DE2350143C3

DE2350143C3 - Digitaler Tonsynthesizer für ein elektronisches Musikinstrument

Info

Publication number: DE2350143C3
Application number: DE2350143A
Authority: DE
Inventors: Ralph Shermann Oaks Calif. Deutsch
Original assignee: Nippon Gakki Seizo Hamamatsu Shizuoka KK; Nippon Gakki Co Ltd
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1972-10-17
Filing date: 1973-10-05
Publication date: 1982-11-18
Also published as: NL166812B; AU471179B2; DE2350143A1; AU6130873A; US3809788A; IT995881B; GB1441776A; NL7314278A; JPS4970618A; JPS5210373B2; NL166812C; DE2350143B2; CA1004886A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Verarbeitungskanal (51 b) vorgesehen ist, der dem ersten (5IaJ gleich ist und mit diesem die Steuereinheit (36') [5 gemeinsam hat, wobei die Verarbeitungskanäle so aufgebaut sind, daß zur Berechnung der Fourier-Komponenten entsprechend der Gleichung

i*¹' = C_n · sin -^ η qR

TT

im ersten Verarbeitungskanal (51a,) die Fourier-Komponenten geradzahliger und im zweiten (516,/ diejenigen ungeradzahliger Ordnung innerhalb der Taktperiode (tcp) des Taktsignals (tcp) — das Symbol des Taktsignals ist gleich der Bezeichnung der Taktperiode — errechnet werden, wobei R eine jeder betätigten Taste zugeordnete Frequenzzahl, welche die Phasendifferenz zwischen benachbarten Abtastpunkten des Tones bezeichnet, η die Ordnung der Harmonischen, W die Gesamtzahl der für die Synthese benutzten Harmonischen, C_n die Fourier-Koeffizienten der n-ten Harmonischer«, q eine Indexzahl und das Produkt qR die Phasenlage des zugehörigen Abtastpunktes angeben, daß ferner die folgenden Baugruppen mit folgenden Funktionen vorgesehen sind:

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

ei) ein Taktgenerator (4Γ) zur Erzeugung des Takfiignals (Up), wobei die T^ktperiode tcp die Gleichung

= 2lL
φ _w

erfüllt, mit U=MNfH, wobei U sowohl das Berc"hnungszeitinte.-vall als auch das Symbol für das Berechnungstaktsignal und N die Zahl der Amplitudenabtastpunkte für den höchsten zu erzeugenden Ton der Frequenz fn ist,

W '

C2) ein Modulo Zähler (55), dem das Taktsignal

tcp zur Erzeugung des Berechnungstaktsignals (U) für die Festlegung des Berechnungszeitintervalls und weitere Taktsignale tcp\ bis t_cp(wn) zugeführt wird,

C3) ein Speicher (19'), der Frequenzzahlen R speichert, welche entsprechend dem auf der Tastatur ausgewählten Ton die zugehörige Frequenzzabl R ausgibt, die über ein durch das Berechnungstaktsignal (U) für das Berechnungszeitintervall angesteuertes Gatter (26') an einen Modulo-MAddierer (25') gegeben wird, der die Phasenlage qR des betreffenden Abtastpunktes liefert, welche einerseits nach einer Multiplikation mit dem Faktor 2 in einem Multiplizierer (53) über ein Gatter (62) zu einem Intervalladdierer [52b) weitergeleitet wird, der durch das Berechnungstaktsignal (U) für das Berechnungszeitintervall zurückgestellt wird und als Ausgangssignal den Wert 2n qR liefert, welcher demjenigen Adressendecoder (316'J des Verarbeitungskanales (516,) zugeführt wird, in dem die Fourier-Komponenten geradzahliger Ordnung berechnet werden, und der andererseits über ein mit dem Taktsigna! ί_φ] angesteuertes Gatter (60) sowie nach der Multiplikation mit dem Faktor 2 im Multiplizierglied (53) über ein durch die Taktsignale tqa bis tcpfw/2) gesteuertes Gatter (61) an einen Intervalladdierer (52a) weitergeleitet wird, welcher durch das Berechnungstaktsignal (U) für Gas Berechnungszeitintervall zurückgestellt wird und als Ausgangssigna! Sie Phasenlagenwerte qR und (n + 2)qR litiert, weiche demjenigen Adressendecoder (3Ia',) des Verarbeitungskanals (5Ia^zugeführt wird, in dem die Fourier-Komponenten ungeradzahliger Ordr.ung berechnet werden, wobei eine logische Schaltung (57) die Taktsignale tcp 2 bis t^wn) des

Modulo Zählers (55) an das eine Gatter (61)

anlegt, und

d) daß der Addierer (22') zur Summierung der Fourier-Komponenten vorgesehen ist, die laufend in den beiden parallelen Verarbeitungskanälen (13a, 136,) zur Eingabe in den Akkumulator (14) berechnet werden, so daß bei Auftreten eines Berechnungstaktsignals (u) zur Festlegung des Berechnungszeitintervalls der Akkumulator die Summe aller wesentlichen Fourier-Komponenten für den laufenden Abtastpunkt mit der Phasenlage qR enthält.

3. Tonsignalsynthesizer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fourier-Koeffizientenspeicher Schieberegister (65a. 65r) aufweisen, denen jeweils eine Ladeschahung (68;? ' G8b) zugeordnet ist die über einen Addierer (47) mit Speichern (37a, 37b) für die Fourier-Koeffizienten bestimmter Klangfarben in Verbindung stehen, und daß eine Einheit (78) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Ausgang eines mit dem Taktsi- — + 1 VZählers (76)

den Zugriff zu den Speichern (73a, 736,1 der Fourier-Koeffizienten bestimmter Klangfarben steuert, wobei einzeln oder gleichzeitig betätigbare Schalter (StA, Sie) zwischen dem Addierer und jeweils einem Fourier-Koeffizientenspeicher angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft einen digitalen Tonsynthesizer gemäß dem Oberbegriff der einander nebengeordneten Ansprüche 1 und 2.

Ein solcher digitaler Tonsynthesizer ist Gegenstand des älteren deutschen Patents 23 02 214. Bei diesem wird die Wellenform des gewünschten Tonsignals aus den "Fourier-Komponenten errechnet und in einem

Wellenformspeicher gespeichert Diese Wellenform wird zur Erzeugung des gewünschten Tonsignals mit einer der gewünschten Tonhöhe entsprechenden Frequenz abgetastet

Aus der DE-OS 22 03 921 ist es bekannt, zur Sprachsynthese das Fourier-Theorem anzuwenden. Bei diesem bekannten digitalen Sprachsynthesizer wird die Wellenform eines stimmhaften Lauts, der sich aus einer Grundfrequenz mit überlagerten Oberwellen darstellen läßt, in Realzeit dadurch synthetisiert, daß für aufeinanderfolgende diskrete Abtastpunkte aus einem Speicher die Fourier-Koeffizienten des gewünschten Lauts entnommen und einem Multiplizierglied zugeführt werden. Dort werden diese Koeffizienten jeweils mit dem Sinuswert multipliziert, der für die betreffende Harmonische und den jeweiligen Abtastzeitpunkt aus einer Sinustabellenschaltung entnommen wird. Die hierdurch berechneven Fourier-Komponenten verschiedener Ordnung werden aufsummiert Die Summe wird als Augenblickswert des Tonsignals an einen Digital-Analogwandler gegeben. Die Adressierung der Sinustabellenschaltung erfolgt durch Inkrementieren der Adresse (Phase) der Sinustabellenschaltung.

Die parallele Verarbeitung von Daten in Rechenanlagen ist an sich bekannt (Taschenbuch der Nachrichten-Verarbeitung. K. Steinbuch, 1967, Seite 1009 bis 1017)..

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen digitalen Tonsynthesizer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Synthese der Tonsignale in Realzeit durch Berechnung der Fourier-Komponenten erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 bzw. 2 gelöst. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Anspruch 3.

Bei dem erfindungsgemäßen digitalen Tonsynthesizer erfolgt die Berechnung der Fourier-Komponenten in parallelen Kanälen, d. h. entweder werden Teilmengen der Fourier-Komponenten niedriger und höherer Ordnung in wenigstens zwei parallelen Verarbeitungskanälen berechnet oder es werden Teilmengen der Fourier-Komponenten geradzahliger und ungeradzahliger Ordnung in zwei parallelen Verarbeitungskanälen berechnet Auf diese Weise läßt sich die für die Berechnung der einzelnen Fourier-Komponenten zur Verfügung stehende Zeit gegenüber einem Einkanalsystem erheblich vergrößern.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand von Zeichnungen näher ' erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Tonsynthesizers nach wobei 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 Fig.3 vorgeschalteten logischen Elemente und

Fig.5 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der , Arbeitsweise des in Fig.3 dargestellten Fourierkoeffi-. zientenspeichers.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten digitalen Tonsynthesizer

10 werden die Töne von einem Toherzeügurtgssystern

11 abgegeben, wobei die Tonhöhen durch Schalter 12 einer Tastatur bestimmt werden. Die Erzeugung der Tonsignaie erfolgt dabei durch Bestimmung der diskreten Fourierkomponenten in parallelen Verarbeiturtgskanälen 13a, 136, wobei die Fourierkomponenten für diskrete Abtastpunkte einer den gewählten Ton bestimmenden Wellenform entsprechen. Die Fourier^ komponenten werden in einem Akkumulator 14 algebraisch summiert, so daß der Akkumulator 14 am Ende jedes Berechnungszeitintervalls t_x die Amplitude des jeweiligen Abtastpunktes enthält. Diese Amplitude wird über ein Gatter 15 aufgrund eines Berechnungstaktsignals f» auf der Leitung 16 an einen Digitat-Analog-Wandler 17 geführt, der eine der Amplitude des berechneten Tonsignals entsprechende Spannung an das Tonerzeugungssystem 11 weiterleitet. Die Berechnung tier Amplitude für den nächsten diskreten Abtastpunkt wird 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. Die Frequenzzahl R entspricht der Phasendifferenz zwischen zwei Abtastpunkten des Tonsr^nals. Zur Speicherung mehrerer Frequenzzahlen R dient ein Speicher 19, der entsprechend dem auf der Tastatur gewählten Ton eine Frequenzzahl ausgibt Die Wellenform des Tons wird duich Fourierkoeffizienten C_n bestimmt, die in Speichern 20a und 206 gespeichert sind und den Speichern bei der Berechnung der Fourierkomponenten entnommen werden.

Die Amplitude Xo(qR) des Tonsignals wird für jeden diskreten Abtastpunkt entsprechend folgender Gleichung berechnet:

= Σ

sin — η qR für q = 1,2,3...

rr

Dabei gibt η =1,23... die Ordnung der Harmonischen, W= — die Zahl der Harmonischen und N die

Zahl der Amplitudenabtastpunkte für den höchsten zu erzeugenden Ton der Frequenz fa an.
Außerdem ergibt sich das Berechnuhgszeitintervall

Nf_n

Λ - - - — = WNf_n.

te bestimmt das Zeitintervall, in welchem jede Fourierkomponente berechnet werden muß, wenn eine Zahl W an Harmonischen einzeln und nacheinander für jeden diskreten Abtastpunkt berechnet werden muß.

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

Der Amplitudenwert X^qR) wird für jeden Abtastpunkt im Zeitintervall t_x berechnet Die einzelnen

Föufierkomponenten

7*" = C_n · sin ^ · η qR

Werden für jede Harmonische getrennt berechnet Bei der in F i g, I gezeigten Ausführungsfofrn werden dabei die F<>Jrierkomponenten niedriger und höherer Ordnung in getrennten Verarbeitungskanälen 13a, 13i> berechnet, d; h., die Föüfiefkoiiipöriehten für die Werte

/J= 1,2..., — werden im Kanal 13a berechnet; Fourierkomponenten höherer Ordnung für die Werte

15

werden im Verarbeitungskanal 13b berechnet.

Die Berechnung der Fourierkomponenten niedriger und höherer Ordnung wird gleichzeitig ausgeführt, so daß beispielsweise gleichzeitig die Amplitude für die Harmonische neunter Ordnung (7?=9) im Kanal 136 und die Amplitude der Grundwelle (n= I) im Verarbeitungskanal 13a berechnet werden. Daraus ergeben sich die Fourierkomponenten P') und FW\ die von Leitungen 21a, 21 b 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 /^²' und /^¹⁰' werden ebenfalls gleichzeitig in den Verarbeitungskanälen 13a bzw. 136 berechnet, vom Additrglied 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

für denjenigen Abtastpunkt, der durch den Wert qR (Phasenlage des Abtastpunktes) bestimmt ist.

Am Ende des Berechnungszeitintervalls t_x wird der Amplitudenwert Xo über das Gatter 15 an den Wandler 17 angelegt Der Akkumulator 14 wird durch das über die Leitung 16 zugeführte Berechnungstaktsignal t_x gelöscht und es wird sofort die Berechnung der Fourierkomponenten für den nächsten Abtastpunkt eingeleitet Dabei wird der Wert der Phasenlage 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-/V-Addierer 25 vorgesehen, der als Wert qR die Phasenlage des betreffenden Abtastpunkts abgibt wobei der Wert qR am Beginn jedes Berechnungszeitintervalls t_x 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 Gatter 26 durch das Berechnungstaktsignal 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 λ= IZ--,

—in einen Intervalladdierer 27 gegeben, der vor Beginn jedes Berechnungszyklus gelöscht wird. Aufgrund des Taktsignals tcp jedes neuen Berechnungszyklus wird der laufende Wert qR im Addierer 25 über eine Leitung 28 und ein Gatter 29 fn den intervalladdierer 27 gegeben und nach jedem Taktsignal t_cp wird der Wert qR zürn vorangehenden Inhalt des Tonintervalladdierers 27 addiert Die Periode des Taktsignal t_cp ergibt sich dabei aus der Berechnungstaktfreqüenz

/ = —, d. h., es ist ί_φ = -^ .
P ^w

Somit enthält der Intervalladdierer 27 den Wert η qR für die n-te Harmonische niedriger Ordnung, die im Verarbeitungskanal 13a berechnet wird. Der Intervalladdierer 27 ist vorzugsweise auch ein Modulo-N-Addierer.
Ein Adressendecoder 3ia ruft von einer Sinustabet-

lenschaltung 32a den Wert sin—π qR ab, der dem über

die Leitung F i g. 33 vom Intervalladdierer 27 erhaltenen Argument η qR entspricht Die Sinustabellenschaltung 32a kann durch einen Festwertspeicher gebildet werden,

der die Werte für sin-^0 für 0< Φ<2 Wm Intervallen W

D speichert, wobei D die Auflösungskonstante des Festwertspeichers ist. Der Wert D ist dabei ebenfalls ein Konstruktionsparameter und somit frei wählbar. Da in der Sinustabellenschaltung sehr viel Werte in engen Intervallen zueinander vorliegen, läßt sich eine äußerst genaue Berechnung des zugeordneten Tonsignals ausführen.

Der Wert sin — η qR, der über die Leitung 34a

erhalten wird, wird durch ein Multiplizierglied 35a mit dem Fourierkoeffizienten C_n für die betreffende Harmonische n-ter Ordnung multipliziert. Das Produkt gibt die Amplitude P"> 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 der Taktsignale tcp abgerufen.

Zur Berechnung der Harmonischen höherer Ordnung werden die Werte

für n= 1,2,.., in den Taktintervallen t_cp erzeugt Der im Tonintervalladdierer 25 gespeicherte Wert qR wird mit

W
dem Wert—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

(?♦■)*

wird über eine Leitung 39 weitergeführt

Ein Adressendecoder 31Z> erhält von einer Sinustabellenschaltung 326 den Wert

Dieser Wert wird über eine Leitung 346 an ein

Multiplizierglied 356 geführt und mit dem vom Koeffizientenspeicher 2Oi abgegebenen Koeffizienten C_n multipliziert. Das auf diese Weise erhaltene Produkt wird über eine Leitung 21 6zum Addierer 22 geführt und liefert somit "üe Fourierkomponenten F"> höherer Ordnung.

Während des Berechnungszeitintervalls für die Amplitude Xo werden die Fourierkomponenten F")= C_n

_sj_n£./; qH fur/?= 1.2,3,...,—imaufeinanderfolgendVerar-

beitungskanal 13a beim Auftretender sequentiell erzeugten Taktimpulse t_cp berechnet. Entsprechend werden die Fourierkomponenten hoher Ordnung für die Werte

10

15

Vcrarbcifangsksna!

136 berechnet, wnhpi die

Berechnungszeitintervalle durch die Berechnungstaktsignale i, definiert sind. Bei dem in F i g. 1 gezeigten Tonsynthesizer erzeugt ein Taktgenerator 41 das

W Taktsignal f_cpauf der Leitung 42. Ein Modulo-—-Zähler

25

30

43 liefert nach jeweils—Taktsignalen t_cp ein Berechnungstaktsignal t_x über die Leitung 16. Durch die Verarbeitung in parallelen Kanälen nach F i g. 1 wird die

W Taktfrequenz f_cp des Taktgenerators 41 gleich—, d. h.

die Taktfrequenz entspricht der Hälfte der Taktfrequenz, die erforderlich ist, wenn eine Zahl IV 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 F i g. 1 zwei Verarbeitungskanäle 51a, 516 vorgesehen, wobei die Fourierkomponenten ungeradzahliger Ordnung (n= 1,3,5,...) im Verarbeitungskanal 51a und die Fourierkomponenten geradzahliger Ordnung (n=2,4,6,...) gleichzeitig dazu im Verarbeitungskanal 516 berechnet werden. Entsprechend Fig. 1 sind Schalter 12', ein Frequenzzahlspeicher 19', ein Gatter 26' und ein Addierer 25' vorgesehen, welche die gleiche Arbeitsweise haben, wie dies unter Bezugnahme auf F i g. 1 beschrieben ist Eine Leitung 26' gibt ein dem Wert qR entsprechendes Signal ab, welches den diskreten Abtastpunkt repräsentiert für den die Amplitude ΛΌ des Tonsignals berechnet wird. Intervalladdierer 52a, 526 für Harmonische höherer Ordnung sind mit den Verarbeitungskanälen 51a, 516 verbunden. In den aufeinanderfolgenden Berechnungszeitintervallen tcp wird der Intervalladdierer 52a zur Speicherung des Wertes nqR für ungeradzahlige Werte von η verwendet während die Werte π qR für gerade Werte von η im Intervalladdierer 526 gespeichert werden. Ein Multiplizierglied 53 multipliziert das Signal qR mit dem Faktor 2, so daß eine Leitung 54 den Wert 2 qR liefert

Ein Taktgeber 41' liefert die Taktsignale tcp auf einer Leitung 42'.

Ein Modulo—-Zähler 55 erzeugt das das Berech-

2 ·

nungsintervall festlegende Berechnungstaktsignal t* über eine Leitung 16'. so daß dieses nach jeweit

y Taktsignalen U₉ abgegeben wird. Dev Zähler 55 erzeugt außerdem Taktsignale tpi über eine Leitung 56a sowie Taktsignale tcp 2 bis tcpfwa) auf Leitungen 566 bis

60

O3 56/7. Die TaktE/gnale t_cp 2 bis t_cp<w/2) werden über jeweils ein ODER-Gatter 57 an eine Leitung 58 angelegt.

Bei der Erzeugung des ersten Taktsignals t_cp 1 wird der Wert qR über ein Gatter 60 an den lntefvalladdierer 52a angelegt. Bei den folgenden Taktsignalen t_cp2 bis tcpfwn) wird der Wert 2qR erzeugt, der über ein Gatter 61 von der Leitung 54 erhalten wird und der im Intervalladdierer 52a summiert wird. Somit wird zu den aufeinanderfolgend erzeugten Taktsignalen t_cp der inhalt des Intervalladdierers 52a den Wsrt nqR für ungeradzahlige Werte von π liefern. Ein Adressendecoder 31 a'entnimmt einer Sinustabellenschaltung 32a'den

Wert sin-j£ π qR. der dem vom Addierer 52a erhaltenen Argument η qR entspricht. Dieser Sinuswert wird mit dem entsprechenden ungeradzahligen Fourierkoeffizienten C_n durch das Multiplizierglied 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 Taktsignal t_cp angesteuert wird.

Eine zur vorbeschriebenen Arbeitsweise ähnliche Berechnung erfolgt im Verarbeitungskanal 516. wobei der Intervalladdierer 526 die Werte η qR für geradzahlige Werte von η speichert. Während jedes Taktsignals t_cp 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 Adressendecoder 316'entnimmt aus der Sinustabellenschaltung 326' den Wert sin ^k^ncl^R· ^{der dem vom}

Intervalladdierer 526 erhaltenen Argument η qR entspricht. Dieser Sinuswert wird mit dem zugeordneten Fourierkomponenten C_n. der aus dem Fourierkoeffizientenspeicher 206'erhalten wird, im Multiplizierglied 356' multipliziert, und das auf diese Weise erhaltene Produkt wird über eine Leitung 216' an den Addierer 22' weitergeführt. Der Addierer 22' summiert somit die ungeradzahligen und geradzahligen Fourierkomponenten, weiche in den Verarbeitungskanälen 51a und 516 paarweise berechnet werden. Die dadurch erhaltene Summe wird über eine Leitung 23' zum Akkumulator 14 (Fig. 1) gegeben, der die Amplitude Xo 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 Berechnungsintervall t_x werden hierbei acht Taktsignale t_cp zur Berechnung von sechszehn Harmonischen (W= 16) benötigt

Es können weitere parallele Kanäle vorgesehen werden; beispielsweise können vier parallele Verarbeitungskanäle benutzt werden, so daß jeweils ein Viertel der Harmonischen in jedem Kanal berechnet werden kann. Dabei würde die Taktfrequenz fcp ein Viertel der 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 Verarbeitungskanai 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 des Berechnungszeitintervalls t_x 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 Abtästpunkten darstellt. Die erfindungsgemäßen Tonsynthesizer werden nicht nur für Einton-Musikinstrumente, sondern auch für polyphone Musikinstrumente benutzt.

Die in Fig. 1 gezeigten Fourierkoeffizientenspeicher 20a, 2Oi können Schieberegister aufweisen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Ein Schieberegister 65a enthält gemäß Fig.3 die Koeffizienten C\ bis Qw i) für Harmonische niedriger Ordnung. Ein weiteres Schieberegister 656 enthält dann die Fourierkoeffizienten Cw/2 + il· Falls die Zahl der Harmonischen W= 16 ist. enthalten di= Schieberegister 65a bzw. 65b die Fourierkoef^;zienten G bis Cs bzw. Co bis Ct- Wenn das Schieberegister nach F i g. 3 bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tonsynthesizers verwendet wird, enthalten die Schieberegister 65a bzw. 656 die Fourierkoeffizienten C_n ungeradzahlige bzw. geradzahlige Werte von n.

Durch die Taktsignale t_cp wird im Schieberegister 65a jeweils eine Verschiebung um eine Position nach links erreicht, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist; das Taktsignal t_cp wird über die Leitung 42 an das Schieberegister angelegt. Bei einer derartigen Verschiebung 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 Taktsignals tcp 1 der Koeffizient Q über eine Leitung 71a für den Multiplizierer 35a über einen bestimmten Berechnungszyklus abgegeben: der Fourierkoeffizient d wird über eine Leitung 716 an den Multiplizierer 356 angelegt Wenn das nächste Taktsignal tcp 2 erzeugt wird, werden die Schieberegister 65a, 656 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 Schieberegistern 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 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 F i 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 Verwendung von Register-Schaltern erleichtert Bei der dargestellten Schaltungsanordnung wird eine erste Menge »A« von Fourierkoeffizienlen von einem Speicher 73a gespeichert und eine dazu unt ;rschifcdliche Menge »B« im Speicher 73b gespeichert. Wenn ein Register-Schalter ST_A geschlossen wird, werden die Fourierkoeffizienten des Speichers 73a über einen Addierer 74, Leitungen 75a, 756 und den Schaltkreis 68a, 6Sb 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 F1 g. 3 gezeigte Schaltungsanordnung ermöglicht auch die Verwendung kombinierter Stimmen. V/erden die Schalter S7a und ST_B geschlossen, dann werden die den Gruppen »A« und »B« zugeordneten Fourierkoeffizienten im Addierer 74 summiert und die auf diese Weise erhaltene Kombination 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 F i g. 5. Demzufolge werden einzelne Fourierkoeffizienten während der aufeinanderfolgenden Berechnungszyklen übertragen, so daß bei einer Betätigung eines neuen bzw. weiteren Register-Schalters eine Änderung des Tones über etwa W/2-Berechnungszeitintervalle ausgeführt wird. Diese Übergangszeit ist ausreichend kurz, so daß sie vom Hörer nicht bemerkt wird.

Bei der dargestellten Ausführungsform empfängt ein

Modulo-(— +Γ
Leitung 42. Der'

nach jeweils ( — + 1 ) Taktsignalen t_cp einen Ladeimpuls. 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, 686 und 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, 736 abgegeben sind.

Die Ladeschaltung 68a, 686 kann entsprechend F i g. 4 aufgebaut sein. Demzufolge empfangen drei UND-Gatter 81 als Eingangssignale das Signal der letzten Stelle 66a des Schieberegisters, das Taktsignal tcp der Leitung 42 und das Ausgangssignal eines Inverters 82, welcher die Ladeimpulse der Leitung 77 empfängt Wenn kein Ladeimpuis 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 Taktsignal tcp erzeugt

j-Zähler 76 die Taktsignale t_cp von der Der Zähler 76 erzeugt auf der L-, ^-v.ung 77

wird Auf diese Weise werden die Fourierkoeffizienten in den Schieberegistern durchgeschoben, d.h. in umlaufender Weise verschoben.

Wenn auf der L iitung 77 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 übertragen, d. h, der vorher an dieser Stelle befindliche Fourierkoeffizient wird in die Position 66a zurück verbracht. Wenn dieses Verschieben W72mal wiederholt ist, liegen alle neuen Fourierkoeffizienten in den Schieberegistern 65a, 656 vor.

Die Ladeimpulse müssen nicht gesperrt werden, wenn alle neuen Fourierkoeffizienten in die Schieberegister 65a, 650 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 66a¹ des Schieberegisters über die Leitung 77a übertragen wird. Demzufolge ist das von der Leitung 69a gelieferte Signal identisch mit dem Signal, welches zurückgeteitet würde, falls der Ladeimpuls gesperrt wird.

Das Zeitdiagramm nach F i g. 5 zeigt den wiederholten Ladevorgang der Schieberegister 65a, 65b. Wenn beispielsweise die Schieberegister am Beginn die Koeffizienten Cu bis QbA des Satzes »A« enthalten und die Taste 5Ts betätigt wird, werden beim nächsten Berechnungszyklus die Koeffizienten Q_b und G,_B der gewählten Gruppe »B« über den Ladccreis 68a, 68b zu den Schieberegistern 65a, 656 übertragen. Im folgenden Rechenzyklus werden zum Zeitpunkt

nach der Übertragung der Fourierkoeffizienten Q & Cg β die nächsten Fourierkoeffizienten Ci β und Go β in das Register eingegeben. Diese Arbeitsweise wird wiederholt, bis alle Fourierkoeffizienten der Gruppe »B« in die Schieberegister eingegeben sind.

Die Auswahl der Fourierkoeffizienien C_n wird durch die gewünschten Klangfarben bestimmt Beispielsweise können die Speicher 73a, 73b 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

Tabelle I	Satz »A« (Mensur)	(Dezibel	Satz »B« (Flöte)	(Dezibel	I
Koeffizient	(Relative	Äquivalent)	(Relative	Äquivalent)
	Amplitude)	0	Amplitude)	0	I
	127	- 5	127	-32
G	71	- 3	3	-20	I
C₂	90	-11	13	-42	i
Ci	36	-15	1	-42	I
G	23	-14	1	-42	S
C₅	25	-24	1	-42	I
α	8	-24	1	-50	I
Ci	8	-31	0	-50	ι
C₈	4	-31	0	-50	ti
G	4	-38	0	-50	fi
Go	2	-38	0	-50	i
Q₁	2	-38	0	-50	i
Q₂	2	-42	0	-50	j'
G 3	1	-42	0	-50	I
Cu	1	-42	0	-50
Gs	1		0	i
G₆			!

Die Frequenzzahlen R, die in dem Speicher 19 gespeichert sind, sind auf die Grundfrequenz der Töne, auf das Berechnungszeitintervall U und auf die Zahl der diskreten Abtastpunkte für den Ton mit der höchsten Grundfrequenz fa des jeweiligen Musikinstrumentes bezogen. Wenn beispielsweise die Frequenzzahl R für den Ton mit höchster Frequenz als Einheit ausgewählt ist, dann werden in dem Berechnungsintervall

^x Nf₁₁

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

Als Beispiel sind in der folgenden Tabelle Il die Frequenz, die Frequenzzahl R und die Zähl der Abtastpunkte je Periode für jede Note einer bestimmten Oktave angegeben. Der Ton Q, d. h. der der Taste C der Oktave 7 zugeordnete Ton ist als Ton höchster Gfundffeqüehz angegeben, welcher von dem Musikin* strument erzeugt wird, und ist somit der Ffequenzzahl R zugeordnet. Bei diesem Beispiel werden 32 Abtasipunk^

te für den Ton C₇ 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, dann

Tabelle II

wird der betreffende Sinus-Wert durch Interpolation erhalten. Nachdem die Sinus-Tabellenschaltung 32a viele Werte enthält, die geringen Abstand zueinander haben, läßt sich die betreffende Tonwellenform sehr genau berechnen.

Note	Frequenz	R	Zahl der Abtast
			punkte je
			Periode
	(Hz)
C₁	2093,00	1,000	32,00
B₆	1975,53	0,9443	33,90
A₁6	1864,66	0,8913	3532
Ai,	1760,00	0,8412	38,06
	1661,22	0,7940	4032
a	1567,98	0,7494	42,72
F_n 6	147958	0,7073	45,26
F₆	1396,91	0,6676	4735
	1318,51	0,6301	50,80
D_n 6	1244,51	0,5947	53,82
D₆	1174,66	0^613	57,02
*C_n6*	1108,73	0,5298	60,41
a	1046,50	0,5000	64,00
	Hierzu 4	Blatt Zeichnungen

Claims

pin) sin η qR ίο Patentansprüche:

1. Digitaler Tonsynthesizer zur Erzeugung von aus verschiedenen Klangfarben zusammengesetzten Klängen in einem elektronischen Musikinstrument, die mit Hilfe eines Taktsignals synthetisiert werden, wobei die Tonsignale an diskreten zeitlich aufeinanderfolgenden Abtastpunkten aus Fourier-Komponenten synthetisiert werden, wobei die Fourier-Komponenten eines einem Abtastpunkt entsprechenden Tonsignals gebildet, in einem Akkumulator summiert und über ein durch das Taktsignal gesteuertes Gatter einem Digital/Analog-Wandler zugeführt werden, mit einem Verarbeitungskanal, der folgende Baugruppen mit folgenden Funktionen aufweist:

ai) einen rourier-Koeffizientenspeicher,

2₂\ _ein Mu.ftinijzierglied, dem ein bestimmer Wert des Fourier-Koeffizientenspeichers zugeführt wird,

a₃) eine Sinustabellenschaltung, die für ein wählbares Argument den Sinus liefert und dem Multiplizierglied zuführt,

SU) einen Adressendecoder zur Ansteuerung der Sinustabellenschaltung,

b) eine Steuereinheit für die Fourier-Koeffizientenspeicher,

30

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Verarbeitungskanal {t3b) vorgesehen ist, der dem ersten (\3a) gleich ist und mit diesem die Steuereinheit (36) gemeinsam hat, wobei die Verarbeitungskanäle so aufgebaut sind, daß zur Berechnung der Fourier-Komponenten, entsprechend der Gleichung

40

im ersten Verarbeitungskanal (\3a) die Fourier-Komponenten niedriger und im zweiten (\3b) diejenigen höherer Ordnung innerhalb der Taktperiode (Up) des Taktsignals (t_cp) - das Symbol des Taktsignals ist gleich der Bezeichnung der Taktperiode — errechnet werden, wobei R eine jeder betätigten Taste zugeordnete Frequenzzahl, welche die Phasendifferenz zwischen benachbarten Abt;r'· punkten des Tones bezeichnet, η die Ordnung cu-r Harmonischen, W die Gesamtzahl der für die Synthese benutzten Harmonischen, C_n die Fourier-Koeffizienten der n-ten Harmonischen, q eine Indexzahl und das Produkt qR die Phasenlage des zugehörigen Abtastpunktes angeben, daß ferner die folgenden Baugruppen mit folgenden Funktionen vorgesehen sind:

c) eine Baugruppe (12,19,25,26,27,29,37,38,41, 43) zur Ansteuerung der Steuereinheit und der Adressendecoder, die ihrerseits folgenden Aufbau bzw. folgende Funktion hat:

θ) ein Taktgenerator (41) zur Erzeugung des Taktsignals (t_cp), wobei die Taktperiode t_cp die Gleichung

erfüllt, mit U=MNfH, wobei U sowohl das Berechnungszeitintervall als auch das Symbol für das Berechnungstaktsignal und N die Zahl der Amplitudenabtastpunkte für den höchsten zu erzeugenden Ton der Frequenz f_H ist,

C₃) ein Modulo-—-Zähler (43), dem das Taktsignal

(tcp) zur Erzeugung des das Berechnurgszeitintervall bestimmenden Berechnungstaktsignals (U) zugeführt wird,

ein Speicher (19), der Frequenzzahlen R speichert und entsprechend dem auf der Tastatur ausgewählten Ton die entsprechende Frequenzzahl R ausgibt, die über ein durch das Berechnungstaktsignal U gesteuertes Gatter (26) an einen Modulo-A/-Addierer (25) gegeben wird, der die dem betreffenden Abtastpunkt entsprechende Phasenlage qR abgibt, die einerseits nach einer Multiplikation mit dem Faktor Wl 2 im Multiplizierer (37) an einen Addierer (38) geleitet wird und andererseits über ein mit dem Taktsignal tcp angesteuertes ' Gatter (29) an einen Intervalladdierer (27) geleitet wird, der durch das Berechnungstaktsignal U für das Berechnungszeitintervall zurückgestellt wird und als Ausgangssignal den Wert nqR für die Phasenlage der Fourier-Komponente liefert, welcher einerseits dem Adressendecoder (3ta) des Verarbeitungskanals (13a,) zugeführt wird, in dem die Fourierkomponenten niedriger Ordnung berechnet werden, und welcher andererseits über den Addierer (38) dem Adressendecoder (3\b) des anderen Verarbeitungskanals (\3b) zugeleitet wird, der somit mit dem Wert

-τ- + « 1 QR

der Phasenlage zur Berechnung der Fourier-Komponenten höherer Ordnung angesteuert wird, und

d) daß der Addierer (22) zur Summierung der Fourier-Komponenten vorgesehen ist, die laufend in den beiden parallelen Verarbeitungskanälen (13a, 13^zUr Eingabe in den Akkumulator (14) berechnet werden, so daß bei Auftreten des Berechnungstaktsignals U zur Festlegung des Berechnungszeitintervalls der Akkumulator die Summe aller wesentlichen Fourier-Komponenten für den laufenden Abtastpunkt mit der Phasenlage qR enthält.

2. Digitaler Tonsynthesizer zur Erzeugung von aus verschiedenen Klangfarben zusammengesetzten Klängen in einem elektronischen Musikinstrument, die mit Hilfe eines Taktsignals synthetisiert werden, wobei die Tonsignale an diskreten zeitlich aufeinanderfolgenden Abtastpunkten aus Fourief-Körnpönenten synthetisiert werden, wobei die Fourier-Komponenten eines einem Abtastpunkt entsprechenden Tonsignals gebildet, in einem Akkumulator summiert und über ein durch das Taktsignal gesteuertes Gatter einem Digital/Analog-Wandler zugeführt werden, mit einem Verarbeitungskanal, der folgende Baugruppen mit folgenden Funktionen aufweist:

ai) einen Fourier-Koefrizientenspeicher,

a₂) ein Multiplizierglied, dem ein bestimmter Wert des Fourier-Koeffizientenspeichers zugeführt wird,

a3) eine Sinustabellenschaltung, die für ein wählbares Argument den Sinus Hefen und dem Multiplizierglied zuführt,

at) einen Adressendecoder zur Ansteuerung der Sinustabellenschaltung,

b) eine Steuereinheit für die Fourier-Koeffizientenspeicher.

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