DE2350143B2

DE2350143B2 - Digitaler tonsynthesizer

Info

Publication number: DE2350143B2
Application number: DE19732350143
Authority: DE
Inventors: Ralph Sherman Oaks Calif. Deutsch (V.StA.)
Original assignee: Nippon Gakki Seizo Kx Hamamatsu Shizuoka Japan
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1972-10-17
Filing date: 1973-10-05
Publication date: 1977-06-30
Also published as: CA1004886A; JPS4970618A; NL166812B; NL7314278A; AU6130873A; AU471179B2; IT995881B; DE2350143C3; NL166812C; JPS5210373B2; GB1441776A; DE2350143A1; US3809788A

Description

3. Tonsignalsynthesizer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Fourierkoeffizientenspeicher (65a, 656) aus Schieberegistern bestehen, denen jeweils eine Ladeschaltung (68a, 686) zugeordnet ist, die über einen Addierer (47) mit Speichern (37a, 376) für die Fourierkoeffizienten in Verbindung stehen, und daß eine Einheit (78) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Ausgang eines mit der Taktfrequenz \/t_cp gesteuerten

, , Λ -Zählers (76) den Zugriff zu den

Fourierkoeffizientenspeichern steuert, wöbe: einzeln oder gleichzeitig betätigbare Schalter (St_A, Sta) zwischen dem Addierer und jeweils einem Fourierkoeffizientenspeicher angeordnet sind.

(W

Die Erfindung betrifft einen digitalen Tonsynthesizer ;mäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein digitaler Tonsynthesizer gemäß dem Oberbegriff ;s Hauptanspruchs ist bereits aus der älteren ho nmeldung DT-OS 23 02 214 bekannt, bei dem zur rzeugung der Tonsignale die betreffenden Fourier-Dmponenten einzeln berechnet werden.

Die parallele Verarbeitung von Daten ist an sich ekannt (»Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung«, «s ..St ei η buch, 1967, Seite 1009 bis 1017). Der rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen digitalen nnxvnthesizer der erwähnten Art zu schaffen, bei dem die Synthese der Tonsignale durch Berechnung der Furierkomponenten erfolgt und bei dem die erforderliche Berechnungszeit durch parallele Berechnung der Fourierkoeffizienten reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen der Patentansprüche 1 oder 2 gelöst Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus dem Anspruch 3.

Bei dem erfindungsgemäßen digitalen Tonsynthesizer erfolgt die Berechnung der Fourierkomponenten in parallelen Kanälen, d. h., entweder werden Teilmengen der Fourierkomponenten niedriger und höherer Ordnung in wenigstens zwei parallelen Verarbeitungskanälen berechnet oder es werden Teilmengen der Forurierkomponenten geradzahliger und ungeradzahliger Ordnung in wenigstens zwei parallelen Verarbeitungskanälen berechnet Auf diese Weise läßt sich die für die Tonerzeugung erforderliche Berechnungszeit gegenüber einem Einkanalsystem erheblich reduzieren.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Tonsynthesizers nach der Erfindung, wobei in zwei parallelen Verarbeitungskanälen Teilmengen der Fourierkomponenten niedriger und höherer Ordnung berechnet werden,

F i g. 2 einen Tonsynthesizer nach der Erfindung, bei dem in den beiden parallelen Verarbeitungskanälen Teilmengen der Fourierkomponenten geradzahliger und ungeradzahliger Ordnung berechnet werden,

F i g. 3 ein Blockschaltbild eines aus Schieberegistern bestehenden Fourierkoeffizientenspeichers zur Verwendung bei den Tonsynthesizern nach F i g. 1 oder 2,

F i g. 4 in schematischer Darstellung die den Schieberegistern nach F i g. 3 vorgeschalteten logischen Elemente und

Fig. 5 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des in F i g. 3 dargestellten Fourierkoeffizientenspeichers.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten digitalen Tonsynthesizer

10 werden die Töne von einem Tonerzeugungssystem

11 abgegeben, wobei die Tonhöhen durch Schalter 12 einer Tastatur bestimmt werden. Die Erzeugung der Tonsignale erfolgt dabei durch Bestimmung der diskreten Fourierkomponenten in parallelen Verarbeitungskanälen 13a, 136, wobei die Fourierkomponenten für diskrete Abtastpunkte einer den gewählten Ton bestimmenden Wellenform entsprechen. Die Fourierkomponenten werden in einem Akkumulator 14 algebraisch summiert, so daß der Akkumulator i4 am Ende jedes Berechnungszeitintervalls f, die Amplitude des jeweiligen Abtastpunktes enthält. Diese Amplitude wird über ein Gatte. 15 aufgrund eines Signals f» auf der Leitung 16 an einen Digital-Analog-Wandler 17 geführt, der eine der Amplitude des berechneten Tonsignals entsprechende Spannung an das Tonerzeugungssystem 11 weiterleitet. Die Berechnung der Amplitude bzw, der Fourierkomponente für den nächsten diskreten Abtastpunkt tvird daraufhin eingeleitet, so daß die vom Wandler 17 erzeugte Spannung eine in einer Realzeit erzeugte Tonwellenform liefert.

Die Periode der berechneten Wellenform und somit die Grundfrequenz des erzeugten Tones wird durch eine Frequenzzahl R festgelegt, die durch die Schalter 12 bestimmt wird. Zur Speicherung mehrerer Frequenzzahlen R dient ein Speicher 19, der entsprechend dem auf der Tastatur gewählten Ton eine Frequenzzahl erzeugt. Die Wellenform bzw. der Ton und die

Tonqualität werden durch Fourierkoeffizienten C_n bestimmt, die in Speichern 20a und 206 gespeichert sind und den Speichern bei der Berechnung der Fourierkomponenten entnommen werden.

Die Amplitude X(^qR) für jedes Tonsignal wird für jeden diskreten Abtastpunkt entsprechend folgender Gleichung berechnet:

Xo(qR)= Σ C_n sin ^ n<?R fur q= 1.2, 3 ... Dabei gibt η = 1,23··· die Ordnung der Harmoni-

N sehen und W = y die Zahl der Harmonischen an.

Außerdem ergibt sich das Taktsignal

1 . tx

^und''⁼ "*

wobei

/_c gibt dabei das Zeitintervall an, in welchem jede Fourierkomponente berechnet werden muß, wenn eine Zahl Wan Harmonischen einzeln und nacheinander für jeden diskreten Abtastpunkt berechnet werden muß.

Der Wert π = 1 entspricht der Grundwelle, π = 2 der Harmonischen zweiter Ordnung, /7 = 3 der Harmonischen dritten Ordnung, usw. Der Fourierkoeffizient C_n gibt die Amplitude der Harmonischen n-ter Ordnung an. Die Zahl W der Harmonischen ist beliebig bzw. ein Konstruktionsparameter. Im vorliegenden Fall genügt es, wenn W — 16.

Der Amplitudenwert Xd,qR) wird für jeden Abtastpunkt im Zeitintervall t_z berechnet Die einzelnen

Fourierkomponenten F"> = C_n ■ sin ^ η qR werden

für jede Harmonische getrennt berechnet Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform werden dabei die Fourierkomponenten niedriger und höherer Ordnung in getrennten Verarbeitungskanälen 13a, 136 berechnet d. h, die Fourierkomponenten für die Werte n= 1,2,...,

-ψ werden im Kanal 13a berechnet; Fourierkomponenten höherer Ordnung für die Werte

— + 21 W

werden im Verarbeitungskanal 136 berechnet

Die Berechnung der Fourierkomponenten niedriger und höherer Ordnung wird gleichzeitig ausgeführt, so daß beispielsweise gleichzeitig die Amplitude für die Harmonische neunter Ordnung (n = 9) im Kanal 136 und die Amplitude der Grundwelle (n = 1) im Verarbeitungskanal 13a berechnet werden. Daraus ergeben sich die Fourierkomponenten fW und fl&, die von Leitungen 21a, 216 abgegeben werden und in einem Addierglied 22 algebraisch summiert werden. Die auf diese Weise erhaltene Summe wird über eine Leitung 23 an den Akkumulator 14 geleitet Die nächsten Fourierkoeffizienten /³P) und K¹⁰* werden ebenfalls gleichzeitig in den Verarbeitungskanälen 13a bzw. 136 berechnet, vom Addierglied 22 addiert und zum Inhalt des Akkumulators 14 hinzuaddiert Diese Berechnung wird wiederholt, bis die der Zahl W entsprechenden Harmonischen berechnet sind. Die sich durch diese Berechnung ergebende algebraische Summe im Akkumulator 14 entspricht der Gleichung

w
XuW) = Σ F^tn)

η .-. I

für denjenigen Abtastpunkt, der durch den Wert qR

ίο bestimmt ist.

Am Ende des Berechnungsintervalls t_K wird der Amplitudenwert Xt über das Gatter 15 an den Wandler 17 angelegt. Der Akkumulator 14 wird durch ein von der Leitung 16 erzeugtes Signal t, gelöscht und es wird

ι s sofort die Berechnung der Fourierkomponenten für den nächsten Abtastpuinkt eingeleitet Dabei wird der Wert qR erhöht und es werden die einem derart erhöhten Wert qR entsprechenden Fourierkomponenten für den betreffenden Abtastpunkt berechnet Nach Berechnung der Fourierkomponenten erzeugt das Tonerzeugungssystem 11 die betreffenden Töne.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Tonsynthesizer ist ein Modulo-A/-Addierer 25 vorgesehen, der eine den betreffenden Abtastpunkt repräsentierende Adresse qR

2s abgibt, wobei der Wert qR am Beginn jedes Berechnungsintervalls i» durch Addition der bestimmten Frequenzzahl r zu dem vorhergehenden Inhalt des Addierers 25 erhöht wird. Der bestimmte Wert R wird über ein Gatter 26 an den Addierer angelegt, wobei das

•to Gatter 26 durch das Signal t_x von der Leitung 16 angesteuert wird.

Zur Berechnung der Fourierkomponenten niedriger Ordnung, d.h. zur Berechnung der betreffenden Harmonischen, werden die Werte π qR für η = 1 ^,...

' j in einen Intervalladdierer 27 gegeben, der vor Beginn jedes Berechnungszyklus gelöscht wird. Aufgrund des Taktimpuises tq, jedes neuen Berechnungszyklus wird der laufende Wert qR im Addierer 25 über eine Leitung 28 und ein Gatter 29 in den Intervalladdierer 27 gegeben und nach jedem Taktimpuls tcp wird der Wert qR zum vorangehenden Inhalt des Tonintervalladdierers 27 addiert Das Taktsignal tq, ergibt sich dabei aus der Berechnungstaktrate

/cp=-r.d,h.

es ist t =

l*

Somit enthält der Intervalladdierer 27 den Wert η qR für die «-te Harmonische niedriger Ordnung, die im Verarbeitungskanal 13a berechnet wird. Der Intervalladdierer 27 ist vorzugsweise auch ein Modulo-N-Addie- rer.

Ein Adressendecoder 3ia ruft von einer Sinustabellenschaltung 32a den Wert sin jp π qR ab, der dem über die Leitung 33 vom Intervalladdierer 27 erhaltenen Argument π qR entspricht Die Sinustabellenschaltung 32a kann durch einen Festwertspeicher gebildet werden, der die Werte für sin J^ Φ für 0<Φ<2ΗΊη Intervallen D speichert, wobei D die Auflösungskonstante des Festwertspeichers ist Der Wert Dist dabei ebenfalls ein Konstruktionsparaimeter und somit frei wählbar. Da in 6s der Sinustabellenschaltung sehr viel Werte in engen Intervallen zueinander vorliegen, läßt sich eine äußerst genaue Berechnung des zugeordneten Tonsignals ausführen.

Der Wert sin ^, π qR, der über die Leitung 34a

erhalten wird, wird durch ein Multiplizierglied 35a mit dem Fourierkoeffizienten C_n für die betreffende Harmonische /7-ter Ordnung multipliziert. Das Produkt gibt die Amplitude F"> der Harmonischen n-ter Ordnung wieder und wird über eine Leitung 21a zu einem Addierer 22 geführt. Der zugeordnete Fourierkoeffizient C_n wird vom Fourierkoeffizientenspeicher 20a über eine Steuereinheit 36 erhalten und aufgrund von Taktimpulsen t_cp erzeugt.

Zur Berechnung der Harmonischen höherer Ordnung

(W T ⁺

den Taktintervallen tcp erzeugt. Der im Tonintervalladdierer 25 gespeicherte Wert qR wird mit dem Wert

τ in einem Multiplizierglied 37 multipliziert. Das

daraus resultierende Produkt wird zum Wert π qR im Addierer 38 addiert, wobei der Wert η qR über die Leitung 33 erhalten wird. Die dadurch gebildete Summe

-, + /M qR wird über eine Leitung 39 weitergeführt.
Ein Adressendecoder 31 b erhält von einer Sinustabel-

lenschaltung 32b den Wert sin ω [η + ⁿ) QR· Dieser Wert wird über eine Leitung 34b an ein Multiplizierglied 35b geführt und mit dem vom Koeffizientenspeicher 20b abgegebenen Koeffizienten C_n multipliziert Das auf diese Weise erhaltene Produkt wird über eine Leitung 21b zum Addierer 22 geführt und liefert somit den Fourierkoeffizienten F"> höherer Ordnung.

Während des Berechnungsintervalls für die Amplitude X₀ werden die Fourierkomponenten F<">=C_n sin

π W

yy nqR für n= 1,2,3,.·., τ aufeinanderfolgend im

Verarbeitungskanal 13a beim Auftreten der sequentiell erzeugten faktimpulse tcp berechnet Entsprechend werden die Fourierkomponenten hoher Ordnung für die Werte

im Verarbeitungkanal 13b berechnet, wobei diese Taktinterballe dem Berechnungsintervall /„ entsprechen. Bei dem in F i g. 1 gezeigten Tonsynthesizer erzeugt ein Taktgenerator 41 den Impuls tcp auf der

W Leitung 42. Ein Modulo- -ψ -Zähler 43 liefert über eine

Leitung 16 für jeden -y -Impuls Up einen Impuls t_x, der

über die Leitung 16 erhalten wird. Durch die Verarbeitung in parallelen Kanälen nach F i g. 1 wird die

Taktfrequenz fcp des Taktgenerators 41 gleich -^-, d. h-, die Taktfrequenz entspricht der Hälfte der Taktfrequenz, die erforderlich ist, wenn eine Zahl W an Harmonischen nacheinander in einem Berechnungsintervall T_x berechnet werden müssen.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Tonsynthesizers, der mit 50 angegeben ist, sind entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 1 zwei Verarbeitungskanäle 51a, 516 vorgesehen, wobei Teilmengen der Fourierkomponenten ungeradzahliger Ordnung (n — 134, -..) im Verarbeitungskanal 51a und die Fourierkomponenten geradzahliger Ordnung (n = 2,4,6,...) gleichzeitig dazu im Verarbeitungskanal 51b berechnet werden. Entsprechend Fig. 1 sine Schalter 12', ein Frequenzzahlspeicher 19', ein Gattei 26' und ein Addierer 25' vorgesehen, welche die gleiche Arbeitsweise haben, wie dies unter Bezugnahme au! F i g. 1 beschrieben ist. Eine Leitung 26' gibt ein derr Wert qR entsprechendes Signal ab, welches der diskreten Abtastpunkt repräsentiert, für den die Amplitude ΛΌ des Tonsignals berechnet wird. Intervall addierer 52a, 52b für Harmonische höherer Ordnung

ίο sind mit den Verarbeitungskanälen 51a, 51b verbunden In den aufeinanderfolgenden Berechnungsintervallen t_c) wird der Intervalladdierer 52a zur Speicherung de: Wertes π qR für ungeradzahlige Werte von π verwendet, während die Werte π qR für gerade Werte von π irr

is Intervalladdierer 52b gespeichert werden. Ein Multiplizierglied 53 multipliziert das Signal qR mit dem Faktoi 2, so daß eine Leitung 54a den Wert 2 qR liefert

Ein Taktgeber 41' liefert den die Berechnungsinter valle festlegenden Taktimpuls t_cp auf einer Leitung 42'

Ein Modulo- -^ -Zähler 55 erzeugt den das Berech

nungsintervall festlegenden Taktimpuls r, über eine Leitung 16', so daß das Taktsignal r, bei jederr

y -Impuls tcp abgegeben wird. Der Zähler 55 erzeug!

außerdem Taktimpuls t_cp\ über eine Leitung 56a sowie Taktimpulse ^₂ bis f^iv/2) auf Leitungen 56bbis 56Λ. Die Taktimpulse t_cP2 bis i_Cpr»/2) werden über jeweils ein ODER-Gatter 57 an eine Leitung 58 angelegt

Bei der Erzeugung des ersten Taktimpulses r_fpi wird der Wert qR über ein Gatter 60 an den Intervalladdierer 52a angelegt. Bei den nachfolgenden Taktimpulsen t_cpi bis tcpfw/2) wird der Wert 2^R erzeugt, der über ein Gatter 51 von der Leitung 54 erhalten wird und der im Intervalladdierer 52a summiert wird. Somit wird zu den aufeinanderfolgend erzeugten Taktimpulsen t_cp der Inhalt des Intervalladdierers 52a den Wert nqR für imgeradzahlige Werte von π liefern. Ein Adressendecoder 31a'entnimmt einer Sinustabellenschaltung 32a'den

Wert sin -^, π qR, der dem vom Addierer 52a

erhaltenen Argument π qR entspricht. Dieser Sinuswert wird mit dem entsprechenden ungeradzahligen Fourierkoeffizienten C_n aufgrund eines Multiplizierglieds 35a multipliziert wobei der Fourierkoeffizient C_n von einem Fourierkoeffizientenspeicher 20a' erhalten wird. Die entsprechende ungeradzahlige Fourierkomponente wird über eine Leitung 21a' an den Addierer 22' angelegt Der Zugriff zum Koeffizientenspeicher 20a wird durch eine Steuereinheit 36' gesteuert, die ihrerseits von dem Taktimpuls tcp angesteuert ist

Eine zur vorbeschriebenen Arbeitsweise ähnliche Berechnung erfolgt im Verarbeitungskanal 516, wobei der Intervalladdierer 526 die Werte π qR für geradzahli ge Werte von π speichert Während jedes durch die Taktimpulse tq, festgelegten Berechnungsintervalls wird der Wert 2 qR von einer Leitung 54 über ein Gatter 62 zum Intervalladdierer 526 geführt und mit dessen bereits vorliegendem Inhalt summiert Ein Adressende coder 316' entnimmt aus der Sinustabellenschaltung

326'den Wert sin ^ π qR, der dem vom Intervalladdierer 526 erhaltenen Argument n qR entspricht Dieser Sinuswert wird mit dem zugeordneten Fourierkoeffizienten C_n der aus dem Fourierkoeffizientenspeicher 206' erhalten wird, im Multiplizierglied 356' multipliziert, und das auf diese Weise erhaltene Produkt wird über eine Leitung 206' an den Addierer 22' weiterge-

7(19526/24;

führt. Der Addierer 22' summiert somit die ungeradzahligen und geradzahligen Fourierkomponenten bzw. Harmonischen, welche in den Verarbeitungskanälen 51a und 516 paarweise berechnet werden. Die dadurch erhaltene Summe wird über eine Leitung 23' zum Akkumulator 14 (F i g. 1) gegeben, der die Amplitude X₀ liefert. Daraufhin wird die Amplitude Xo über einen Digital-Analog-Wandler 17 zu einem Tonerzeugungssystem 11 geleitet, wie dies in F i g. 1 gezeigt ist.

Bei den in F i g. 1 und F i g. 2 beschriebenen Tonsynthesizern wird somit jeweils die Hälfte der zu berechnenden Fourierkomponenten in jedem Verarbeitungskanal berechnet. In jedem Elerechnungsintervall f» werden hierbei acht Berechnungszyklen t_cp zur Berechnung von sechzehn Harmonischen (W = 16) benötigt.

Es können weitere parallele Kanäle vorgesehen werden; beispielsweise können vier parallele Verarbeitungskanäle benutzt werden, so daß jeweils ein Viertel der Hamonischen in jedem Kanal berechnet werden kann. Dabei würde die Taktfrequenz f_cp ein Viertel uer bei einem einen Verarbeitungskanal aufweisenden Tonsynthesizer erforderlichen Taktfrequenz betragen. Die Taktfrequenz ist somit im allgemeinen umgekehrt proportional zur Zahl der parallelen Verarbeitungskanäle. Es muß auch nicht in jedem Verarbeitungskanal die gleiche Zahl an Harmonischen berechnet werden; bei einem drei Verarbeitungskanäle umfassenden Tonsynthesizer können z. B. in zwei Verarbeitungskanälen jeweils vier Fourierkomponenten und in einem dritten Verarbeitungskanal sechs Fourierkomponenten berechnet werden. Die Berechnungen müssen allerdings innerhalb der Zeitperiode f, ausgeführt werden; jedoch ist die Reihenfolge, in der die Berechnung erfolgt, unwichtig, da nur die im Akkumulator 14 gespeicherte Summe die Amplitude an den diskreten Abtastpunkten darstellt. Die erfindungsgemäßen Tonsynthesizer werden nicht nur für Einton-Musikinstrumente, sondern auch für polyphone Musikinstrumente benutzt

Die in F i g. 1 gezeigten Fourierkoeffizientenspeicher 20a, 206 können als Schieberegister ausgeführt sein, wie dies in Fig.3 dargestellt ist Ein Schieberegister 65a enthält gemäß F i g. 3 die Koeffizienten Q bis Qwu) für Harmonische niedriger Ordnung. Ein weiteres Schieberegister 656 enthält dann die Fourierkoeffizienten Qw/2) bis Cw hoher Ordnung, die im Verarbeitungskanal 136 hinzumultipliziert werden. Falls die Zahl der Harmonischen W— 16 ist, enthalten die Schieberegister 65a bzw. 656 die Fourierl.oeffizienten Q bis Ce bzw. Q bis Cn,- Wenn das Schieberegister nach F i g. 3 bei der in Fig.2 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tonsynthesizers verwendet wird, enthalten die Schieberegister 65a bzw. 656 die Fourierkoeffizienten C_n für ungeradzahlige bzw. geradzahlige Wert von n.

Durch die Taktimpulse tcp wird im Schieberegister 65a jeweils eine Verschiebung um eine Position nach links erreicht, wie dies aus Fig.3 ersichtlich ist; der Taktimpuls Up wird über die Leitung 16 an das Schieberegister angelegt Bei einer derartigen Verschie bung wird der in der Endstellung 66a des Schieberegisters befindliche Koeffizient über eine Leitung 67a zu einer Ladeschaltung 68a sowie über eine Leitung 69a zurück zur Position 70a am anderen Ende des Schieberegisters 65a übertragen. Das Schieberegister 656 weist praktisch ähnlichen Aufbau bzw. Schaltung wie das Schieberegister 65a auf.

Bei der in Fig.3 gezeigten Anordnung wird bei Auftreten des ersten Taktimpulses Up\ der Koeffizient Ci über eine Leitung 71 a für den Multiplizierer 35a über einen bestimmten Berechnungszyklus abgegeben; der Fourierkoeffizient Cj wird über eine Leitung 716 an den Multiplizierer 356 angelegt. Wenn der nächste Impuls t_Cp2 erzeugt wird, werden die Schieberegister 65a, 656

S eine Verschiebung um eine Stelle nach links ausführen, so daß die entsprechenden Fourierkoeffizienten Ci und Cio über die Leitung 71a bzw. 716 an die Multiplizierglieder 35a, 356 angelegt werden. Dies wird so lange ausgeführt, bis alle Fourierkoeffizienten in den Schiebern registern 65a, 656 gespeichert sind. Der nächste Berechnungszyklus, d. h. für einen erhöhten Wert qR, beginnt dann unverzüglich, und es werden die von den Schieberegistern 65a, 656 gespeicherten Fourierkoeffizienten an die Multiplizierglieder 35a, 356 geleitet.

is Diese Arbeitsweise dauert so lange an, bis alle Fourierkomponenten für den gewählten Ton vorliegen, d. h. der Ton selbst erzeugt wird.

Wie ersichtlich, bestimmen die Fourierkoeffizienten C_n die Wellenform des zu erzeugenden Tones, so daß der Wert dieser Fourierkoeffizienten bestimmt, ob der betreffende, vom Tonsynthesizer erzeugte Ton die gewünschten Eigenschaften hat, beispielsweise eine Mensur- bzw. Diapasonstimmen-Charakteristik, die Charakteristik einer Flöte oder einer Baßstimme bzw. Bourdon-Stimme aufweist. Fi g. 3 zeigt schließlich eine Schaltungsanordnung, mit welcher verschiedene Reihen von Fourierkoeffizienten an die Schieberegister 65a, 656 angelegt werden können. Mit dieser Schaltungsanordnung wird die Wahl einer Orgelstimme durch

.ίο Verwendung von Register-Schaltern erleichtert. Bei der dargestellten Schaltungsanordnung wird eine erste Menge »A« von Fourierkoeffizienten von einem Speicher 73a gespeichert und eine dazu unterschiedliche Menge »B« im Speicher 736 gespeichert. Wenn ein

Register-Schalter ST_A geschlossen wird, werden die Fourierkoeffizienten des Speichers 73a über einen Addierer 74, Leitungen 75a, 756und den Schaltkreis 68a. 686 in die Schieberegister 65a, 656 übertragen. Durch die der Menge »A« entsprechenden Fourierkoeffizienten wird beispielsweise ein Mensur-Ton erzeugt.

Wird der Schalter ST_A geöffnet und ein Schalter ST_B geschlossen, so wird die Menge »B« von Fourierkoeffizienten in dem Speicher 736 über den Addierer 74 zu den Schieberegistern 65a, 656 übertragen. Anschließend

liefert der Tonsynthesizer einen anderen Ton, beispielsweise einen Flötenton, der durch die Koeffizienten »B« bestimmt ist Die in F i g. 3 gezeigte Schaltungsanordnung ermöglicht auch die Verwendung kombinierter Stimmen. Werden die Schalter ST_A und ST_B geschlossen,

dann werden die den Gruppen »A« und »B« zugeordneten Fourierkoeffizienten im Addierer 74 summiert und die auf diese Weise erhaltene Kombina tion von Fourierkoeffizienten über einen Ladekreis 68a, 686 zu den Schieberegistern 65a, 656 übertragen. Somit

wird ein kombinierter Ton erzeugt Wie ersichtlich, können auch weitere Register vorgesehen werden, die anderen Aufbau haben.

Die Übertragung der Fourierkoeffizienten aus den Speichern 73a bzw. 736 in die Schieberegister 65a, 656

ergibt sich aus dem Zeitdiagramm nach Fig.5. Demzufolge werden einzelne Fourierkoeffizienten während der aufeinanderfolgenden Berechnungszyklen übertragen, so daß bei einer Betätigung eines neuen bzw. weiteren Register-Schalters eine Änderung des

f>5 Tones über etwa W72-Zeitintervalle T_x ausgeführt wird. Diese Obergangszeit ist ausreichend kurz, so daß sie vom Hörer nicht bemerkt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform empfängt ein

Modulo ( -, + 1 !-Zähler 76 die Taktimpulse (,,·, von der Leitung 16. Der Zähler 76 erzeugt auf der Leitung 77 für jeden ( ■> + lj-lmpuls f_ip einen Ladeirnpuls, der vom Taktgeber 41 empfangen wird. Diese Ladeimpulse schalten eine Steuereinheit 78 für den Speicherzugriff weiter, so daß aufeinanderfolgend die Koeffizienten aus den Speichern 73a bzw. 736 gelesen werden können. Durch den Ladeimpuls werden außerdem die abgegebenen bzw. herausgelesenen Fourierkoeffizienten über den Ladekreis 68a, 866und die Leitungen 69a, 696 an die letzte Stelle in den Schieberegistern übertragen, wodurch durch jeden Ladeimpuls ein weiterer bzw. neuer Fourierkoeffizient in die Schieberegister 65a, 656 übertragen wird. Diese Arbeitsweise wird so lange wiederholt, bis alle Fourierkoeffizienten von den Speichern 73a, 73b abgegeben sind.

Die Ladeschaltung 68a, 68b kann entsprechend F i g. 4 aufgebaut sein. Demzufolge empfangen drei UND-Gatter 81 als Eingangssignale das Signal der letzten Stelle 66a des Schieberegisters, den Impuls t_cp der Leitung 16 und das Ausgangssignal eines Inverters 82. welcher die Ladeimpulse der Leitung 77 empfängt. Wenn kein Ladeimpuls auf der Leitung 77 vorliegt, ist das Ausgangssignal des Inverters 82 hoch. In diesem Fall überträgt das UND-Gatter 81 das Signal der Leitung 67a auf die Leitung 69a, wenn ein Schiebeimpuls t_cr erzeugt wird. Auf diese Weise werden die Fourierkoeffizienten in den Schieberegistern durchgeschoben, d. h. in umlaufender Weise verschoben.

Wenn auf der Leitung 78 ein Ladeimpuls auftritt, wird der Ausgang des Inverters 82 niedrig, so daß das UND-Gatter 81 gesperrt wird und somit der Umlauf der von der Speicherposition 66a aufgenommenen Fourierkoeffizienten unterbrochen wird. Der Ladeimpuls steuert jedoch ein weiteres UND-Gatter 83 an, das einen über die Leitung 75a zur Leitung 69a übertragenen Fourierkoeffizienten durchläßt. Somit wird der neue Fourierkoeffizient in die letzte Speicherstelle 70a

Tabelle I

übertragen, d. h., der vorher an dieser Stelle befindliche Foruierkoeffizient wird in die Positon 66a zurück verbracht. Wenn dieses Verschieben W72mal wiederholt ist, liegen alle neuen Fojrierkoeffizienten in den Schieberegistern 65a, 65 6 vor.

Die Ladeimpulse müssen nicht gesperrt werden, wenn alle neuen Fourierkoeffizienten in die Schieberegister 65a, 656 übertragen sind, weil bei aufeinanderfolgenden Zyklen zu dem Zeitpunkt, an welchem der Ladeimpuls auftritt, der von der Leitung 75a abgegebene Fourierkoeffizient identisch mit demjenigen ist, der von der Position 66a des Schieberegisters über die Leitung 77a übertragen wird. Demzufolge ist das von der Leitung 69a gelieferte Signal identisch mit dem Signal, welches zurückgeleitet würde, falls der Ladeimpuls gesperrt wird.

Das Zeitdiagramm nach Fig.5 zeigt den wiederholten Ladevorgang der Schieberegister 65a. 656. Wenn beispielsweise die Schieberegister am Beginn die Koeffizienten Qa bis Cim des Satzes »A« enthalten und die Taste ST_B betätigt wird, werden beim nächsten Berechnungszyklus die Koeffizienten Ck, und C«« der gewählten Gruppe »B« über den Ladekreis 68a, 68b zu den Schieberegistern 65a, 656übertragen. Im folgenden Rechenzyklus werden zum Zeitpunkt (^ -M h_P nach

der Übertragung der Fourierkoeffizienten C\n. G>e die nächsten Fourierkoeffizienten Cj« und Cio« in das Register eingegeben. Diese Arbeitsweise wird wiederholt, bis alle Fourierkoeffizienten der Gruppe »B« in die Schieberegister eingegeben sind.

Die Auswahl der Fourierkoeffizienten C_n wird durch die Konstruktionsparameter bestimmt. Beispielsweise können die Speicher 73a, 736 diejenigen Fourierkoeffizienten enthalten, die in der nachstehenden Tabelle I angegeben sind; in dieser Tabelle sind dabei die Dezimalwerte der Fourierkoeffizienten angegeben. Bei einem digitalen Musikinstrument werden diese Werte typischerweise in Binärform gespeichert.

Koeffizient	Satz »A« (Mensur)	(Dezibel	Satz »B« (Flöte)	(Dezibel
	(Relative	Äquivalent)	(Relative	Äquivalent)
	Amplitude)	Amplitude)

C₁	127	0	127	0
C₂	71	- 5	3	-32
C₃	90	— 3	13	-20
C₄	36	-11	1	-42
C₅	23	-15	1	-42
C₆	25	-14	1	-42
C₇	8	-24	1	-42
C₈	8	-24	0	-50
Cu	4	-31	0	-50
C₁₀	4	-31	0	-50
C₁,	2	-38	0	-50
C₁₂	2	-38	0	-50
C₁₃	2	-38	0	-50
C₁₄	1	-42	0	-50
C₁,	1	-42	0	-50
C₁₆	1	-42	0	-50

Die Frequenzzahlen R, die in dem Speicher 19 gespeichert sind, sind auf die Grundfrequenz der Töne, auf das Zeitintervall f» und auf die Zahl der diskreten Abtastpunkte für den Ton mit der höchsten Grundfre quenz f» des jeweiligen Musikinstrumentes bezogei Wenn beispielsweise die Frequenzzahl R für den To

«Γ

mit höchster Frequenz als Einheit ausgewählt ist dann werden in dem BerechnungsintervaM

die Amplituden für N Abtastpunkte dieses Tons berechnet Die Frequenzzahlen für die Töne niedriger Frequenz können leicht ermittelt werden, wenn das Frequenzverhältnis zwei benachbarter Töne in einer ι ο gleichmäßig temperierten Tonleiter /Z" beträgt Im allgemeinen sind die Frequenzzahlen für Noten bzw. Töne, die nicht dem Ton höchster Frequenz f_H entsprechen, nicht ganzzahlig.

Als Beispiel sind in der folgenden Tabelle II die Frequenz, die Frequenzzahl R und die Zahl der Abtastpunkte je Periode für jede Note einer bestimmten Oktave angegeben. Der Tone C7, d. h. der der Taste C der Oktave 7 zugeordnete Ton ist als Ton höchster Grundfrequenz angegeben, welcher von dem Musikinstrument erzeugt wird, und ist somit der Frequenzzahl R zugeordnet Bei diesem Beispiel werden 32 Abtastpunkte für den Ton Q berechnet, wobei dieser Wert N = 32 für eine genaue Synthese der Töne einer Orgelpfeife oder für die meisten anderen Musiktöne ausreichend ist Wenn in der Sinus-Tabellenschaltung 32a beispielsweise ein bestimmter Wert für π qR nicht * gespeichert ist daHn wird der betreffende Sinus-Wen durch Interpolation erhalten. Nachdem die Sinus-Tabellenschaltung 32a viele Werte enthält die geringen Abstand zueinander haben, läßt sich die betreffende Tonwellenform sehr genau berechnen.

Tabelle II	Frequenz	R	Zahl der Abtast
Note			punkte je
			Periode
	(Hz)
	2093,00	1,000	32,00
C₇	1975,53	0,9443	33,90
	1864,66	0,8913	35,92
*>,,	1760,00	0,8412	38,06
*A_b*	1661,22	0,7940	40,32
^G ,	1567,98	0,7494	42,72
G„	1479,98	0,7073	45,26
F.	1396,91	J,6676	47,95
f:	1318,51	0,6301	50,80
	1244,51	0,5947	53,82
D,	1174,66	0,5613	57,02
*D_b*	1108,73	0,5298	60,41
C	1046,50	0,5000	64,00
C₆"

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Digitaler Tonsynthesizer zur Erzeugung von aus verschiedenen Klangfarben zusammengesetzten Klängen in einem elektronischen Musikinstrument, die mit Hufe eines Taktsignals U auslesbar sind, wobei die Tonsignale an diskreten Abtastpunkten aus Fourierkomponenten entsprechend der Gleichung F") — C_n - sin μί π qR synthetisiert werden,

wobei R die jeder betätigten Taste zugeordnete Frequenzzahl, π die Ordnung der Hannonischen, W die Zahl der Harmonischen, C_n die Fourierkoeffizienten und qR den zugehörigen Abtastpunkt is darstellen und die innerhalb des Zeitintervalls f, berechneten Fourierkomponenten -des einem Abtastpunkt entsprechenden Tonsignals in einem Akkumulator summiert werden, dessen Ausgangssignal über ein durch den Takt t_x gesteuertes Gatter einem Digital-Analog-Wandler zugeführt wird, d a durch gekennzeichnet, daß Teilmengen der Fourierkomponenter. niedriger und höherer Ordnung in wenigstens zwei parallelen Verarbeitungskanälen (13a, 136) berechnet werden, die jeweils folgende Baugruppen mit folgenden Funktionen aufweisen:

ai) einen Fourierkoeffizientenspeicher (20a, 206; 65a, 656),

a₂) ein Multiplizierglied (35a, 356), dem ein bestimmter Wert des Fourierkoeffizientenspeichers zugeführt wird,

a 3) eine Sinustabellenschaltung (32a, 326), die für ein wählbares Argument den Sinus berechnet und dem Multiplizierglied zuführt,

a<) einen Adressendecoder (31a, 316) zur Ansteuerung der Sinustabellenschaltung,

b) eine gemeinsame Steuereinheit (36) für die Fourierkoeffizientenspeicher,

c) eine Baugruppe (12,19,25,26,27,29,37,34,41, 43) zur Ansteuerung der Steuereinheit und der Adressendecoder, die folgenden Aufbau bzw. folgende Funktion hat:

ei) einen Taktgenerator (41) zur Erzeugung eines Taktsignals (t_cp), wobei dieses Taktsignal t_cp die Gleichung

2l_r

'ep _W

erfüllt, mit /, = MN ■ f_H, wo N die Zahl der Amplitudenabtastpunkte für den höchsten zu erzeugenden Ton der Frequenz (h ist,

C₂) einen Modulo- ^ -Zähhr (43), dem das Taktsignal tcp zur Erzeugung des Taktsignals t, zugeführt wird,

C₁) einen Speicher (19) für die Frequenzzahl R, der entsprechend dem auf der Tastatur gewählten Ton eine Frequenzzahl R erzeugt, die über ein ho mit der Taktfrequenz 1/r, angesteuertes Gatter (26) an einen Modulo-/V-Addierer (25) gegeben wird, der eine den betreffenden Abtastpunkt repräsentierende Adresse qR abgibt, die einerseits nach einer Multiplikation mit dem Faktor <>s W/2 in einem Multiplizierer (37) an einen Addierer (38) weitergeleitet wird und andererseits über ein mit der Taktfrequenz Mt_1n angesteuertes Gatter (29) an einen Intervalladdierer (27) weitergeleiiet wird, der mit der Taktfrequenz Mt_x gelöscht wird und als Ausgangssignal die Adresse η qR liefert, welcbe einerseits demjenigen Adressendecoder (3Ia) des Verarbeitungskanals (13a) zugeführt wird, in dem die Fourierkomponenten niedriger Ordnung berechnet weiden, und welche andererseits Ober den Addierer (38) dem Adressendecoder (316) des anderen Verarbeitungska nals (136) zugeleitet wird, der somit mit der

(W \
Adresse IT ⁺ ") Q^R ^zur Berechnung der

Fourierkomponenten höherer Ordnung angesteuert wird.

2. Digitaler Tonsynthesizer zur Erzeugung von aus verschiedenen Klangfarben zusammengesetzten Klängen in einem elektronischen Musikinstrument, die mit Hilfe eines Taktsignals t, auslesbar sind, wobei die Tonsignale an diskreten Abtastpunkten aus Fourierkomponenten entsprechend der Gleichung F"> = C_n ■ sin J^ /?<7/?synthetisi?rt werden,

wobei R die jeder betätigten Taste zugeordnete Frequenzzahl, π die Ordnung der Harmonischen, W die Zahl der Harmonischen, C_n die Fourierkoeffizienten und qR den zugehörigen Abtastpunkt darstellen und die innerhalb des Zeitintervalls r, berechneten Fourierkomponenten des einem Abtastpunkt entsprechenden Tonsignals in einem Akkumulator summiert werden, dessen Ausgangssignal über ein durch den Takt f, gesteuertes Gatter einem Digital-Analog-Wandler zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Teilmengen der Fourierkomponenten geradzahliger und ungeradzahliger Ordnung in wenigstens zwei parallelen Verarbeitungskanälen (51a, 516) berechnet werden, die jeweils folgende Baugruppen mit folgenden Funktionen aufweisen:

ai) einen Fourierkoeffizientenspeicher (2Oa' 206'; 65a, 656),

Ai) ein Multiplizierglied (35a', 356'), dem ein bestimmter Wert des Fourierkoeflizientenspeichers zugeführt wird,

ai) eine Sinustabellenschaltung (32a", 326'), die für ein wählbares Argument den Sinjs berechnet und dem Multiplizierglied zuführt,

a<) einen Adressendecoder (3Ia', 31 b) zur Ansteuerung der Sinustabellenschaltung,

b) eine gemeinsame Steuereinheit (36') für die Fourierkoeffizientenspeicher,

c) eine Baugruppe (12', 19', 25', 26', 41', 52a. 526, 53, 55, 57, 60, 61) zur Ansteuerung der Steuereinheit und der Adressendecoder, die folgenden Aufbau bzw. folgende Funktion hat:

Ci) einen Taktgenerator (41') zur Erzeugung eines Taktsignals t_cp, wobei dieses Taktsignal r,,, die Gleichung

erfüllt, mit t, = \/N ■ fn, wo N die Zahl der Amplitudenabtastpunkte für den höchsten zu erzeugenden Ton der Frequenz fn ist,

W
einen Modulo- ., -Zähler (55), dem das Takt-

signal Up zur Erzeugung des Taktsignals ί» sowie von weiteren Taktsignalen Up\ bis U₁, (W/2) zugeführt wird,

C₃) einen Speicher (19") für die Frequeaezahl R, der entsprechend dem auf der Tastatur gewählten Ton eine Frequenzzahl R erzeugt, die über ein mit der Taktfrequenz Mt_x angesteuertes Gatter (26') an g&en Modulo-N-Addierer (25') gegeben wird, der eine den betreffenden Abtastpunkt repräsentierende Adresse qR abgibt, die einerseits nach einer Multiplikation mit dem Faktor 2 in einem Multiplizierer (53) über ein Gatter (62) zu einem Intervalladdierer (526) weitergeleitet wird, der mit der Taktfrequenz l/ix gelöscht wird und als Ausgangssignal die Adresse 2nqR liefert, weiche demjenigen Adressendecoder (316) des Verarbeitungskanals (516) zugeführt wird, in dem die Fourierkomponenten geradzahliger Ordnung berechnet werden, und die andererseits über ein mit der Taktfrequenz 1/fcp, angesteuertes Gatter (6Ö) sowie nach der Multiplikation mit dem Faktor 2 im Multiplizierglied (53) über ein durch d:ie Taktfrequenzen MUpi bis 1/ί_φ (W/2) gesteuertes Gatter (61) an einen Intervalladdierer (52a) weitergeleitet wird, der mit der Taktfrequenz Mt_x gelöscht wird und als Ausgangssignal die Adresse qR und (n+2)<7Ä liefert, welche demjenigen Adressendecoder (31a¹) des Verarbeitungskanals (51a) zugeführt wird, in dem die Fourierkomponenten ungeradzahliger Ordnung berechnet werden, wobei eine logische Schaltung (57) die Taktsignale u_Pi bis t_cp[ W/2)

W
des Modulo- -.,- -Zählers (55) an das eine

2 ^v ' 3 s

Gatter (61) anlegt