DE2635424C2 - Einrichtung zum Übersetzen einer gespeicherten Klangschwingungskurve in eine Vielzahl unabhängiger Musiktöne in einem elektronischen Musikinstrument - Google Patents

Description

gekennzeichnet durch:

(a) mehrere als Tonregister (35, 36) bezeichnete digitale weitere Datenspeicher, von denen jeweils einer einem betätigten Tastaturschalter (12) zu?v-=isbar ist,

(b) mehrere Taktgeber (37, 38) veränderbarer Frequenz, von denen jeweils einer einem der Tonregister zugeordnet ist und mit einer Frequenz betrieben wird, die der Frequenz des dem Tonregister zugewiesenen betätigten Ta-Staturschalters entspricht,

(c) mehrere Speicherzugriffssehaltungen (45, 46), von denen jeweils eine einem der Tonregister zugeordnet ist, um zu bewirken, daß die im Tonregister gespeicherten Daten sequentiell und wipdp.rholt ausgelesen und in einen Musikton umgesetzt werden, und zwar mit einer Geschwindigkeit, -/e durch den dem Tonregister zugeordneten Taktgeber veränderbarer Frequenz bestimmt ist. jnd

(d) eine Datentransferschaltung (37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 45, 46) zum Transferieren der Klangschwingungskurvendaten aus dem ersten Speicher (34) in jedes der einem betätigten Tastaturschalter zugewiesenen Tonregister der Reihe nach, und zwar in einer solchen Weise, daß jeder Transfer der Klangschwingungskurvendaten mit der Speicherzugriffsschaltung des zugeordneten Tonregisters synchronisiert ist, um die Erzeugung der Musiktöne von dem betreffenden Tonregister nicht zu unterbrechen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datentransferschaltung die folgen den Merkmale umfaßt:

50

a) ein Taktselektor (42) nimmt den Transfer der Klangschwingungskurvendaten aus dem ersten Speicher (34) in jedes der Tonregister (35, 36) mit einer Geschwindigkeit vor, die durch den jeweiligen Taktgeber (37, 38) veränderbarer Frequenz gesteuert ist,

b) ein Synchronisierzeitdatenwort ist in den Tonregistern (35,36) gespeichert, und

c) eine Synchronisierschaltung (39) leitet den Transfer der Klangschwingungskurvendaten zu einem der Tonregister (35, 36) ein, wenn das Synchronisierzeitdatenwort von der zugeordneten Speicherzugriffsschaltung (45, 46) aus dem Tonregister ausgelesen wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Datentransferschaltung die weiteren folgenden Merkmale umfaßt:

a) einen Digital/Analog-Umsetzer (47, 48) zum Umsetzen der mittels der Speicherzugriffsschaltungen (45, 46) ausgelesenen gespeicherten Daten in analoge Musikschwingungsformen,

b) eine Hüllkurvenerzeugungseinrichtung (53, 54) zum Erzeugen einer Einsatz/Abfall-Hüllkurvenfunktion und

c) eine Hüllkurvenmodulationseinrichtung (51,52) zum Modulieren der analogen Musikschwingungsformen zwecks Gewinnung einer Einsatz- und Abfallhüllkurvenmodulation.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Übersetzen einer gespeicherten Klangschwingungskurve in eine Vielzahl unabhängiger, betätigten Tastaturschaltern entsprechender Musiktöne in einem elektronischen Musikinstrument, bei dem die aufeinanderfolgenden Punkte der Klangschwingungskurve unabhängig von der Tonerzeufung mit Hilfe einer diskreten Fourier-Transformation unter Verwendung einer vorgewählten Gruppe von Oberwellenkoeffizienten berechnet und in einem ersten Speicher gespeichert werden.

Eine derartige Einrichtung zum Übersetzen einer gespeicherten Klangschwingungskurve in eine Vielzahl unabhängiger Musiktöne in einem elektronischen Musikinstrument ist ihrer grundsätzlichen Art nach aus der DE-OS 23 02 214 bekannt Dort werden die in dem ersten Speicher gespeicherten Klangschwingungskurven wiederholt mit einem Takt ausgelesen, der der gewünschten Musiknotenfrequenz entspricht Demgegenüber erfolgt das Einschreiben eines einer geänderten Klangschwingungskurve entsprechenden neuen Datenwortes in den Speicher unter der Steuerung eines Decodierers, der in keiner Weise mit dem Auslesetakt synchronisiert ist Somit ist es insbesondere wegen der bekannten irrationalen Zahlenbeziehung zwischen den Musiknotenfrequenzen unvermeidbar, dall der Versuch, ein neues Datenwort in dem ersten Speicher zu speichern, häufig mit dem Befehl zusammenfällt, ein Datenwort aus diesem Speicher auszulesen. Irgendein Versuch, die Lese- oder Schreiboperation zu verzögern, führt zu einem quasi-zufälligen Phasensprung in der Klangschwingungsform und damit zu einem hörbaren Störgeräusch. Dieser Umstand stellt eine schwerwiegende Unzulänglichkeit der Musiktonerzeugung nach der DE-OS 23 02 214 dar.

Zum weiteren Stand der Technik wird auf die US-PS 35 15 792 und 38 09 786 verwiesen. Aus diesen Druckschriften sind die Vorteile einer digitalen Schwingungsformerzeugung in einem elektronischen Musikinstru ment grundsätzlich bekannt. Diese Vorteile umfassen:

a) realistische Simulation von Orgeltönen und anderen musikalischen Klängen, beispielsweise von einem Piano, einer Flöte, Schellen, gezupften Saiten usw.;

b) Erzeugung derselben Schwingungsform und damit derselben Tonqualität, und zwar unabhängig davon, welche Note oder Oktave gespielt wkd;

c) vereinfachte Realisierung von Grundton- und Obertonregistern;

d) gesteuerte Auswahl der Einsatz- und Freigabeoder Abfallcharakteristik der erzeugten musikalischen Noten;

e) vollkommen elektronischer Betrieb und

f) einfache Konstruktion unter Anwendung von gruppenweise hergestellter, digitaler Mikro-EIektronik.

Bei der aus der US-PS 35 15 792 bekannten Orgel werden die Musiknoten oder musikalischen Töne dadurch gewonnen, daß eine digitale Darstellung einer Schwingungsform, die beispielsweise für einen Orgelpfeifenton charakteristisch ist, gespeichert wird und dann diese gespeicherte Schwingungsform mit einer auswählbaren Taktfrequenz wiederholt ausgelesen wird, die die Grundfrequenz der erzeugten Note bestimmt In einem Schwingungsformspeicher sind somit die tatsächlichen Amplitudenwerte für eine Vielzahl von Abf.astpunkten gespeichert Ein Frequenzgenerator erzeugt sin Taktsignal mit einer Frequenz, die durch die Note bestimmt wird, die auf der O.-geltastatur oder den Pedalen ausgewählt worden ist Die gespeicherten Amplituden oder Amplitudeninkremente werden wiederholt mit der ausgewählten Taktfrequenz, die für jede Note verschieden ist aus dem Speicher ausgelesen, um den ausgewählten Musikton zu gewinnen. Das Einsetzen und Ausschwingen wird durch programmierte Teilung oder durch Teilung und Subtraktion der ausgelesenen Amplitude oder der ausgelesenen Inkrementwerte erreicht

Bei der aus der US-PS 38 09 786 bekannten Orgei werden die Musiknoten dadurch gewonnen, daß die Amplituden von aufeinanderfolgenden Abtastpunkten einer komplexen Schwingungsform berechnet und diese Amplituden während der Ausführung der Berechnungen in Noten umgesetzt werden. Ein diskreter Fourier-Algorithmus wird verwendet, um jede Amplitude aus einer gespeicherten Gruppe von harmonischen Koeffizient.η C_n und einer ausgewählten Frequenzzahl R zu berechnen, bei der es sich im allgemeinen nicht um keine ganze Zahl handelt, die die Schwingt-ngsformperiode erstellt Die vorzugsweise digital vorgenommenen Berechnungen treten unabhängig von der Schwingungsformperiode zu regelmäßigen Zeitintervallen t auf. Bei jedem Intervall t wird die Zahl λ' dem Inhalt eines harmonischen Intervalladdierers hinzuaddiert, um den Schwingungsabtastpunkt qR anzugeben, wobei ς= 1, 2, 3, ... Für jeden Abtastpunkt qR werden W einzelne Harmonischenkomponewtenwerte C_n sin (π nqR/W) berechnet, wobei n= 1, 2, 3,... W. Diese Werte werden algebraisch summiert, um die momentane Schwingungsformamplitude zu erhalten, die einem Digital/Analog-Umsetzer und dann einem Klangsystem zur Wiedergabe der erzeugten Musiknote zugeführt wird. Das Einsetzen, Ausschwingen und andere Modulationseffekte der Notenamplituden werden durch programmgemäße Teilung der harmonischen Koeffizienten erreicht. Bei einem polyphonischen Musikinstrument wird die Zeitaufteilungs- und Multiplextechnik angewendet, um für jede ausgewählte Note die Abtastpunktamplituden getrennt zu berechnen und diese Amplituden durch Summieren zu vereinigen, um den gewünschten musikalischen Gesamtklang zu erzeugen.

Die aus der US-PS 35 15 792 bekannte Orgel kann man modernen Musikinstrumenten der Gattung Tonsynthesizer oder Tongeßerator nicht leicht anpassen, da bei solchen modernen Musikinstrumenten die Toneigenschaften einer Note glatte kontinuierliche Zeitänderungen umfassen sollen. Die in dem Speicher geepeicherte Schwingungsform ist eine starre Darstellung einer vorgeschriebenen Tonstruktur. Man benötigt teuere digitale Filter, um die harmonische Struktur der gespeicherten Schwingungsformen zu modifizieren. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von gespeicherten Schwingungsformen besteht darin, daß man bei der ίο Realisierung der Zeitaufteilungstechnik in einem polyphonen System hohe Systemtaktfrequenzen benötigt Für einen Tonsynthesizer oder Tongenerator sind Töne erforderlich, die etwa 32 Oberwellen oder Harmonischen entsprechen. Bei C₇ hat die 32. Harmonische eine Frequenz von 2093 χ 32 = 67 kHz. Dies liegt weit oberhalb des Hörbereiches. Die effektive einzelne Kanaltaktfrequenz, die zum Auslesen einer solchen Schwingungsform benötigt wird, hat bei C7 einen Wert von 2 χ 67 = 134 kHz. Ein im Zeitaufteilungsbetrieb oder Zeitmultiplexbetrieb arbeitendes polyphones 12-Noten-System, das von einem einzigen Sr¹ wingungsformspeicher Gebrauch macht, müßte eine nv.'.iimale Systemtaktfrequenz von 1,6 MHz haben.

Die aus der US-PS 38 09 786 bekannte Rechnerorgel überwindet viele Schwierigkeiten der modernen Tonmusik, die durch nicht flexible Schwingungsformen im Speicher der digitalen Orgel hervorgerufen werden. Die Rechnerorgel stellt strenge Anforderungen an die Höhe der Frequenz der Systemtaktgeber. Wenn man bei C₇ mit einem einzigen Kanal einen Ton der 32. Harmonischen erzeugen will, muß der Systemtakt eine Frequenz von 4,29 MHz haben. Ein im Zeitaufteilungsbetrieb arbeitendes polyphones 12-Ton-System mit einem einzigen Rechenkanal erfordert eine minimale Systemfrequenz von 51,43MHz. Wenn man bei der aus der US-PS 38 09 786 bekannten Rechnerorgel eine Harmonischenbegrenzung vornimmt, benötigt man für eine Maximalfrequenz von 20,9 kHz (zehnte Harmonische von C₇) mit einem einzigen Kanalsystem e^:nen Takt von 1,34 MHz und bei einem polyphonen 12-Noten-System eine minimale Systemtaktfrequenz von 16,1 MHz. Eine w· itere Herabsetzung der Systemtaktfrequenz kann man durch Verwendung von zusätzlichen Schaltungsmaßnahmen erreichen, wie es aus der US· PS 38 09 788 bekannt ist.

Dieser weitere Stand der Technik hat grundsätzlich die gleiche Unzulänglichkeit wie die eingangs erläuterte Einrichtung zum Übersetzen einer gespeicherten Klangschwingungskurve in eine Vielzahl unabhängiger Musiktöne, nämlich das Auftreten störender Rauscherscheinungen bei Änderungen der berechneten Klangschwingungskurve. Herabsetzen lassen sich diese störenden Rauscherscheinungen lediglich durch Erhöhen Her Geschwindigkeit beim Berechnen der aufeinanderfolgenden Punkte einer gewünschten Klangschwingungskurve. Die damit gewonnene Flexibilität bei der Tonänderung wird jedoch durch die Verwendung äußerst kostspieliger schnell arbeitender Bauelemente erreicht.

Ausgehend voi. dem eingangs beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem polyphonen elektronischen Musikinstrument die Übersetzung der gespeicherten Klangschwingungskurve in die einzelnen Musiktöne ohne kostspielige schell arbeitende Bauelemente so vorzunehmen, daß bei der Tonerzeugung keine störenden Diskontinuitäten, Unterbrechungen oder Rauschvorgänge auftreten. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs

beschriebene Einrichtung zum Übersetzen einer gespeicherten Klangschwingungskurve in eine Vielzahl Unabhängiger Musiktöne nach der Erfindung gekennzeichnet durch:

mehrere als Tonregister bezeichnete digitale weitere Datenspeicher, von denen jeweils einer einem betätigten Tastaturschalter zuweisbar ist,
mehrere Taktgeber veränderbarer Frequenz, von denen jeweils einer einem der Tonregister zugeordnet ist und mit einer Frequenz betrieben Wird, die der Frequenz des dem Tonregister zugewiesenen betätigten Tastaturschalters entspricht,
mehrere Speicherzugriffsschaltungen, von denen jeweils eine einem der Tonregister zugeordnet ist, um zu bewirken, daß die im Tonregister gespeicherten Daten sequentiell und wiederholt ausgelesen und in einen Musikton umgesetzt werden, und •7-uuar mit pin*»r O*»«r»htuinHicrIipit Hi*» Hiimh Ae>n Hi»m ....... ........... ...........^._σ.-...,—.....................

Tonregister zugeordneten Taktgeber veränderbarer Frequenz bestimmt ist, und
eine Datentransferschaltung zum Transferieren der Klangschwingungskurvendaten aus dem ersten Speicher in jedes der einem betätigten Tastaturschalter zugewiesenen Tonregister der Reihe nach, und zv/ar in einer solchen Weise, daß jeder Transfer der Klangschwingungskurvendaten tinit der Speicherzugriffsschaltung des zugeordneten Tonregisters synchronisiert ist, um die Erzeugung der Musiktöne von dem betreffenden Tonregisi er nicht zu unterbrechen.

Beim Erfindungsgegenstand wird das mit den störenden Rauscherscheinungen verbundene Problem im Prinzip dadurch vollkommen überwunden, daß neben dem ersten Speicher die weiteren Datenspeicher in Kombination mit einem mit der Musiktonerzeugung synchronisierten Datentransfer verwendet werden. Die so erzeugten Musiktöne zeigen weder plötzliche Unterbrechungen noch Phasenrauschen, das sonst bei dem Versuch hervorgerufen wird, gleichzeitig in einen einzigen Speicher Daten einzulesen und auszulesen. Darüber hinaus können in dem beanspruchten Gegenstand kostengünstige digitale Mikro-Elektronik-Bautsi-Ie verwendet werden.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet

Zusammenfassend sei bemerkt, daß bei einem polyphonen elektronischen Musikinstrument mit einer nach der Erfindung ausgebildeten Einrichtung ein Rechenzyklus und ein Datentransferzyklus wiederholt und unabhängig voneinander ausgeführt werden, um Daten bereitzustellen, die in Musiknoten umgesetzt werden. Während des Rechenzyklus wird eine Hauptdatengruppe erzeugt indem von einem diskreten Fourier-Algorithmus Gebrauch gemacht wird, und zwar unter Verwendung einer Gruppe oder eines Satzes von harmonischen Koeffizienten, die die grundsätzliche resultierende Musiknote charakterisieren. Die Berechnungen werden mit einer schnellen Frequenz vorgenommen, die mit irgendeiner Musikfrequenz nicht synchron ist Mittel zur zeitlichen Änderung der Amplituden der berechneten orthogonalen Funktionen sind vorhanden, so daß der musikalische Effekt von Gleitformantfiltern hervorgerufen werden kann. Die harmonischen Koeffizienten und die orthogonalen Funktionen werden vorzugsweise in digitaler Form gespeichert, und auch die Berechnungen werde:n vorzugsweise digital ausgeführt. Am Ende des Rechenzyklus ist ein Hauptdatensatz erzeugt worden, der in einem Datenregister zwischengespeichert wird.
Im Anschluß an einen Rechenzyklus wird ein Ladezyklus eingeleitet, in dessen Verlauf der Hauptdatensatz zu eilier Gruppe von Lese-Schreib-Speichern transferiert wird. Der Transfer für jeden Speicher wird durch die Erfassung oder Feststellung eines Synchronisierbits eingeleitet und wird von einem Taktgeber zeitlich gesteuert^ der mit dem Haupttaktgeber asynchron ist und der eine Frequenz von P/hat, wobei /"die Frequenz einer besonderen Note ist die einem Speicher zugeordnet ist, und P ist das Zweifache der maximalen Zahl der Harmonischen in der musikalischen Schwingungsform. Der Transferzyklus ist beendet wenn alle Speicher geladen worden sind. Zu dieser Zeit wird ein neuer Rechenzyklus eingeleitet. Die Tonerzeugung wird kontinuierlich ohne Unterbrechung während der Re-

* «ι\*4 I Ai-Ia Lrlan υ ι· α r*\ η

Ein im Zeitmultiplexbetrieb arbeitender Digital-Analog-Umsetzer setzt die Ausgabedaten der Lese-Schreib-Speicher in analoge Spannungen um, die den einzelnen Tonkanälen zugeordnet sind. Der Digital/Analog-Umsetzer wird für alle Speicherausgabedatenumsetzungen zeitsequentiell gesteuert, um das Einsetzen, Ausklingen, Halten, Abfallen, Freigeben und andere Amplitudenmodulationseffekte vorzusehen.

Die E'findung wird an Hand einer Zeichnung erläutert wobei in verschiedenen Figuren vorkommende gleiche Komponenten mit denselben Bezugszahlen versehen sind. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das einen Rechenzyklus und einen Ladezyklus darstellt,

F i g. 2 typische musikalische Schwingungsformen, die von der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung erzeugt werden,

F i g. 3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines Harmonischenkombination-Subzyklus eines Rechenzyklus,

Fig.4 ein Blockschaltbild eines polyphonen Tongenerators mit Mitteln zur Harmonischenbegrenzung während eines Rechenzyklus,

Fig.5 ein Blockschaltbild eines polyphonen Tongenerators /ur Erläuterung des Transfers von asynchronen zu synchronen Zeittakten und der im Zeitmultiplexbetrieb erfolgenden Digital/Analog-Umsetzung,

F i g. 5a ein Zeitfolgediagramm für die im Zeitmultiplexbetrieb erfolgende Digital/Analog-Umsetzung,
F i g. 6 ein Blockschaltbild mit Mitteln für Instrumentenabteilungskoppler,

F i g. 7 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer Synchronisierbiterfassung und von Einsatz/Abfall-Zähiern,

Fig.8 ein logisches Schaltbild zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Synchronisierbitdetektors und der Funktion eines Notenselektorsteuersignals,

Fig.9 ein Blockschaltbild eines polyphonen Tongenerators, der von Walsh-Funktionen Gebrauch macht, und

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines nach der Erfindung ausgebildeten polyphonen Tongenerators.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert Die Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele soll jedoch den Schutzumfang nicht einschränken.

Bauliche und betriebliche Eigenschaften, die zuerst an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert werden, sind

auch späteren Ausführungsbeispielen eigen, es sei denn, sie sind augenscheinlich unzutreffend oder durch besonderen Hinweis ausgenommen.

Ein in der F i g. 1 dargestellter polyphoner Tbiisynthesizer oder Tongenerator 10 erzeugt über ein Klangsystern 11 eine Musiknote oder einen Musikton, der durch Betätigung eines Schalters ausgewählt wird, der Insff'iSiententästatüfschältefn 12 angehört In der Fig.2 sind typische Musikschwingungsformen dargestellt, die über eine Leitung 13 dem Klangsystem 11 zugeführt werden, wenn der den Musiknoten C;, Q bzw. Cs zugeordnete Instrumententastaturschalter betätigt wird. Jede dieser Schwingungsformen wird dadurch erzeugt, daß zunächst ein Hauptdatensatz berechnet wird. Der Hauptdatensatz wird dann in den Ober- oder Zeitbereich transformiert (Datenamplituden als Funktion der Zeit) und schließlich zeitlich so gestreckt, daß seine Grundperiode (d. h. die erste harmonische Periode) dem betätigten Schalter der Instrumententastatur 12 entspricht.

Es ist bekannt, daß die Klangcharakteristik eines besonderen Musikinstruments sinusförmige Komponenten der Grundfrequenz und von anderen Frequenzen enthält, die im allgemeinen zu der Grundfrequenz in einer harmonischen Beziehung stehen. Die relativen Amplituden dieser Komponenten bestimmen die Tonqualität des Klangs, und zwar unabhängig von der relativen Phase der einzelnen Komponenten.

Ein Musiksignal, das von dem einen Verstärker und einen Lautsprecher enthaltenden Klangsystem Ii wiedergegeben wird, besteht im allgemeinen aus einer analogen Spannung mit einer Schwingungsform (d. h. Spannung als Funktion der Zeit), die eine Überlagerung oder Zusammensetzung der harmonischen Komponenten des entsprechenden Klanges ist. Eine solche komplexe Schwingungsform kann man mathematisch mit den Termen der harmonischen Komponenten der bekannten Fourier-Reihen für periodische Schwingungen beschreiben. Der in der Fig. 1 dargestellte Tongenerator 10 erzeugt zunächst durch Synthese einen Hauptdatensatz, der auf der Grundlage der folgenden einzelnen i'ourier-Reihe berechnet wird:

sin (2 η N„/2 M) +

sin (2 nN_ql2 M) (D

Dabei gilt: /V=I, 2. ... 2W ist die Nummer eines Hauptdatensatzwortes, 9=1, 2, ... M ist die harmonisehe Nummer, M= W ist die Anzahl der bei der Synthese des Hauptdatensatzes benutzten Harmonischen, Cq sind die harmonischen Koeffizienten für einen Ton Nr. 1 und d_q sind die harmonischen Koeffizienten für einen Ton Nr. 2. q wird manchmal als Ordnung der Harmonischenkomponente bezeichnet Obwohl das Ausführungsbeispiel lediglich für eine Kombination aus zwei Tönen oder »Registern« erläutert wird, erstreckt sich die Erfindung auf eine beliebige Anzahl von Tönen. Die Anzahl M der Harmonischen kann bei der Planung oder bei der Konstruktion gewählt werden. Im allgemeinen wird eine Anzahl von 32 Harmonischen (M= 32) als ausreichend zur Synthese von klaren Tonklängen eines Musiktongenerators erachtet Mkann kleiner oder gleich W sein. W=N/2 ist die maximal mögliche Anzahl von Harmonischen für einen Hauptdatensatz mit N Wörtern.

Nachdem der Hauptdatensatz berechnet worden ist, Werden diese Daten in dem in der F i g, 1 dargestellten Tongenerator derart gestreckt, daß sie Musiknoten oder Musiktönen entsprechen, die durch Betätigung der Iristrümeritentastatufschalter 12 verlangt werden.

Bei der Betätigung eines Schalters der Instrumententastatur 12 wird diese Betätigung durch einen Notendetektör und Zuordner 14 erfaßt und festgestellt. Die Erfassung einer betätigten Taste führt zu einer Zuordnung eines im Detektor und Zuordner 14 enthaltenen Zwischenspeichers, dessen Daten den betätigten besonderen Tastaturschalter identifizieren. Der Detektor und Zuordner 14 gibt über eine Leitung 59 an eine Ablaufsteuereinheit 16 die Information ab, daß eine auf der Instrumententasiatur 12 betätigte Taste erfaßt worden ist.

Die logische Zeitsteuerung des in der F i g. 1 dargestellten Tongenerators erfolgt durch einen Haupttaktgeber 15. Vom Haupttaktgeber 15 führt eine Taktsteuerleitung 17 zur Ablaufsteuereinheit 16. Für den Haupttaktgeber 15 kann man einen verhältnismäßig großen Bereich von Frequenzen verwenden. Eine Frequenz von 1,1352 MHz wird bevorzugt

Die Ablaufsteuereinheit 16 gibt an einige Taktgeber Steuersignale ab, um die Synchronisation von verschiedenartigen logischen Funktionen zu ermöglichen. So werden beispielsweise auf einer Leitung 18 von der Ablaufsteuereinheit 16 logische Steuersignale zum Detektor und Zuordner 14 übertragen.

Die Arbeitsweise des Tongenerators 10 wird an Hand von Binärzahlen erläutert Negative Werte erhält man in üblicher Weise durch Bildung des Zweierkomplements. Der Rechenzyklus ist als ein sich wiederholender Vorgang definiert, dessen Funktion in der Berechnung der Gleichung (1) besteht Zu Beginn des Rechenzyklus werden ein Wortzähler 19, ein Harmonischenzähler 20 und ein Addiererakkumulator 21 in ihren Anfangszustand gebracht. Das heißt, diese Einheiten werden so eingestellt, daß sie einen Wen von 1 haben. In einer Tabelle I sind für die Systemlogikblöcke oder Systemlogikeinheiten die Inhalte zusammengestellt, die während der Rechenfunktion benutzt werden. Zu einer Zeit i|, die der ersten Bitzeit des Rechenzyklus entspricht, ist der Inhalt des Wortzählers 19 gleich der Zahl 1. Der Inhalt des Harmonischenzählers 20 beträgt ebenfalls 1. Die Zahl im Harmonischenzähler 20 wird zur Zeit ii über ein Tor 22 in den Addierakkumulator 21 gegeben. Ein Speicheradreßdecodierer 23 erhält die Zahl aus dem Addiererakkumulator 21 und veranlaßt, daß aus einer Sinuskurven-Tabelle 24 der Wert

sin 2,τ(1χ1)/W

ausgelesen wird. Der Kürze wegen wird in der Tabelle I die folgende Bezeichnung benutzt:

sin nN_qIW

(2)

Die Sinuskurven-Tabellenadiresse wird durch die folgende symbolische Bezeichnung abgekürzt:

■■ nN_afW

(3)

Ein Speicheradreßdecodierer 25 erhält die im Wortzähler 19 enthaltene Zahl, um entweder einen Harmonischenkoeffizientenspeicher 26 oder einen Harmonischenkoeffizientenspeichei· 27 auszuwählen. Die Auswahl erfolgt durch einen Moduio-32-Zähier, der mit einem bistabilen Tor verbunden ist, so daß entweder der eine oder der andere der beiden Harmonischenkoeffi-

zientenspeicher adressiert wird. Zusätzlich zur Auswahl eines der Harmonischenkoeffizientenspeicher adres* siert der Speicheradreßdecodierer 25 auch die geeigne-

Tabelle I

te Harmonischenzahl, die jeder Bitzeit in dem Rechenzyklus entspricht, wie es in der Tabelle I dargestellt ist.

SA

HC ADD

MR

MRC

1 2	1 2	1 1	1 1	(1X1) (2X1)
32 33	32 1	1 1	32 1	(32X1) (1X1)
64 65	32 1	1 2	32 2	(32X1) (1X2)
96 97	32 1	to to ·	64 2	(32X2) (1X2)

128

32

(32X2)

C1S1 C1S1	1 2	C1S2
C1Sn Ci1S1	32	C1Sn (C1 +U1)S1
C2S2	32 1	C1S1+C2S2+U1S1
dj2	32	CiS)2 +CjSg4 +U1Sn C1S1 +C2S2 +Ci1S1 +d2S2

Dabei gilt:

t: Bitzeit im Rechenzyklus

N: Inhalt des Wörtzählers 19

q: Harmonischenzahl, Inhalt des Harmonischenzählers

Nq: Inhalt des Addiereraldcumulators 21

A4: Sinuskurven-Tabellenadresse

HC: Harmonischenkoeffizienteneingabe zu einem Miltiplizierer

ADD: Eingabe zu einem Addierer 33

AiR: laufende Wortadresse zur Eingabe in ein Hauptregister

AiRC: Inhalt des Hauptregisters bei der Adresse MR

(Nxq): riNq/W

32

C₁S₁₂

_n +C₂S₆₄

Zur Zeit fi veranlaßt der Speicheradressendecodierer 25, daß der Harmonischcnkoeffizient C\ aus dem Harmonischenkoeffizientenspeicher 26 ausgelesen wird. Die Eingangssignale zum Multiplizierer 28 sind C\ an einer Leitung 29 und S\ an einer Leitung 30. Am Ausgang des Multiplizierers tritt daher der numerische Wert CiSi auf.

Die Funktionen eines Komplement-Bildners 31 und eines Phasen-Einstellers 32 werden noch beschrieben, nachdem die anderen prinzipiellen Tätigkeiten während des Rechenzyklus erläutert worden sind. Bis zur Beschreibung dieser beiden genannten Funktionen wird angenommen, daß der Komplement-Bildner 31 keine Komplementierung irgendeiner Eingangszahl vornimmt, so daß sowohl positive als auch negative Zahlen ohne Wechsel des algebraischen Vorzeichens vom Komplement-Bildner 31 dem Addierer 33 zugeführt werden.

Ein Hauptregister 34 ist eine Lese-Schreib-Gruppe von Registern, die vorzugsweise ein Ringschieberegister enthalten. Der Inhalt des Hauptregisters 34 wird zu Beginn des Rechenzyklus anfangs auf einen Wert von 0 gestellt Zur Zeit ii wird der Wert C₁Si in die Wortadresse 1 des Hauptregisters gegeben.

Bei der zweiten Bitzeit h wird der Wortzähler 19 auf einen Wert von 2 inkrementiert Der Oberwellen- oder Harmonischcnzähler 20 wird auf dem Wert von 1 gehalten und hält diesen Wert auch während der ersten 32 Bitzeiten des Rechenzyklus bei. Der Addiererakkumutator 21 erhält 7.u jeder Bitzeit den laufenden Wert von q des Harmonischenzählers 20. Zur Zeii t₂ nimmt daher der Addiererakkumulator den Wert N=2 an. Der Wert S₂, der der Adresse (2x1) entspricht, wird von der Sinuskurven-Tabelle 24 zum Multiplizierer 28 transferiert. Weiterhin wird zur Zeit h der Oberwellen- oder Harmonischenkoeffizient C₁ aus dem Oberwellen- oder Harmonischenkoeffizientenspeicher 26 gelesen. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 28 hat >inen Wert von CxS₂, der zu dem anfänglichen Wert von 0 des Wortes Nr. 2 im Hauptregister 34 hinzuaddiert wird, so daß das Nettoergebnis darin besteht, daß der Wert CxS₂ in die Wortposition zur Zeit t₂ gegeben wird.

Die erste Subroutine des Rechenzyklus wird für 32 Bitzeiten iteriert Am Ende der ersten Subroutine sind die Inhalte des Hauptregisters 34 die ersten 32 Werte, die in der Tabelle I unter der Spaltenüberschrift MRC (Hauptregisterinhalt) dargestellt sind.

Der Takt oder die Zeit fa leitet die zweite Subroutine des Rechenzyklus ein. Zur Zeit f^ kehrt der Wortzähler 19 zu seinem Anfangswert von 1 zurück, da diese Einheit ein Zähler (Modulo W) ist und für W der Wert 32 ausgewählt wurde. Die Rückschaltung des Wortzählers 19 wird vom Speicheradreßdecodierer 25 festgestellt Aufgrund dieser Feststellung wird veranlaßt, daß der Speicheradreßdecodierer 25 den Harmonischenkoeffizientenspeicher 27 für die nächsten aufeinanderfolgenden 32 Bitzeiten im Rechenzyklus adressiert Die Rückschaltung des Wortzählers 19 wird auch durch den Addiererakkumulator 21 festgestellt der daraufhin zu einem Wert von 0 zurückkehrt Zur Zeit /33 erhält daher der Addiererakkumulator 21 den laufenden Wert von 1 vom Harmonischenzähler 20. Dieser Wert veranlaßt wiederum, daß der Wert S₁ an der Leitung 30 erscheint. Gleichzeitig erscheint an der Leitung 29 der Harmoni-

schenkoeffizient d\. Nach erfolgter Multplikation wird der Wert cASi dem ersten Wort im Speicherregister 34 hinzuaddiert, um den laufenden Wert von c\S\ + diS\ zu erzeugen wie es in der letzten Spalte in der Tabelle ί für die Bitzeit i₃3 dargestellt ist.

Die zweite Subroutine des Rechenzyklus wird für 32 Bitzeiten iteriert. Am Ende der zweiten Subroutine des Rechenzyklus entspricht der Inhalt des Hauptregisters den in der Tablle I angegebenen Werten für die Bitzeiten /33 bis i«.

Der Takt oder die Zeit fes leitet die dritte Subroutine des Rechenzyklus ein. Zur Zeit ks nimmt der Wortzähler 19 wiederum seinen Anfangswert von 1 an. Die Rückschaltung des Wortzählers 19 wird vom Speicher-•dreßdecodierer 25 festgestellt, der daraufhin den Harmonischenkoeffizientenspeicher 26 für die nächsten aufeinanderfolgenden 32 Bitzeiten adressiert Zur Bitzeit <65 ist der Harmonischenzähler 20 auf den Wert q=2 vorgeschritten. Er behält diesen Wert für 64 aufeinanderfolgende BiUciicii uci lind bewirkt, däu d Harmonischenkoeffizient cj für 32 aufeinanderfolgende Bitzeiten adressiert wird und daß danach der Harmonischenkoeffizient di für 32 aufeinanderfolgende Bitzeiten adressiert wird. Zur Zeit fe erhält der Addiererakkumulator 21 den laufenden Wert q=2 vom Harmonischenzähler 20. Der Wert C2S2 wird dem Inhalt des Wortes Nr. 1 im Hauptregister 34 hinzuaddiert. Das Register enthält daher zu dieser Zeit den Wert

CiSi+CiS₂ +C/|S|.

Die dritte Subroutine des Rechenzyklus wird für 32 Bitzeiten iteriert. Am Ende der dritten Subroutine entspricht der Inhalt des Hauptregisters 34 den in der Tabelle I für die Bitzeiten fes bis fo aufgeführten Werten.

Die vierte Subroutine ist der dritten Subroutine thnlich, wobei der Harmonischenkoeffizient dz den Harmonischenkoeffizient es ersetzt, der während der dritten Subroutine benutzt wurde. Zur Bitzeit fa ist daher der Inhalt des Wortes Nr. 1 im Hauptregister 34 gleich dem Wert

ei Si + C2S2 + d\ Si + d₂S2.

Der Rechenzyklus schreitet mit den verschiedenen Subroutinen voran, bis die letzten 64 Bitzeiten für den Wert ς=32 im Harmonischenzähler 20 beendet sind. Am Ende des Rechenzyklus betragen die Werte für jede Adreßzahl des Hauptregisters 34 den durch die Gleichung (1) gegebenen Werten, wobei die Indizes /V=I, 2, ... 32 den Hauptregisteradreßnummern entsprechen.

Es ist nicht erforderlich, daß 64 Wortnummern im Hauptregister 34 sind, wie es durch die Gleichung (1) angegeben ist Lediglich die eine Hälfte dieser Werte muß während des Rechenzyklus berechnet werden, da man die übrigen Werte unmittelbar durch die bekannte ungeradsymmetrische Eigenschaft der trigonometrischen Sinusfunktion erhalten kann. Die übrigen Werte ergeben sich somit durch die ungerad-symmetrische Beziehung:

⁼ %65-N

33, 34,..., 64.

Der Rechenzyklus erfordert insgesamt 32 χ Ux 32 Bitzeiten, wobei Udie Anzahl der Harmonischenkoeffizientengrappen ist, die zur Synthese der Daten für einen komplexen Musikton verwendet werden. Bei dem in df r Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist U= 2. Das Rechenzeitintervall ist gleich einer Bitzeit. Die Sinuskurven-Tabelle 24 kann einen Festwertspeicher enthalten, der die Werte sind (nl\pß speichert, und zwar für θ = 1,2,... 64. Es ist von Vorteil, den Multiplizierer 28 in einer solchen Weise zu verwirklichen, daß sowohl der Multiplikator als auch der Multiplikand stets positive Zahlen sind. Bei einer bevorzugten Realisierung sind daher in der Sinuskurven-Tabelle lediglich die positiver. Werte für θ = 1,2,... 32 gespeichert. Wenn 33 <, θ S 64, wird dem Phasen-Einsteller 32 ein 1 -Signal zugeführt, um anzuzeigen, daß der Sinuskurvenwert, der zu der betreffenden Bitzeit ausgelesen worden ist, ein negativer Wert ist. Wenn 0<θ<32, wird ein O-Signal abgegeben. Zusätzlich zu der Aufgabe, den Multiplr > rer 28 nur mit positiven Eingangswerten arbeiten zu lassen, übernimmt der Phasen-Einsteller 32 noch die wichtige Aufgabe, den Maximumwert des Hauptdaten-

zo Satzes zu rninirniäicrün. Bekanntlich ist das Ohr gegenüber der relativen Phase der einzelnen Oberwellen oder Harmonischen in einem Musikton unempfindlich. Die Phase oder das algebraische Vorzeichen von irgendeiner der einzelnen harmonischen Komponenten der Gleichung (1) kann man daher umkehren, ohne daß der von dem in der F i g. 1 dargestellten polyphonen Tongenerator 10 hervorgerufene Klang geändert wird. In dem Phasen-Einsteller 32 ist eine Tabelle von 32 Werten von 1 und 0 gespeichert. Diese werden durch den entsprechenden Wert von q für jede! spezifische Bitzeit im Rechenzyklus adressiert, um ein Phasensteuersignal zu gewinnen. Da es keine eindeutige optimale Gruppe von Phasenkoeffizienten gibt, die den Spitzenamplitudenwert für alle möglichen komplexen Musik-Schwingungsformen minimisieren, wird die folgende Gruppe von Werten benutzt, die, wie experimentell bestätigt, ausreichende Ergebnisse liefert:

0,0,0.0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,1,1,0,0,1,1,0.1,1.0,1,0,0,1,0,1.0,1

Der Phasen-Einsteller 3? kombiniert die g-adressierten gespeicherten Phasendaten mit den vom Speicheradreßdecodierer 23 empfangenen Quadrantendaten in einem Exklusiv-ODER-Glied, um ein Steuersignal zu erzeugen, das dem Komplement-Bildner 31 7: !geführt wird. Auf diese Weise wird das positive Produkt des Multiplizierers 28 entweder durch den Komplement-Bildner 31 unmodifiziert dem Addierer 33 zugeführt oder das Produkt wird bezüglich seines algebraischen Vorzeichens wirksam umgekehrt, und zwar durch ein Signal, das veranlaßt, daß der Eingangswert des Komplement-Büdners 31 einer Komplementbildung unterzogen wird. Der Ausdruck »Komplement« wird für den üblichen binären Vorgang des Zweierkomplements benutzt

Anstelle der Speicherung der Phasenwerte in einer Tabelle kann man auch eine verdrahtete Digitallogik verwenden, um die gewünschten Werte für jeden Eingangswert der Harmonischenzahl q zu erzeugen.

Mit der Beendigung des Rechenzyklus leitet die Ablaufsteuereinheit 16 den Beginn des Datentransferzyklus ein. Während des Datentransferzyklus werden die Inhalte des Hauptregisters 34 in einer sorgfältig gesteuerten Weise Notenschieberegistern 35 und 36 zugeführt Obwohl der Datentransferzyklus lediglich an Hand von zwei Notenschieberegistern erläutert wird, soll dies keine Einschränkung darstellen, und es kann eine beliebige Anzahl solcher Register vorhanden sein.

Jedes Notenschieberegisterwort hat seine eigene

separate Bitposition für ein Synchronisierbit Diese Bitposition ist stets eine 1 für ein Wort im Register und eine 0 für alle anderen Wörter. Das Synchronisierbit wird von verschiedenen Logikblöcken benutzt, um den Anfangsphasenzustand der als Ring ausgebildeten Notenschieberegist-:r zu erfassen. Allgemeiner kann die Synchronisierung aus einem Synchronisierzeitdatenwort bestehen.

Wenn zunächst eine erste Taste der Instrumententastatur 12 betätigt worden ist, wird durch den Notendetektor und Zuordner 14 ein Notentaktgeber 37 zugeordnet. Der Notentaktgeber 37 und ein Notentaktgeber 38 werden vorzugsweise durch einen spannungsgesteuerten Oszillator realisiert Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Notentaktgeber mit dem Haupttaktgeber 15 nicht verriegelt sondern laufen asynchron. Wenn der Notendetektor und Zuordner 14 das Schließen eines Instrumententastaturschalters erfaßt bzw. feststellt transferiert er eine Steuerspannung oder ein Erfassungssignal an jeden Notentaktgeber, das diese Taktgeber veranlaßt mit einer Frequenz zu arbeiten, die dem ~64fachen der Grundfrequenz entspricht und zwar entsprechend den auf der Instrumententastatu. gedrückten Tasten.

Die Notentaktgeber 37 und 38 veranlassen die ihnen zugeordneten Notenschieberegister 35 und 36 die Daten mit ihren individuellen Taktfrequenzen ringzuschieben. Wenn das das Synchronisierbit enthaltende Wert aus dem Notenschieberegister 35 gelesen wird, wird seine Gegenwart durch einen Synchronisierbitdetektor 39 erfaßt Wenn ein Synchronisierbit erfaßt oder festgestellt worden ist, wird eine Phasenzeit eingeleitet und ein Phasensignal einem Notenselektor 40 zugeführt, der das besondere Notenschieberegister identifiziert und dazu dient den ersten Subzyklus des Datentransfer zykius einzuleiten. Sobald der erste Subzyklus eingeleitet worden ist, kann er durch die Erfassung eines weiteren Synchronisierbit durch den Synchronisierbitdetektor 39 nicht beendet werden. Das weitere Synchronisierbit könnte beispielsweise vom Notenschieberegister 36 stammen.

Bei Beginn des ersten Subzyklus des Datentransferzyklus benutzt der Notenseiektor die über eine Leitung 41 empfangene Information, um das Ausgangssignal an einer Leitung 43 vom Taktselektor 42 zu veranlassen, vom Haupttaktgeber 15 auf eine Taktfrequenz überzugehen, die vom Notentaktgeber 37 erzeugt wird. Die Wortinhalte des Hauptregisters 34 werden dann sequentiell zu einem Komplement-Bildner 44 transferiert. Während des Datentransfers vom Hauptregister 34 transferiert der Addierer die Daten lediglich vom einen Ende des Registers zum anderen Ende, ohne die Daten zu modifizieren. Die ersten 32 Wörter des Hauptregisters 34 werden durch den Komplement-Bildner 44 unmodifiziert zu dem Notenselektor 40 transferiert. Nachdem die ersten 32 Wörter des Hauptdatensatzes ausgelesen sind, wird die Schieberichtung des Hauptregisters 34 für den zweiten Subzyklus des Ladezyklus umgeschaltet, so daß die restlichen 32 Wörter in der umgekehrten Wortfolge 32, 31, 30,... 1 ausgelesen werden. Wenn die Inhalte des Hauptregisters das zweite Mal während der zweiten Hälfte des Ladezyklus gelesen werden, arbeitet der Komplement-Bildner 44, um das Komplement (negative Werte) jedes Eingabedatenworts zu transferieren. Der Notenselektor 40 sendet die Daten zu einem Ladeselektor 45. Der Ladeselektor 45 bzw. ein Ladeselektor 46 arbeiten, um die ihnen zugeordneten Notenschieberegister zu laden

oder um den Notenschieberegistern zu gestatten, in einem Ringschiebemodus zu arbeiten, wenn der entsprechende Datentransfersubzyklus beendet worden ist Vorzugsweise ist ein Vor/Rückwärtszähler vorgesehen, um das Zweirichtungslesen des Hauptregisters 34 zu steuern.

Nachdem das Notenschieberegister 35 mit den Daten geladen worden ist die vom Hauptregister mit der durch den Notentaktgeber 37 bestimmten Taktfrequenz transferiert wurden, ist der erste Subzyklus des Datentransferzyklus beendet Der zweite Subzyklus wird eingeleitet sobald der Synchronisierbitdetektor 39 in den aus dem Notenschieberegister 36 gelesenen Daten ein weiteres Synchronisierbit feststellt Der zweite Subzyklus läuft analog zum ersten Subzyklus ab, wobei jetzt der Notentaktgeber 38 benutzt wird, um den Transfer der Daten vom Hauptregister 34 zeitlich zu steuern.

Am Ende des Datentransferzyklus kann die Ablaufsteuereinheit 16 einen neuen Rechenzyklus einleiten. Während der Ausführung eines solchen neuen Rechenzyklus werden aus beiden Notenschieberegistern 35 und

36 unter der Steuerung ihrer einzelnen Notentaktgeber

37 und 38 Daten unabhängig ausgelesen. Durch die beschriebenen Maßnahmen ist der berechnete und vorübergehend im Hauptregister 34 gespeicherte Hauptdatensatz jetzt gestreckt worden, so daß er einer Musikschwingungsform bei Notenfrequenzen entspricht, die den betätigten Tasten der Instrumententastatur entsprechen.

Die Ausgangsdaten jedes Notenschieberegisters 35 und 36 werden mit Hilfe von Digital/Analog-Umsetzern 47 und 48 in analoge Spannungen umgesetzt Typische Musikschwingungsformen, die an Leitungen 49 und 50 auftreten, sind in der F i g. 2 dargestellt Die Musikschwingungsformen werden von Verstärkern 51 und 52 verstärkt, und die gewünschte Einsatz/Abfall-Hülle wird mit Hilfe von Einsatz/Abfall-Generatoren 53 und 54 bereitgestellt Die beiden Ausgangssignaie der Verstärker 51 und 52 werden in einer Summierschaltung 55 vereint und das resultierende zusammengesetzte Signal wird dem Klangsystem 11 zugeführt

Der Rechenzyklus und der Datentransferzyklus sind unabhängig voneinander, jedoch derart programmiert, daß sie aufeinanderfolgend ablaufen. Während eines Rechenzyklus werden die auszugebenden Musiktöne kontinuierlich erzeugt und nicht unterbrochen. Auch während des Datentransferzyklus werden die einzelnen Töne nicht unterbrochen, so daß die Musiktöne keine Diskontinuitäten aufweisen, falls die Harmonischenkoeffizienten nicht geändert worden sind. Falls irgendeine Steuereinrichtung geöffnet worden ist, beispielsweise irgendein Schalter 56 oder 57. ändert sich die Tonqualität mit der Beendigung des nächst nachfolgenden Rechenzyklus und Datentransferzykius. Die Schalter 56 und 57 werden im allgemeinen »Register« oder Tonschalter genannt.

Eine alternative Anordnung zur Synthese des Hauptdatensatzes ist in der F i g. 3 dargestellt. Vor dem Beginn jedes Rechenzyklus ist ein Harmonischenkombinationszyklus hinzugefügt. Der HaHnönisehenkombinationszykius wird durch die Ablaufsteuereinheit 16 eingeleitet Der Zykius wird dadurch in Gang gesetzt, daß die Wortzähler 19 und der Harmoiiischenzähler 20 auf einen Wert von 1 eingestellt werden. Der Addiererakkumulator 21 erhält ein Signal über eine Leitung 65 von der Ablaufsteuereinheit 16. Dieses Signal bleibt während des gesamten Harmonischen-

kombinationszylclus konstant und veranlaßt, daß der Addiererakkumulator 21 einen konstanten Wert von 32 hat. Der Speicheradreßdecodierer 23 adressiert daher den Wert S\6 von der Sinuskurven-Tabelle 24 zu jeder Bitzeit des Harmonischenkombinationszyklus. S\& ist im allgemeinen gleich 1 oder nahezu 1, was von der numerischen Genauigkeit der Sinuskurven-Tabelle 24 abhängt

Zu Beginn des Harmonischenkombinationszyklus wird der gesamte Inhalt eines Harmonischenregisters 60 durch ein Steuersignal von der Ablaufsteuereinheit 16 anfangs auf einen Wert von 0 eingestellt Während des Harmonischenkombinationszyklus erhält der Phasen-Einsteller 32 ein konstantes Signal Ober eine Leitung 66 von der Ablaufsteuereinheit 16. Das Signal an der Leitung 66 veranlaßt den Phasen-Einsteller, zu jeder Bitzeit den Wert 0 abzugeben. Der Komplement-Bildner 31 nimmt daher zu jeder dieser Bitzeiten keine Komplementbildung der numerischen Werte vor, die er vom Multiplizierer 28 erhält

Der Harmonischenkombinationszyklus beginnt mit der ersten Bitzeit Ai. Zur Zeit A₁ hat der Wortzähler 19 einen Wert von 1, der den Speicheradreßdecodierer 25 veranlaßt, den Harmonischenkoeffizientenspeicher 26 zu adressieren. Da der Harmonischenzähler 20 zur Zeit Ai einen Wert von 1 aufweist, wird der Harmonischenkoeffizient c\ aus dem Harmonischenkoeffizientenspeicher 26 ausgelesen und zu einem Datenselektor 64 transferiert, falls sich der Schalter 56 in seiner geschlosst nen Stellung befindet Während des Harmonischenkombinaiionszyklus gestattet der Datenselektor 64, daß die an einer Leitung 67 auftretenden Signale zum Multiplizierer 28 transferiert werden, während gleichzeitig ün Transfer von an einer Leitung 68 anliegenden Daten verhindert wird.

Die Eingabedaten zum Multiplizierer 28 zur Zeit Ai sind ο und S\t. Während des Harmonischenkombinationszyklus verhindert ein Tor 62, daß irgendwelche Daten vom Hauptregister 34 zum Addierer 33 gelangen können, wohingegen ein Tor 61 gestattet daß Daten vom Harmonischenregister 60 den Addierer 33 erreichen können. Zur ersten Bitzeit Ai ist daher das Ausgangssignal des Addierers 33 gleich der Summe von O + 0S16. Da 5t6 gleich oder nahezu gleich 1 ist, nimmt die Summe näherungsweise den Wert von α an. Ein Ladeselektor 63 gestattet, daß das Ausgangssignal des Addierers 33 in eine Wortposition des Harmonischenregisters 60 geladen wird. Das Harmonischenregister 60 ist eine Lese-Schreib-Gruppe von Registern, die vorzugsweise ein Ringschieberegister enthalten.

Für die ersten 32 Bitzeiten des Harmonischenkombinationszyklus werden der Wortzähler 19 und der Harmonischenzähler 20 aufeinanderfolgend inkrementiert und haben die Werte 1, 2,... 32. Auf diese Weise werden die Inhalte des Harmonischenkoeffizientenspeichers 26 veranlaß', daß sie zum Harmonischenregister 60 transferiert werden.

Der zweite Subzyklus des Harmonischenkombinationszyklus wird zur Zeit Λ33 eingeleitet die der Bitzeit 33 entspricht. Zur Zeit Λ31 wird der Wortzähler 19 automatisch auf einen Wert von 1 zurückgesetzt, da es sich bei ihm um einen Modulo-ä^Zähler handelt Der Speicheradreßdecodierer 25 stellt daher zur Zeit Λ33 das Rückschalten oder Rückstellen des Wortzählers 19 fest und veranlaßt demzufolge, daß der Harmonischenkoeffizientenspeicher 27 während der nächsten aufeinanderfolgenden 32 ßitzeiten des zweiten Subzyklus des Harmonischenkombinationszyklus adressiert wird.

Zur Zeit Λ33 wird der Harmonischenkoeffizient d\ zum Multiplizierer 28 transferiert, wenn der Schalter 57 geschlossen ist Die beiden Eingangssignale zum Addierer 33 sind c\ (bereits während des ersten Subzyklus zum Harmonischenregister 60 transferiert) und d\. Unter der Steuerung des Ladeselektors 63 wird dann der Wert c\ + d\ zum Harmonischenregister 60 transferiert Dieser Kombinationsvorgang wird während der 32 Bitzeiten des zweiten Subzyklus des Harmonischenkombinationszyklus iteriert Der Zyklus endet zur Zeit A«, wobei der Inhalt des Harmonischenregisters 60 gleich der Summe der Hannonischenkoeffizienten in den Harmonischenkoeffizientenspeichern 26 und 27 ist Im Harmonischenregister 60 können in Abhängigkeit vom Zustand der Tonschalter 56 und 57 entweder irgendeine oder beide Gruppen von Koeffizienten kombiniert werden.

Die Modifikation des Harmonischenkombinet^:onszyklus für irgendeine Vielzahl von Harmonischenkoeffizientenspeichern ist augenscheinlich. Der Harmonischenkombinationszyklus benötigt 32g Bitzeiten, wobei g die Anzahl der Harmonischenkoeinzientenspeiehcr ist
Wenn der Harmonischenkombinationszyklus beendet ist startet die Ablaufsteuereinheit 16 einen Rechenzyklus. Zusätzlich zu allen bereits beschriebenen Anfangssignalen für den Rechenzyklus werden gewisse weitere Signale benötigt, wenn ein Harmonischenkombinationszyklus entsprechend der in der F i g. 3 dargestellten Anordnung dem Rechenzyklus vorausgegangen ist. Während des Rechenzyklus werden der Speicheradreßdecodierer 23 und der Phasen-Einsteller 32 in ihren normalen Betrieb befohlen, wie es zuvor für den Rechenzyklus beschrieben ist. Dem Datenselektor 64 wird jetzt von der Ablaufsteuereinheit 16 befohlen, die an der Leitung 68 empfangenen Daten zum Multiplizierer 28 zu transferieren. Das Tor 61 erhält den Befehl, einen Datentransfer vom Harmonischenregister 60 zum Addierer 33 zu unterbinden und das Tor 62 läßt den Transfer von Daten vom Hauptregister 34 zum Addierer 33 zu. Der Ladeselektor 63 erhält von der Ablaufsteuereinheit 16 den Befehl, Daten vom Addierer 33 zum Hauptregister 34 zu transferieren. Diese Befehle oder Steuerungen bringen die in der F i g. 3 dargestellte Anordnung in die in der F i g. 1 dargestellte Konfiguration für den Rechenzyklus, allerdings mit der Ausnahme, daß die im Harmonischenregister 60 enthaltenen Daten anstelle der direkt aus den Harmonischenkoeffizientenspeichern 26 und 27 gelesenen Daten die Eingabedaten für den Multiplizierer 28 darstellen.

Der Rechenzyklus für die in der F i g. 3 dargestellte Anordnung benötigt 32x32=1024 Bitzeiten und ist unabhängig von dzr Anzahl der Harmonischenkoeffizientenspeicher. Das Harmonischenkombinationszeit-Intervall, das für einen Harmonischenkombinationszyklus erforderlich ist, beträgt das 32fache der Anzahl von Stopps gemessen in Zeitintervallen einer Bitzeit

Eine augenscheinliche Modifikation bei der Verwendung eines Harmonischenkombinationszyklus in Verbindung mit einem Rechenzyklus besteht darin, daß nach dem ersten HarrnQnischenkgrnbinationszyklus ein solcher Zyklus vor einern Rechenzyklus weggelassen wird, falls nicht eine Änderung im Zustand der Tonschalter 56 und 57 festgestellt Worden ist. Die Weglassung von redundanten Rechenzyklen ist von Vorteil, wenn es erwünscht ist, die Rechenzykluszeit so kurz wie möglich zu halten, und zwar widerspruchsfrei mit der Zeitlogik des Restes des polyphonen Töngene*

17

rators.

Der in der F i g. 1 dargestellte polyphone Tongenerator 10 wurde in Verbindung mit der Synthese von Tönen mit 32 Oberwellen oder Harmonischen beschrieben. Diese Anzahl von Harmonischen führt zu einer Maximalfrequenz von 2093 χ 32=66,97 kHz, wenn auf der Instrumententastatur die obere Musiktaste Cj betätigt wird. Das menschliche Ohr kann das Vorhandensein einer derart hohen Frequenz nicht feststellen. Es ist erwünscht, die höchste erzeugte Obertonfrequenz auf einen Wert zu begrenzen, der mit der menschlichen Gehörfähigkeit in Einklang steht Daraus ergeben sich gewisse Vereinfachungen der Anordnung, die im folgenden beschrieben werden.

In der Tabelle II sind maximale Obertonfrequenzen zusammengestellt, die vorgegebenen Harmonischen für

10

15 13

den Instrumententastaturbereich entsprechen. Die in der Spalte 4 aufgeführte maximale Frequenz wurde mit der Einschränkung berechnet, daß keine Obertonfrequenz 15 000 Hz übersteigen soll. In der Spalte 3 ist die maximale Harmonischennummer für jede Note angegeben, und zwar unter Berücksichtigung der vorgegebenen maximalen Frequenz von 15 kHt. Alle Noten von C2 bis, A*4 liegen innerhalb des Maximums der verwendeten 32 Harmonischen. Oberhalb vod A% muß der Gehalt an Harmonischen eingeschränkt w-erden, damit die maximale Frequenz nicht überschritten wird. In der Spalte 6 sind die maximalen Frequenzen angegeben, wenn man in dem Oktavenbereich C5 bis B5 21 Harmonische und in dem Oktavenbereich Ce bis C710 Harmonische verwendet

Tabelle Π

Frequenz

Harmonische

Max. Frequenz Harmonische

Max. Frequenz

₅
B₅
C₆
Q
D₆
D? E₆ F₆ F? G₆ G?
A₆
Af
B₆
C,

65,4 130,8

277,2

440,0

466,2

493,9

523,3

554,4

587,3

622,3

659,3

698,5

740,0

784,0

830,6

880,0

932,3

987,8

1046,5

1108,7

1174,7

1244.5

1318.5

1396,9

1480,0

1568,0

1661,2

1760.0

1864.7

1975.5

2093,0

32 32 32

2093

32

32

30

28

26

25

24

22

21

20

19

18

17

16

15

14

13

12

12

11

10

10

4186

8870 14,080 14,917 14,817 14,651 14,414 14,683 14,934 14,504 14,660 14,800 14,896 14,951 14,956 14,917 14,817 14,651 14,414 14,096 14.934 14,504 13,969 14,800 14,112 14,951 14,080 14,917 13,829 14,651

32 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

15,804 10,988 11,642 12,334 13,067 13,844 14,668 15,540 16,464 17,443 18,480 19.579 20,743 10,465 11,088 11,747 12,445 13,185 13,969 14.800 15,680 16,612 17,600 10,647 19,755 20,930

In der Fi g, 4 ist eine Unteranordnung dargestellt, die mit der in der F i g. 1 gezeigten Anordnung des ω Tongenerators 10 kombiniert ist, um eine Harmonischenbegrenzüngsfunktion entsprechend den Spalten Und 6 der¹ Tabelle Il zu verwirklichen. Das Aüsgangssi^ gnal des Komplement-Bildners 31 wird über eine Leitung 88 dem Addierer 33 zugeführt. Der Addierer 33 arbeitet in Verbindung mit dem Nr. 1 Hauptregister In einer Weise, wie es bereits an Hand der Fig. erläutert wurde. Für Werte der Harmonischenuummer q von weniger als 11 veranlaßt ein Tor 85, daß ein Nr. Hauptregister 86 mit denselben Daten wie das Nr. Hauptregister 34 geladen wird. Für Werte von q, die größer als iO sind, sperrt das Tor 85 die an einer Leitung 83 auftretenden Daten vom Addierer 33, so daß diese Daten das Nr. 3 Hauptregister 86 nicht erreichen können. Für diese Werte von q Veranlaßt das Tor 85, daß der Inhalt des Nr. 3 Hauptregisters 86 ohne Änderung ringgeschoben wird. Ein Tor 84 arbeitet in Verbindung mit einem Nr. Hauptregister 89 in einer analogen Weise

wie die Kombination aus dem Tor 85 und dem Nr. 3 Hauptregister 86, Der Unterschied besteht lediglich darin, daß das Tor 84 verhindert, daß an der Leitung 83 auftretende Werte mit einer Harmonischenzahl von mehr als 21 das Nr. 2 Hauptregister 89 erreichen,

Die drei Hauptregister 34, 89 und 86 werden jeweils durch ein gemeinsames Taktsignal zeitlich gesteuert, das über die Leitung 43 vom Taktselektor 42 aus zugeführt wird. Die Ausgansssignale der Hauptregister 34, 89 und 86 werden zu einem Datenselsktor 87 übertragen. Die Ablaufsteuereinheit 16 veranlaßt, daß der Datenselektor 87 von einem Hauptschieberegister Daten transferiert, die der Note entsprechen, die einem besonderen Notenschieberegister zugeordnet sind. Wenn somit ein Notensctiieberegister einem Notentaktgeber zugeordnet worden ist, der einem betätigten Instrumententastaturschalter im Bereich C2 bis B4 entspricht, erfolgt der Transfer vom Nr. 1 Hauptregister 34 zum Notenschieberegister. Wenn ein Notenschieberegister einem Taktgeber zugeordnet worden ist, der einem betätigten Tastaturschalter im Bereich C5 bis B5 entspricht, dann erfolgt der Transfer vom Nr. 2 Hauptregister 89 aus zu dem Notenschiebe-^gister. In ähnlicher Weise veranlassen Noten in dem Bereich Ce bis C₇, daß vom Nr. 3 Schieberegister 86 ein Datentransfer zu einem zugeordneten Notenschieberegister erfolgt

Die Harmonischenbegrenzung in dem polyphonen Tonsynthesizer kann man ohne weiteres auf eine beliebige Vielzahl von Oktaven oder Notenbereichsteilen aufteilen, und zwar in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Hauptregister und zugehörigen Tore. Die Anzahl dieser Register beeinflußt nicht die Anzahl der Bitzeiten im Rechenzyklus, die auf demselben Wert bleibt der für eine Anordnung gefordert wird, die nur von einem einzigen Hauptregister ohne Harmonischenbegrenzung Gebrauch macht

In der F i g. 5 ist eine alternative Ausgangs- oder Ausgabeunteranordnung für die in der F i g. 1 dargestellte Anordnung des Tongenerators 10 dargestellt Ziel der in i'sr F i g. 5 gezeigten Unteranordnung ist es, gemeinsame Schaltungselemente in zeitlicher Aufteilung bzw. im Zeitmultiplexbetrieb zu benutzen, um die mehrfache Verwirklichung von wiederholt vorkommenden, gleichen Schaltungsteilen zu vermeiden, wenn beispielsweise die Anzahl der Notenschieberegisler erhöht witd. In der Fig. 5 ist eine .m Zeitmultiplexbetrieb arbeitende Ausgabeunteranordnung für drei Notenschieberegister dargestellt, die drei gleichzeitig betätigten Noten auf der Instrumententastatur entsprechen. Diese Unteranorüiung kann auf eine beliebige Anzahl von Notengeneratoren ausgedehnt werden.

Die Arbeitsweise der ? i g. 5 ist für einen Zustand beschrieben, der irgendeinem Ladezyklus nach der Einleitung eines solchen Zyklus folgt. Die Notenschieberegister 35 und 36 sowie ein Notenschieberegister 93 arbeiten alle unter der Steuerung von den ihnen zugeordneten Notentaktgebern 37 und 38 sowie einem Notentaktgeber 91 in einem herkömmlichen Ringschiebemodus. Diese Taktgeber sind im allgemeinen in bezug auf den Haupttaktgeber 15 asynchron. Wenn ein Datenwort zum Ausgang eines Notenschieberegisters geschoben ist, wird es durch die zugehörige Ladeselek» torschaltung zurück zum Registereingang ringgescho* ben. Gleichzeitig wird jedes Ausgangsdatenwort zu Pufferregistern 94, 95 und 96 transferiert, die jeweils einem der Notenschieberegister 35, 36 und 93 zugeordnet sind. Die AiiJaufsteuereinheit 16 veranlaßt, daß ein Datenwort in jedem der Pufferregister sequentiell zu einem Datenselektor 97 transferiert wird. Die Zeitsequenz des Datentransfers von den Pufferregistern 94, 95 und 96 zum Datenselektor 97 ist in der Fig.5a dargestellt Die Abtastfrequenz für den Datentransfer von irgendeinem Pufferregister sollte mit einer Frequenz fx2xs erfolgen, wobei /die Maximalfrequenz und s ein Sicherheitsfaktor ist, um die Möglichkeit einer Frequenzdoppeldeutigkeit herabzu-

IQ setzen. Bei Harmonischenbegrenzung tritt entsprechend der Tabelle II ein Maximalwert von 20,930 kHz auf, der mit einem Sicherheitsfaktor von 2¹·³⁷"² = 1,0823 zu einer ausreichenden Abtastfrequenz von 46,03 kHz für einen einzelnen Kanal führt

Die zu einer Abtastzeit ausgewählten Daten werden mit Hilfe eines Digital/Analog-Umsetzers 98 in ein analoges Signal umgesetzt Die resultierende Spannung wird von einem Datenselektor 99 an irgendeine von drei Abtast- und Halteschaltungen 100, 101 und 102 gelegt Die Anzahl dieser Abtast- und Halteschaltungen entspricht der Anzahl der Noten?'hieberegister. Das analoge Signal wird auf seiner gegenwärtigen Amplitude so lange gehalten, bis ein einzelnes Pufferregister unter der Steuerung der Ablaufsteuereinheit 16 erneut veranlaßt wird, seinen laufenden Inhalt zu transferieren. Die Ausgangssignale von allen Abtast- und Halteschaltungen werden in der Summierschaltung 55 addiert und dann an das Klangsystem 11 abgegeben.

Die Ablaufsteuereinheit 16 enthält Momentaninforrnation über den Zustand der Hüile einer Note. Die Ablaufsteuereinheit 16 befiehlt daher, daß zu jeder Datenselektorzeit aus einem Einsatz/Abfall-Speicher 103 ein Wort ausgelesen wird, das für den momentanen Hüllenzustand der dieser besonderen Datenselektorzeit zugeordneten Note geeignet ist. Die aus dem Einsatz/ Abfall-Speicher adressierten digitalen Wörter werden von einem Digital/Analog-Umsetzer 104 in analoge Spannungen umgesetzt. Diese analogen Spannungen werden dem Digital/Analog-Umsetzer 98 zugeführt, damit sie die maximale Umsetzspannung steuern können, die für die laufende Datenselektorzeit erzeugt wird.

Die digitale Einsatz/Abfall-Unteranordnung aus dem Einsatz/Abfall-Speicher 103 und dem Digital/Analog-Umsetzer 104 kann durch eine übliche Analoghüllenerzeugungsschaltung ersetzt werden, die füi einen Tongenerator geeignete Amplitudensteuersignale erzeugt

In der F i g. 6 ist eine Unteranordnung dargestellt, die in Komoination mit der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung des Tongenerators 10 benutzt v/erden kann, um einreine Hauptdatensätze für einen polyphonen Tongenerator vorzusehen, der eine Vielzahl von Instrvrententastaturen aufweist. Jedem Satz von lastaturschaltern sind eigene individuelle Tonklänge zugeordnet oder, mit anderen Worten, jedem Satz ist eine eigene Gruppe von Harmonischenkoeffizientenspeichern zugeordnet. Es ist üblich, eine Instrumententastatur und die zugehörige Tongenerator-Unteranordnung mit »Abteil· ,ig« des Instruments zu bezeichnen. Die in der F i g. 6 dargestellte Unteranordnung ist für ein Instrument mit einer oberen und einer unteren Tastatur sowie einer Pedaltastatur, W. ie bei einer elektronischen Orgel, ausgerüstet.

Der Rechenzyklus der in der F i g. 6 gezeigten Unteranordnung seist sich aus drei Hauptsubzyklen zusammen, von denen jeder der Berechnung eines Hauptdatensatzes für jede der drei Instrumentenabtei-

luingen entspricht. Der Einfachheit halber werden die drei Rechensubzyklen im folgenden Ober-, Pedal- und Unter-Zyklus genannt. Während des Ober-Zyklus adressiert der Speicheradreßdecodierer 25 die Inhalte eines Ober-Harmonischenkoeffizientenspeichers 111. Wenn ein Schalter 110 geschlossen ist, werden die Ober-Harmonischenkoeffizienten zu einem Ober-Verstärkungsmultiplizierer 112 transferiert. Der Ober-Ver· stärkungsmultiplizierer 112 multipliziert, oder teilt, die Ober-Harmonischen durch eine Zahl, die im allgemeinen kleiner oder gleich 1 ist. Das Teilungssteuersignal tritt an einer Leitung 113 auf. Auf diese Weise werden die Beträge der Harmonischenkoeffizienten von dem Spieler während der Benutzung des Instrumentes entsprechend seinem eigenen Geschmack eingestellt. Das Ausgangssignal vom Ober-Verstärkungsmultiplizierer 112 wird dann als ein Eingangssignal dem Multiplizierer 28 zugeführt. Alle Logikblöcke, die dem Multiplizierer 28 vorangehen, arbeiten in einer Weise, wie es bereits in Verbindung mit dem in der Fig. I dargestellten Tongenerator 10 beschrieben ist. Auch der Komplement-Bildner 31 und der Addierer 33 arbeiten in der bereits beschriebenen Weise.

Während des Ober-Zyklus gestattet ein Ober-Tor 115 das Schließen des Schalters 129, daß das Ober-Tor 115 seine Eingangsdaten transferiert. Das Ober-Hauptregister 116 wird daher mit Daten geladen, die mit den in das Unter-Hauptregister 122 gegebenen Daten identisch sind. Während des Ober-Zyklus arbeiten alle Tore 117, 231 und 115 in ihrer normalen Weise. Das Ergebnis davon ist, daß am Ende des Ober-Zyklus das Ober-Hauptregister Daten enthält, die die Summe von Daten sind, die bei einem Ober-Zyklus berechnet

werden würden und die Wort für Wort Daten hinzugefügt sind, die während des Unter-Zyklus erzeugt worden sind.

Wenn der Schalter 128 geschlossen ist. ist ein Unter-nach-Pedalabteilungskoppler vorhanden. Das Schließen des Schalters 128 veranlaßt während des Unter-Zyklus, daß das Pedal-Tor 231 seine Eingangsdaten transferiert, so daß das Pedal-Hauptregister 121 die gleichen Daten enthält, die in das Unter-Register 122 geladen werden. Während des Pedal-Zyklus wird der Inhalt des Pedal-Hauptregisters 121 gleich der Summe der Daten im Unter-Hauptregister und der Daten, die normalerweise dem Pedal-Hauptregister 121 zugeordnet sind.
Obwohl die F i g. 6 ein einziges Hauptregister für jede

den Transfer der ihm zugeführten Eingangssignale, 25 der drei Instrumentenabteilungen zeigt, kann man alle

während ein Pedal-Tor 231 und ein Unter-Tor 117 ihre Eingangssignale an einem Transfer von Daten hindern. Weiterhin arbeitet während des Ober-Zyklus ein Registerselektor-Tor 114 in einer solchen Weise, daß oder irgendeines dieser Hauptregister durch eine Vielzahl von Registern ersetzen, wie es in der Fig.4 gezeigt und vorstehend beschrieben ist, so daß gleichzeitig mit der Abteilungskopplung eine Harmoni-

dem Addierer 33 lediglich Daten vom Ober-Hauptregi- ₃₀ schenbegrenzung vorgenommen werden kann. Weiter

~ '" " hin ist es augenscheinlich, daß alle oder irgend einer der

Harmonischenkoeffizientenspeicher nach der Fig.6 durch eine Harmonischenregister-Unteranordnung von der in der F i g. 3 gezeigten Art ersetzt werden können. In der Fig.7 sind Einzelheiten des Synchronisierbitdetektors 39 des in der F i g. 1 gezeigten Tongenerators 10 dargestellt. Die F i g. 7 zeigt insbesondere die Art und Weise, in der Synchronisierbits von den Notenschieberegistern erfaßt werden und Daten von asynchronen

ster 116 zugeführt werden. Der Addierer 33, das Ober-Tor 115, das Ober-Hauptregister 116 und das Registerselektor-Tor 114 arbeiten daher während des Ober-Zyklus in Kombination als ein Ringschieberegister, um sequentiell Zahlen dem Inhalt des Ober-Hauptregisters 116 hinzuzufügen. Der Pedal-Zyklus läuft in einer dem Ober-Zyklus analogen Weise ab. Während des Pedal-Zyklus werden Pedal-Harmonischenkoeffizienten aus einem Pedal-Harmonischenkoeffizienten-

speicher 118 ausgelesen. Diese Koeffizienten werden ₄₀ Taktgebern in einen gemeinsamen Synchronismus mit von einem Pedal-Verstärkungsmultiplizierer 120 durch dem Haupttaktgeber 15 gebracht und zur Steuerung ein Teilungssteuersignal an einer Leitung 125 modifi- '

ziert, wenn ein Schalter 119 geschlossen ist Das Ober-Tor 115 und das Unter-Tor 117 sperren ihre Eingangsdaten an einem weiteren Transfer, während das Pedal-Tor 231 die ihm zugeführten Eingabedaten an ein Pedal-Hauptregister 121 transferiert Das Registerselektor-Tor 114 transferiert nur Daten vom Pedal-Hauptregister, während von den anderen Hauptregistern empfangene Daten gesperrt sind. Während des Pedal-Zyklus wird daher das Pedal-Hauptregister als Ringschiebekombination zusammen mit dem Addierer geladen.

Der Unter-Zyklus läuft in einer dem Ober-Zyklus

analogen Weise ab, und dabei wird ein Unter-Hauptre- ₅₅ zirkuliert Das Startbit zu Beginn der Periode wird gister 122 geladen. benutzt um zur Aufrechterhaltung der Schwingungs-

Während der Subzyklen des Rechenzyklus können Abteilungskoppler betätigt werden. Die Abteilungskoppler werden von Schaltern 128 und 129 gesteuert die Kopplerschalter genannt werden. Wenn Schalter 129 geschlossen ist wird der Inhalt des Unter-Hauptregisters 122 wirksam dem Inhalt des Ober-Hauptregisters 116 hinzugefügt um einen Unternach-Oberabteilungskoppler vorzusehen. In der Oberabteilung betätigte Tasten rufen dann einen Kiang hervor, der eine Kombination aus dein gegeriwärtigen eines Einsatz/Abfall-Speichers 103 von der in der F i g. 5 gezeigten Art benutzt werden. Die Arbeitsweise der in der F i g. 7 dargestellten Logikblöcke wird für eine Zeit beschrieben, die dem ersten Ladezyklus folgt Wie es bereits an Hand der Fig. 1 erläutert wurde, ist das niedrigstwertige Bit jedes Notenregisters für ein Synchronisierbit reserviert Obwohl die Anordnung des Tongenerators 10 für Notenregister mit nur einer einzigen 1 in dem niedrigstwertigen Bit für die 64 Wörter beschrieben worden ist wird nun ein Extr-- 1 -Bit in diese Bitposition für Wort 33 eingefügt Zu Beginn jeder Periode des zusammengesetzten Tons als auch bei jeder Halbperiode wird daher ein Synchronisierbit

ggg

Oberabteilungsklang und dem gegenwärtigen Unterabteilungsklang ist Während des Unter-Zyklus veranlaßt formintegrität einen Ladezyklus einzuleiten und um in Verbindung mit dem Halbzyklusbit Zeit- oder Taktinformation zu liefern, um einen Einsatz/Abfall-Hüllen^der 60 generator von der in der Fig.5 gezeigten Art zu steuern.

Wenn entweder ein Startbit oder ein Halbzyklusbit zur Zeit des Auslesens eines Wortes aus dem Nr. 1 Notenschieberegister 35 festgestellt wird, wird dieses 3ii von einer Fangschaltung 130 zwischengespeichert Ein Randdetektör 131 erzeugt irnnier dann ein Impulssignal, wenn eine in der Fangschaltung 130 enthaltene Verriegelung gesetzt wird. Das Ausgangssi-

gnal des Randdetektors wird über eine Leitung 132 einer Rücksetzschaltung 133 zugeführt Gleichzeitig dient dieses Ausgangssignal zum Inkrementieren eines Einsatz/Abfall-Zählers 134. Zu Beginn des Einsatzes einer Note gibt oer Notendetektor und Zuordner 14 (Fig. 1) an eine Leitung 135 ein Signal ab, um den Einsatz/Abfäll-Zähler 134 zurückzusetzen. Wenn der Notendetektor und Zuordner 14 feststellt, daß der betreffende Tastaturschalter freigegeben (geöffnet) worden ist, wird der Einsatz/Abfall-Zähler erneut zurückgestellt, so daß er Halbzyklen für die Abfallhüllensteuerfunktton zählt. Die in der F i g. 7 ücargestellten Logikblöcke 36, 136,137, 138 und 139 arbeiten in einer zu den Logikblöcken 35,130,131,133 und 134 analogen Weise.

Die F i g. 8 zeigt die Realisierung der F i g. 7 mit logischen Gliedern. Das Notenregister 35 in der F i g. 7 ist aus Gründen der Erläuterung durch ein äquivalentes 64-Bn Wort-Synchronisierbitregister 150 ersetzt. Jedes aus dem Syrichronisierbitrcgisisr J50 gelesene Startbit und Halbzyklusbit wird über eine Leitung 151 einem Umschalte-Flipflop 152 zugeführt. Eine Kombination aus einem Bitverzögerungsglied 153. einem Umkehrglied 154 und einem UND-Glied 155 arbeitet wie ein Randdetektor, um immer dann an eine Leitung 156 einen Ausgangsimpuls zu legen, wenn das Flipflop 152 zurückgesetzt wird. Der Impuls an der Leitung 156 signalisiert den Start eines Zyklus für das Notenschieberegister, das dem Synchronisierbitregister 150 entspricht. Das Signal an der Leitung 156 wird von dem in der F i g. 1 dargestellten Synchronisierbitdetektor 39 benuizt. Eine Kombination aus einem UND-Glied 157. NAND-Gliedern 158 und 159 und einem Umkehrglied 160 arbeitet wie eine Signalverriegelung. Die Verriegelung wird jedesmal gesetzt, wenn ein Startbit oder Halbzyklusbit am Ausgang des Synchronisierbitregisters 150 erscheint und an einer Leitung 140 vom Haupttaktgeber 15 ein Impuls auftritt Die Verriegelung wird zurückgesetzt, wenn das Ausgangssignal des Synchronisierbitregisters 150 den Wert 0 annimmt Eine Kombination aus einem Bitverzögerungsglied 1604, einem Umkehrglied 161 und einem UND-Glied 162 arbeitet wie ein Randdetektor, um immer dann einen Impuls zu erzeugen, wenn an einer Leitung 163 der Verriegelung ein Signal auftritt Das Signal dieses Randdetektors wird benutzt, um den Einsatz/Abfall-Zähler 134 zu inkrementieren.

Bei dem in der F i g. 1 dargestellten Tongenerator 10 kann man die in der Sinuskurven-Tabelle 24 gespeicherten Sinusfunktionen durch Kosinusfunktionen ersetzen. Im Falle einer solchen Substitution wird die Hauptdatenfunktion durch die wie folgt definierten Fourier-Reihen erzeugt:

u ν

Zn = Σ ^c« *°^s QnNJlM) + Σ d, cos (2πΝ,/2Μ) «-ι «-ι (5)

Die Parameter haben denselben Bereich wie die in Verbindung mit Gleichung (1) genannten Parameter. Da die trigonometrische Kosinusfunktion in bezug auf den Halbzykluspunkt von gerader Symmetrie ist kann man den in der F i g. 1 dargestellten Komplement-Bildner 44 im Tongenerator 10 weglassen.

Es ist aus der Mathematik bekannt, daß für eine Periode einer Schwingungsform, beispielweise bei Musikklängen, allgemein gehaltene harmonische Reihen die Fourier-Reihen von den Arten nach der Gleichung (1) und der Gleichung (5) enthalten, jedoch nicht auf diese Reihen beschränkt sind. Die verallgemeinerten harmonischen Reihen werden in der folgenden Form geschrieben:

Mit Φη(η) wird dabei irgendeine Familie von orthogonalen Funktionen oder orthogonalen Polynomen bezeichnet. In Analogie zu den herkömmlichen Fourier-Reihen werden die Koeffizienten a„ verallgemeinerte harmonische Fourier-Koeffizienten genannt. Die Gleichung (6) wird auch häufig diskrete verallgemeinerte Fourier-Transformation genannt. Die ortho-

IS gonalen Polynome enthalten Legendre-, Gengenbauer-, Jacobi- und Hemite-Polynome. Die orthogonalen Funktionen enthalten Walsh-, Bessel- und trigonometrische Funktionen. In den Ansprüchen wird der Ausdruck orthogonale Funktion in verallgemeinerter Form

2Q benutzt und soll sowohl orthogonale Funktionen als auch orthogonale Polynome umfassen.

Einen allgemeinen polyphonen Tongenerator, der den in der F i g. 1 dargestellten Tongenerator 10 umfaßt, kann man für irgendeine der orthogonalen Funktionen oder Polynome dadurch verwirklichen, daß die Sinuskurven-Tabelle 24 durch Tabellen ersetzt wird, deren Werte solche orthogonalen Funktionen oder Polynome sind. In Abhängigkeit von der Symmetrie der ausgewählten Funktionen oder Polynome wird der Komplement-Biidner 31 benutzt, falls in bezug auf den Mittelpunkt eine ungerade Symmetrie auftritt, und er wird weggelassen, falls die Symmetrie gerade ist. Falls die ausgewählte Funktion oder das ausgewählte Polynom weder eine gerade noch eine ungerade Symmetrie zeig·, wird der Komplement-Bildner 31 weggelassen und das Hauptregister 34 wird auf 64 Wörter ausgedehnt. In diesem Fall wird der Rechenzyklus auf Intervalle von N= 1,... 64 erweitert. Weiterhin wird während des Ladezyklus das Hauptregister 34 nur in einer Richtung gelesen, um seine 64 Datenwörter zu transferieren.

Die Walsh-Funktionen sind im Hinblick auf digitale Systeme interessant, da die Amplituden lediglich Werte von 1 oder 0 annehmen. Die Walsh-Funktion (Wal) kann in eine SaI- und eine CaI-Funktion zerlegt werden. Die Sal-Funktion ist in grober Annäherung der trigonometrischen Sinus-Funktion ähnlich und hat ebenfalls eine ungerade Symmetrie in bezug auf den Mittelpunkt. Die Cal-Funktion ist in grober Annäherung der trigonomefrischen Kosinusfunktion ähnlich und hat in bezug auf den Mittelpunkt ebenfalls eine gerade Symmetrie. In der F i g. 9 ist derjenige Teil des Tongenerators 10 nach der F t g. 1 dargestellt der zum Betrieb mit Sal-Funktionen modifiziert worden ist

In einer Tabelle III sind die Sal-Funktionen SaI₁₁(N) für Werte der »Sequenz« (analog zur herkömmlichen Frequenz) q von 1 bis 16 und für Werte von N von 1 bis 32 dargestellt Die Angaben für TV größer als 32 erhält man durch Anwendung der Eigenschaft der ungeraden Symmetrie für Wim Bereich von 33 bis 64:

= -Sal_f(65-2V)

Der Kürze halber ist die Tabelle III auf Werte von q beschränkt die kleiner als 17 sind, obwohl die Arbeitsweise der in der F i g. 9 dargestellten Unteranordnung für Werte von q beschrieben wird, die von I bis 32 reichen.

25

Tabelle III

//1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

In einer Tabelle IV sind sowohl die herkömmlichen Fourier-Koeffizienten (trigonometrische Funktionen) und die SaI-Walsh-Koeffizienten für eine Schwingungsform aufgeführt, bei de;' es sich zum einen um eine einzige Sinusschwingung und zum anderen um eine Sinusschwingung mit der halben Periode der zuerst genannten Sinusschwingung handelt.

Die in der F i g. 9 dargestellten Logikblöcke 16,19,20, 22,23,25,33,34 und 44 arbeiten in der gleichen Weise, wie es bereits für die in der Fig. 1 dargestelllte Anordnung des Tongenerators 10 beschrieben wurde. Die Walsh-Sal-Tabelle 180 ersetzt die Sinuskurven-Tabelle 24 der F i g. 1 und wird während eines Rechenzyklus in der gleichen Weise adressiert Der Speicheradreßdecodierer 25 veranlaßt, daß die Walsh-Koeffizienten aus Walsh-Köeffizienten^Speicherri 181 und zu geeigneten Zeiten während einer Rechenfunktion ausgelesen werden. Anstelle des Multiplizierers benutzt die Walsh-Funktionsanordnung einen Komple-

Tabelle IV

1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1

1
1
0
0
0
0
1
1
0
0

1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1

"0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0

L 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0

ment-Bildner 183. Da zu irgendeiner Bitzeit die Sal-Funktion entweder 1 oder 0 ist, besteht die erforderliche effektive Multiplikation darb' entweder einen Walsh-Koeffizienten unverändert zu transferieren, wenn eine 1 in der Walsh-Sal-Tabelle 180 adressiert worden ist, oder den Walsh-Koeffizienten einer Komplementbildung zu unterziehen, wenn aus dieser Tabelle eine 0 adressiert worden ist

Es ist augenscheinlich, daß die verschiedenartigen Unteranordnungen, die bereits in Kombination mit der in der F i g. 1 dargestellten Anordnung des Tongenerators 10 beschrieben worden sind, gleichermaßen auf die Anordnung anwendbar sind, bei der die Sinuskurven-Tabelle durch eine Tabelle mit verallgemeinerten harmonischen Funktionen ersetzt worden ist, beispiels-55: weise durch eine Tabelle mit den Walsh-Sal-Fünktionen, und die Harmonischenkoefflzientenspeicher durch Speicher mit den verallgemeinerten harmonischen Koeffizienten ersetzt worden sind.

Fourier

Koeffizient

A. Sinusschwingung

Sal-Walsh-Koeffizienz

Fourier- Walsh-

KoefEzJent Koeffizient

B. 2. Harmonische der Sinusschwingung

63 0

40,0851 0.1171 0
63

0,0406 40.3554

27 28

Fortsetzung

Fourier_: Walsh-

Koefilzient Koeffizient

B. 2. Harmonische der Sinusschwingung

In der Fig. 10 sind die grundsätzlichen Systemlogik- wurde, können die Systemfunktionen auch in analoger

blöcke für einen polyphonen Synthesizer oder Tongene- 25 Form ausgeführt werden. Die verschiedenen Schiebere-

rator dargestellt, der die Grundanordnung des Ton- gister können durch analoge Einheiten ersetzt werden,

generators 10 in Verbindung mit Formantfiltern, beispielsweise durch ladungsgekoppelte Ein-Element-

Harmonischenregistern, Harmonischenbegrenzungs- Speicherzellen-Einrichtungen.

einrichtungen und im Zeitmultiplexbetrieb arbeitenden Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von

Ausgabedatenkanälen enthält. Rei der Funktionstabelle 30 asynchronen Taktgebern für die Notentaktgeber

Λ01 handelt es sich um eine Tabelle, mit verallgemeiner- begrenzt. Es können auch Takte verwendet werden, die

ten harmonischen Funktionen. synchron von dem Haupttaktgeber 15 abgeleitet sind.

Obwohl eine digitale Mechanisierung beschrieben

Fourier ·	Sai-Walsh-
Koeffizient	Koefllzienz
A. Sinusschwingung
0	-16,8030
0	- 0,0762
0	- 3,4144
0	- 0,0064
0	- 7,9651
0	- 0,1409
0	- 0,6137
0	0,2439
0	0,3078
0	0,1841
0	- 1,5416
0	- 0,0783
0	- 4.1875
0	0,1992

0	- 0,2160
0	- 0,0762
0	- 0,1150
0	-16,6737
0	0,0002
0	- 0,1409
0	0,1709
0	- 3,5592
0	- 0,0172
0	0,1841
0	0,0920
0	- 8,0822
0	- 0.2455
0	0,1992

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1, Einrichtung zum Obersetzen einer gespeicherten KJangschwingungskurve in eina Vielzahl unabhängiger, betätigten Tastaturschaltern entsprechender Musiktöne in einem elektronischen Musikinstrument, bei dem die aufeinanderfolgenden Punkte der Klangschwingungskurve unabhängig von der Tonerzeugung mit Hilfe einer diskreten Fourier-Transformation unter Verwendung einer vorgewählten Gruppe von Oberwellenkoeffizienten berechnet und in einem ersten Speicher gespeichert werden,