DE10302150B4

DE10302150B4 - Syntheseverfahren und -Vorrichtung

Info

Publication number: DE10302150B4
Application number: DE2003102150
Authority: DE
Inventors: Ansgar Adamietz; Rainer Brehm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2023-01-22
Also published as: DE10302150A1; AU2003292076A8; AU2003292076A1; WO2004066260A2; WO2004066260A3

Abstract

Musiksyntheseverfahren, aufweisend die Verfahrensschritte:
– Generieren eines phasenmodulierten Signals (14) mit Hilfe eines ersten Oszillators (2), und
– Generieren eines synthetisierten Signals (15) in einem Wavetable-Oszillator (11) aus dem phasenmodulierten Signal (14) durch Abtastratenwandelung eines in der Wavetable (12) des Wavetable-Oszillators (11) gespeicherten Signals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Syntheseverfahren bzw. eine Synthesevorrichtung, insbesondere zur Musiksynthese.
Derartige Verfahren bzw. Vorrichtungen finden unter Anderem in Endgeräten wie beispielsweise Mobilfunk-Endgeräten der dritten Generation, Anwendung.

Ein bekanntes Musiksyntheseverfahren ist die Musiksynthese mit Hilfe von parametrierbaren phasenmodulierten Oszillatoren, welche auch als FM (Frequency Modulation)-Synthese bekannt ist. Bei diesen Musiksyntheseverfahren wird nur wenig Speicher benötigt, da nur einfache Wellenformen (zum Beispiel Sinus, Dreieck oder Rechteck) für die Klangsynthese benutzt werden. Diese Wellenformen können in einem preisgünstigen ROM (Read Only Memory)-Speicher abgelegt werden, da sie sich nicht verändern. Nachteilig bei diesem Musiksyntheseverfahren ist jedoch, dass viele Instrumente, wie beispielsweise Klavier oder Streichinstrumente, nur in schlechter Qualität nachgebildet werden können.

Ein anderes bekanntes Musiksyntheseverfahren ist die sogenannte "Wavetable-Synthese". Dabei werden Wellentabellen, sogenannte "Wavetables", in Speicher abgelegt, die meist von echten Instrumenten aufgenommen wurden. Die Wavetable-Synthese wird beispielsweise in der Sound Font-Technical Specification-Version 2.01, 23. Juli 1998, der Firma Sound Font oder der "Downloadable Sounds Level 1", Version 1.1a, 1999, von "The MIDI Manufacturers Association", Los Angeles, beschrieben. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es sehr viel Speicher benötigt.

Ein weiteres Musiksyntheseverfahren ist aus der DE 691 30 339 T2 bekannt.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Syntheseverfahren, eine Synthesevorrichtung bzw. ein Endgerät zur Durchführung eines dieser Verfahren bereitzustellen, welche eine mindestens ausreichende Synthesequalität bei verringertem Speicherbedarf bereitstellt.

Diese Aufgabe wird durch ein Musiksyntheseverfahren, eine Musiksyntheseeinrichtung bzw durch ein Endgerät nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Das erfindungsgemäße Syntheseverfahren, insbesondere Musiksyntheseverfahren, weist die Verfahrensschritte

– Generieren eines phasenmodulierten Signals mit Hilfe eines ersten Oszillators, und
– Generieren eines synthetisierten Signals in einem Wavetable-Oszillator aus dem phasenmodulierten Signal durch Abtastratenwandlung eines in der Wavetable des Wavetable-Oszillators gespeicherten Signals,

auf.

Die erfindungsgemäße Synthesevorrichtung, insbesondere Musiksynthesevorrichtung, weist

– einen ersten Oszillator zum Generieren eines phasenmodulierten Signals, und
– einen Wavetable-Oszillator zum Generieren eines synthetisierten Signals aus dem phasenmodulierten Signal durch Abtastratenwandlung eines in der Wavetable des Wavetable-Oszillators gespeicherten Signals,

auf.

Bei der vorliegenden Erfindung werden das Verfahren der Synthese mit phasenmodulierten Oszillatoren und die Wavetable-Synthese in äußerst vorteilhafter Weise kombiniert, wobei der Speicherbedarf drastisch reduziert wird, ohne die Klangqualität deutlich zu reduzieren. Grundelement ist der Wavetable-Oszillator. Um andere Frequenzen als die aufgenommenen zu erzeugen, wird die Abtastrate mit einem geeigneten Interpolationsverfahren gewandelt. Geeignet dafür ist beispielsweise eine lineare Interpolation, jedoch sind auch andere Interpolationsverfahren denkbar. Um den Einschwingvorgang darzustel len, wird die Phase des Wavetable-Oszillators von dem ersten Oszillator (Modulator) moduliert.

Bevorzugt wird das Ausgangssignal des Wavetable-Oszillators mit einer Hüllkurve beaufschlagt. Dies erfolgt bevorzugt mit Hilfe eines Hüllkurven-Generators, so dass die Hüllkurve des Wavetable-Oszillators programmierbar ist.

Weiter bevorzugt wird in der Wavetable ausschließlich ein zu wiederholendes Segment gespeichert. Der Speicherbedarf wird dadurch reduziert, indem die Einschwingphase des Instruments nicht in der Wavetable abgespeichert wird. In der Wavetable wird das zu wiederholende Segment abgespeichert, das normalerweise für den Ausklingvorgang verwendet wird.

In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird das zu wiederholende Segment kurz gehalten. Denkbar ist, dass das Segment beispielsweise nur eine vollständige Grundwelle der aufgenommenen Frequenz beträgt.

Weiter bevorzugt wird das Ausgangssignal des ersten Oszillators mit einer Hüllkurve beaufschlagt. Diese Beaufschlagung mit einer Hüllkurve kann mit Hilfe eines Hüllkurven-Generators erfolgen, so dass die Hüllkurve des ersten Oszillators programmierbar ist.

In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann der erste Oszillator auch rauschhafte Signale erzeugen. Es kann sich dabei beispielsweise um einen rückgekoppelten Oszillator handeln.

In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird das Eingangssignal des ersten Oszillators mit einer Konstante multipliziert. Dadurch können komplexere Wellenformen oder auch rauschhafte Signale produziert werden.

In einer anderen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird in dem Wavetable-Oszillator die zu produzierende Frequenz des synthetisierten Signals in eine Schrittweite für die Wavetable umgerechnet, und bei jeder Abtastung ein Index in die Wavetable durch Addieren der Schrittweite zum letzten Index berechnet. Der Wavetable-Oszillator ist folglich so aufgebaut, dass eine Phasenmodulation des produzierten Signals möglich ist. Bevorzugt wird zu dem letzten Index der Ausgangswert des ersten Oszillators addiert. Wichtig ist dabei eine geeignete Skalierung des Ausgangswerts, und dass der Ausgangswert sowohl positive als auch negative Werte annehmen kann.

In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Länge der Wavetable auf Zweierpotenzen begrenzt. Durch diese Limitierung der Wavetable kann die benötigte Rechengeschwindigkeit reduziert werden.

Der erzeugte Klang kann dadurch weiter verbessert werden, indem für verschiedene Tonbereiche verschiedene Wavetables verwendet werden. Beispielsweise kann ein Wavetable für hohe Töne und eine andere Wavetable für tiefe Töne verwendet werden. Weiter Verbesserungen ergeben sich dadurch, dass für jeden Tonbereich („Region") ein anderer Parametersatz für den Modulator verwendet wird, der auf die verwendete Wavetable abgestimmt ist.

Vorteilhaft bei der vorliegende Erfindung ist, dass durch unterschiedliche Modulationen Wavetables für mehrere Instrumente genutzt werden können. Beispielsweise kann eine Wavetable für eine Trompete und eine für Posaune benutzt werden. Dadurch wird Speicher gespart. Des Weiteren wird durch Weglassen der Einschwingphase in der Wavetable, die Wavetables wesentlich kürzer. Dies führt auch zu einer Speicherbedarfsreduzierung. Die Qualität des erzeugten Klanges ist somit nahezu so gut, wie die eines reinen Wavetable-Synthesizers mit wesentlich größeren Wavetables.

Das erfindungsgemäße Syntheseverfahren bzw. die erfindungsgemäße Synthesevorrichtung sind besonders für Systeme geeignet, die über keinen großen Speicher verfügen, zum Beispiel Mobiltelefone, Spielzeuge, etc.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit auch ein Endgerät, insbesondere ein Mobilfunkendgerät, welches geeignet ist, ein erfindungsgemäßes Syntheseverfahren durchzuführen und/oder eine erfindungsgemäße Synthesevorrichtung aufweist.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügte Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die dort dargestellten Merkmale und auch die bereits oben beschriebenen Merkmale können nicht nur in der genannten Kombination, sondern auch einzeln oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigt:
1: ein Ausführungsbeispiel einer Kombination eines Modulators mit einem Wavetable-Synthesizer.
1 zeigt eine Kombination des Modulators 1 mit einem Wavetable-Synthesizer 10. Im Modulator 1 wird mit Hilfe des Oszillators 2 aus einer einfachen Wellenform ein sich wiederholendes Signal erzeugt. Dieses Signal wird mit der in einem Hüllkurven-Generator 5 erzeugten Hüllkurve multipliziert. Optional wird das daraus resultierende Signal mit einer Konstante 3 multipliziert und wieder als Phasenmodulator 4 in den Oszillator 2 eingekoppelt. Dadurch können komplexere Wellenformen oder auch rauschhafte Signale produziert werden.
Der Wavetable-Synthesizer 10 umfasst als Kernelement einen Wavetable-Oszillator 11. In dem Wavetable-Oszillator 11 wird ein Signal durch Abtastratenwandlung eines in einer Wavetable 12 gespeicherten Signals produziert. Dieses Signal wird ebenfalls durch einen Hüllkurven-Generator 13 mit einer Hüllkurve beaufschlagt. Der Wavetable-Oszillator muss dabei so aufge baut sein, dass eine Phasenmodulation des produzierten Signals möglich ist. Dies lässt sich dadurch erreichen, indem die zu produzierende Frequenz in eine Schrittweite für die Wavetable umgerechnet wird. Bei jeder zu produzierenden Abtastung wird ein Index in die Wavetable durch Addieren der Schrittweite zum letzten Index berechnet. Zu diesem Index wird der Ausgangswert des Modulators addiert. Wichtig ist dabei eine geeignete Skalierung dieses Ausgangswerts, und dass der Ausgangswert sowohl positive als auch negative Werte annehmen kann.
Die Struktur gemäß 1 kann durch Amplitudenmodulation des Modulators 1 und des Wavetable-Synthesizers 10 mit einer niedrigen Frequenz (sogenanntes „Tremolo") erweitert werden. Denkbar ist auch eine Frequenzmodulation des Modulators 1 und des Wavetable-Synthesizers 10 mit einer niedrigen Frequenz (sogenanntes „Vibrato"). Vorteilhaft sind auch verschiedene Wavetables 12 für verschiedene Tonbereiche (sogenannte „Regions"). Weiter denkbar sind verschiedene Parametersätze für den Modulator 1 für verschiedene Tonbereiche.

Claims

Musiksyntheseverfahren, aufweisend die Verfahrensschritte: – Generieren eines phasenmodulierten Signals (14) mit Hilfe eines ersten Oszillators (2), und – Generieren eines synthetisierten Signals (15) in einem Wavetable-Oszillator (11) aus dem phasenmodulierten Signal (14) durch Abtastratenwandelung eines in der Wavetable (12) des Wavetable-Oszillators (11) gespeicherten Signals.
Syntheseverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Wavetable-Oszillators (11) mit einer Hüllkurve (13) beaufschlagt wird.
Syntheseverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wavetable (12) ausschließlich ein zu wiederholendes Segment gespeichert wird.
Syntheseverfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zu wiederholende Segment kurz gehalten wird.
Syntheseverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des ersten Oszillators (2) mit einer Hüllkurve (5) beaufschlagt wird.
Syntheseverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Oszillator (2) auch rauschhafte Signale erzeugen kann.
Syntheseverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal des ersten Oszillators (2) mit einer Konstante multipliziert wird.
Syntheseverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wavetable-Oszillator (11) die zu produzierende Frequenz des synthetisierten Signals (15) in eine Schrittweite für die Wavetable umgerechnet wird, und bei jeder Abtastung ein Index in die Wavetable durch Addieren der Schrittweite zum letzten Index berechnet wird.
Syntheseverfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem letzten Index der Ausgangswert des ersten Oszillators (2) addiert wird.
Syntheseverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Wavetable (12) auf Zweierpotenzen begrenzt ist.
Musiksynthesevorrichtung, aufweisend: – einen ersten Oszillator (2) zum Generieren eines phasenmodulierten Signals (14), und – einen Wavetable-Oszillator (11) zum Generieren eines synthetisierten Signals (15) aus dem phasenmodulierten Signal (14) durch Abtastratenwandelung eines in der Wavetable (12) des Wavetable-Oszillators (11) gespeicherten Signals.
Synthesevorrichtung gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen ersten Hüllkurvengenerator (13), durch welchen das Ausgangssignal des Wavetable-Oszillators (11) mit einer Hüllkurve beaufschlagt wird.
Synthesevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wavetable (12) ausschließlich ein zu wiederholendes Segment gespeichert wird.
Synthesevorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment kurz gehalten wird.
Synthesevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch einen zweiten Hüllkurvengenerator (5), durch welchen das Ausgangssignal des ersten Oszillators (2) mit einer Hüllkurve beaufschlagt wird.
Synthesevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Oszillator (2) geeignet ist, auch rauschhafte Signale zu erzeugen.
Synthesevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, gekennzeichnet durch Mittel zum Multiplizieren des Eingangssignals des ersten Oszillators (2) mit einer Konstante.
Synthesevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wavetable-Oszillator (11) Mittel zum Umrechnen der zu produzierenden Frequenz des synthetisierten Signals (15) in eine Schrittweite für die Wavetable aufweist, wobei bei jeder Abtastung ein Index in die Wavetable durch Addieren der Schrittweite zum letzten Index berechnet wird.
Synthesevorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem letzten Index der Ausgangswert des ersten Oszillators (2) addiert wird.
Synthesevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Wavetable (12) auf Zweierpotenzen begrenzt ist.
Endgerät, welches ausgebildet ist, ein Syntheseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen, und/oder eine Synthesevorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20 aufweist.