraktiv-Syntheseeinheit 102 werden
anschaulich die breitbandigen, rauschhaften Signalanteile des zu synthetisierenden
Klangsignals erzeugt und können somit
dem FM-synthetisierten Klangsignal 112 zugemischt werden.
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Anschaulich erfolgt die subtraktive
Synthese gemäß dem in
[1] beschriebenen Verfahren.
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Mittels eines Addierers 123 als
Zusammenführeinrichtung
werden das dem Addierer 123 an dessen ersten Eingang zugeführte FM-synthetisierte Signal 112 und
das dem Addierer 123 an dessen zweiten Eingang zugeführte Subtraktiv-Synthesesignal 122 addiert
zu einem Zwischensignal 124, welches einem ersten Eingang
eines vierten Multiplizierers 125 zugeführt wird.
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Einem zweiten Eingang des vierten
Multiplizierers 125 wird ein der Anschlagstärke (velocity) entsprechender,
gemäß einer
vorgegebenen Charakteristik gebildeter Gewichtungsfaktor 126,
welcher von einem Anschlagsstärkensignalgeber 127 erzeugt wird,
zugeführt.
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Das auf diese Weise bandbegrenzte
Signal 128 wird einem ersten Eingang eines fünften Multiplizierers 129 zugeführt, dessen
zweiter Eingang mit einem Ausgang einer Lautstärkesignal-Erzeugungseinheit 130 gekoppelt
ist, welche einen Lautstärkegewichtungsfaktor 131 gemäß einer
vorgegebenen Lautstärkecharakteristik
zur Einstellung der Amplitude des zu synthetisierenden Signals verwendet
wird.
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Das durch Multiplikation dieser beiden
Signale erzeugte Signal 132 wird in einer Lautsprechersignal-Aufteilungseinrichtung 133 gemäß vorgegebenen
Kriterien in ein erstes synthetisiertes Teil-Klangsignal 134 und
ein zweites synthetisiertes Teil-Klangsignal 135 aufgeteilt,
wobei das erste synthetisierte Teil-Klangsignal 134 einem
ersten Lautsprecher-Ausgangspuffer (für den „rechten" Lautsprecher) zugeführt wird und das zweite synthetisierte
Teil-Klangsignal 135 einem zweiten Lautsprecher-Ausgangspuffer (für den „linken" Lautsprecher) zur
Ausgabe der Teil-Klangsignale 134, 135 auf zwei
unterschiedliche Lautsprecher, womit eine Stereo-Ausgabe des synthetisierten
Signals möglich
ist.
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Die Analyse vieler natürlicher
Schlaginstrumente zeigt, dass insbesondere weißes oder rosa Rauschen die
breitbandigen Rauschanteile bestimmt.
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Die erfindungsgemäße Subtraktiv-Syntheseeinrichtung 136 kann
in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung einen Generator
zum Erzeugen eines Rauschsignals mit der Charakteristik eines weißen Rauschens
aufweisen und dieser nachgeschaltet sein kann wahlweise eine Filterbank
mit einer Mehrzahl kaskadierter IIR-Tiefpassfiltern, die das weiße Rauschen
in ein gut angenähertes
rosa Rauschen umwandeln. Die Filterkoeffizienten sind unabhängig von
der gewählten,
einstellbaren Abtastfrequenz. Die Bandbreite des weißen und rosa
Rauschens ist erfindungsgemäß auf die
halbe Abtastfrequenz begrenzt.
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Mittels der ADSR-Hüllkurvengeneratoren 109, 119 wird
der jeweilige zeitliche Verlauf des FM-Signalanteils oder des Rauschanteils
bestimmt.
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Mit der Erfindung können auf
einfache Weise eine Vielzahl unterschiedlicher Schlaginstrumente, beispielsweise
Schlagzeug und Perkussion, parametriert werden. Der Parametersatz
für ein
nachzubildendes Instrument kann unabhängig von der frei wählbaren
Abtastfrequenz gehalten werden.
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Anzumerken ist noch, dass die Erfindung auch
zur Erzeugung anderer Klänge
als nur der von Schlaginstrumenten geeignet ist. Der Rauschanteil kann
beispielsweise zur Modellierung von Anblasgeräuschen von Blechblasinstrumenten
herangezogen werden.
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In diesem Dokument sind folgende
Veröffentlichungen
zitiert:
- [1] Charles Dodge, Thomas A. Jerse. Computer Music:
Synthesis, Composition and Performance. P. Schirmer Books NY 1997.
P.169 ff..
- [2] John Chowning. The Synthesis of Complex Audio Spectra by
Means of Frequency Modulation. Journal of the Audio Engineering
Society, 21(7), 1973, pp. 526 – 534.
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- 100
- Klansignal-Syntheseeinrichtung
- 101
- FM-Syntheseeinheit
- 102
- Modulatorsignaloszillator
- 103
- Signal
- 104
- Erster
Multiplizierer
- I1
- Modulationsindex
- 105
- mit
I1 und fm1 (137) gewichtetes Modulatorsignal
- 106
- Trägersignaloszillator
- 107
- Trägerfrequenz
- 108
- FM-Signal
- 109
- Erster
ADSR-Hüllkurvengenerator
- 110
- Zweiter
Multiplizierer
- 111
- Erstes
Hüllkurvensignal
- 112
- FM-synthetisiertes
Signal
- 113
- Erste
Rauschsignal-Erzeugungseinheit
- 114
- Zweite
Rauschsignal-Erzeugungseinheit
- 115
- Erstes
Rauschsignal
- 116
- Zweites
Rauschsignal
- 117
- Schalter
- 118
- Rauschhaftes
Teilsignal
- 119
- Zweiter
ADSR-Hüllkurvengenerator
- 120
- Zweites
Hüllkurvensignal
- 121
- Dritter
Multiplizierer
- 122
- Subtraktiv-Synthesesignal
- 123
- Addierer
- 124
- Zwischensignal
- 125
- Vierter
Multiplizierer
- 126
- Anschlagsstärkesignal
(velocity)
- 127
- Anschlagsstärke-Erzeugungseinheit
- 128
- Signal
- 129
- Fünfter Multiplizierer
- 130
- Lautstärkensignal-Erzeugungseinheit
- 131
- Lautstärkensignal
- 132
- Klangsignal
- 133
- Klangsignal-Aufteilungseinheit
- 134
- Erstes
Klang-Teilsignal
- 135
- Zweites
Klang-Teilsignal
- 136
- Subtraktiv-Syntheseeinheit
- 137
- Modulationsfrequenz
fm1