DE3231925C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von Hall für analoge Tonsignale und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von Hall für analoge Tonsignale gibt es einen A/D-Wandler (AD) zur Umwandlung der analogen Tonsignale in digitale Tondaten, eine Verarbeitungseinheit (2) zur Behandlung der digitalen Tondaten und einen D/A-Wandler (DA) zur Rückwandlung der behandelten digitalen Tondaten. Ein Mikroprozessor (MP) ist mit Leitungen (4) für die digitalen Tondaten verbunden und wird als Rechner verwendet, der Multiplikationen durch Verschieben und gegebenenfalls Addieren von Digitalwerten ausführt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hall für analoge Tonsignale, mit einem A/D-Wandler zur Umwandlung der analogen Tonsignale in digitale Tondaten, einer Verarbeitungseinheit zur Behandlung der digitalen Tondaten, einem D/A-Wandler zur Rückwandlung der behandelten digitalen Tondaten und einem die Vorrichtung steuernden Mikroprozessor, wobei die Verarbeitungseinheit einen Tondaten-Speicher und einen 16-bit-Rechner für Additionen und Multiplikationen aufweist, die mit Leistungen für die digitalen Tondaten verbunden sind.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (»Studio« Sonderdruck September 1980 »Lexicon 224 DK.itales Hallgerät«} wird der gewünschte Hall dadurch erzeugt, daß mehrere Allpaß-~ilter-Berechnungen nacheinander erfolgen, wobei die Tondaten, die zu unterschiedlichen Zeiten gespeichert worden sind, addiert werden, nachdem sie teilweise zuvor mit einem Verstärkungsfaktor kleiner 1 multipliziert worden sind. Sämtliche Rechenarbeitsgänge müssen innerhalb eines Arbeltstaktes der Wandler durchgeführt sein. Da zur einwandfreien Nachbildung der Analogsignale durch DigHaldaten die Taktzeiten klein gehalten werden müssen, andererseits aber die Rechenvorgänge wegen der zahlreichen Multiplikationen eine große Zahl von Einzelschritten erfordern, weist die Verarbeitungseinheit einen als Arlthmetlk-Prozessor ausgebildeten Rechner mit --shr hoher Taktfrequenz und einen dieser Frequenz angepaßten Tondaten-Speicher auf. Beides sind sehr aufwendige Baugruppen, so daß die Hallvorrichtung insgesamt sehr teuer ist. Außerhalb des Leitungssystems der digitalen Tondaten gibt es einen Mikroprozessor, der mit einem Fernbedienungsteil, der Zeltsteuerung der Verarbeitungseinheit, einem Programmspeicherteil und gegebenenfalls weiteren Steuereinrichtungen verbunden ist. Er dient zur Auswahl und Beeinflussung des Hallprogramms unter Berücksichtigung der Einstellungen des Fernbedienungsteils.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die zur Erzeugung des gewünschten Halls einen wesentlieh einfacheren Aufbau hat und daher auch preiswerter hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der steuernde Mikroprozessor mit den Leitungen für die digitalen Tondaten verbunden, für eine Interne 16-bit-Verarbeitung ausgelegt und als Rechner verwendet Ist. und daß die Wandler - zum Zweck der Ausführung ivon Multiplikationen durch Verschieben und gegebenenfallSiAddierendem Digitalwerteh im Mikroprozessor- für die Verarbeitung von 12- bis 14-bit-Tondaten ausgelegt sind.

Mikroprozessoren haben eine vergleichsweise geringe Taktfrequenz. Wenn mit Ihrer Hilfe zwei Digitalweric multipliziert werden sollen, könnten innerhalb eines

Arbeitstakts der Wandler höchstens ein oder zwei Multiplikationen durchgeführt werden, was für die Hallerzeugung unzureichend ist. Wenn aber die Multiplikation auf bestimmte Werte beschränkt wird, nämlich diejenigen, die sich durch Verschieben und gegebenenfalls Addieren, also Summleren oder Subtrahieren, ergeben, erfordern diese Multiplikationen nur ganz wenige Schritte. Die Taktfrequenz eines üblichen Mikroprozessors reicht daher aus, die erforderliche Zah! von Multiplikationen und soi.stlgen Rechenarbeitsgängen innerhalb eines Arbeitstaktes der Wandler durchzuführen.

Da der Mikroprozessor nicht nur Steuerungsaufgaben versieht, sondern auch als Rechner arbeitet, kann der bisher verwendete Spezialrechner (Arithmetik-Prozessor) hoher Taktfrequenz entfallen. Darüber hinaus kann mit einem normalen, lediglich der Taktfrequenz eines Mikroporzessors angepaßten Tondaten-Speicher gearbeitet werden. Infolgedessen kommt man mit einfachen Bauelementen aus, die in großer Stückzahl am Markt zur Verfügung stehen. Dementsprechend kann die Vorrichtung mit geringerem Kostenaufwand hergestellt werden.

Eine Verkürzung der Tondalen-Würter auf 12 bis 14 bit fällt akustisch noch nicht ins Gewicht. Hierdurch wird aber die Voraussetzung dafür geschaffen, daß innerhalb des 16-bit-Verarbeitungsrahmens des Mikroprozessors Verschiebungen der Tondaten-Digitalwerte vorgenommen und auf diese Weise die gewünschten Multiplikationen durchgeführt werden können.

Auf der anderen Seite genügt es, wenn der Mikroprozessor Anschlüsse für 8-Tondaten-Leitungen aufweist. 12-bit-Tondaten werden dann mittels einer einzigen Instruktion in zwei Schritten übertragen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform Ist dafür gesorgt, daß der Mikroprozessor zum Abruf verschiedegleichen Weise behandelt werden, was erhebliche Vereinfachungen mit sich bringt.

Insbesondere sollen die Multiplikationen mit dem Verstärkungsfaktor 0,75 erfoigen. Dieser Wert führt mit dem kleinstmöglichen Zeltaufwand, nämlich zweimaligem Verschieben der digitalen Tondaten und einmaligem Addieren der verschobenen Daten, zu sehr ansprechenden Hall-Ergebnissen. Es kommen aber auch andere Verstärkungsfaktoren, wie 0,5 oder 0,625 oder 0,875 und dgl. in Betracht.

Empfehlenswert ist es, daß vier Allpaß-Filter-Berechnungen nacheinander erfolgen. Dies ergibt einen sehr ausgeprägten Hall. Die vier Berechnungen lassen sich unter Berücksichtigung der zuvor beschriebenen Maßnahmen bei heute auf den Markt befindlichen Mikroprozessoren gerade noch durchführen.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, daß die nacheinander am A/D-Wandler auftretenden digitalen Tondaten unter zyklisch wiederkehrenden Adressen in den Tondaten-Speicher eingelesen werden, die Adressen der für die einzelnen Allpaß-Fllt°r-Berechnungen aufzurufender¹. Tondaten durch eine fonsrhaltbare Basiszahl bzw. sich hiervon durch fest eingegebene Subtraktionswerte unterscheidende Hilfszahlen bestimmt werden, die Basiszahl zyklisch bis zur doppelten Adressenzahl des Tonsignal-Speichers fortgeschaltet wird und als Adressen die um die erste Binärstelle verkürzten Basis- bzw. Hilfszahlen verwendet werden. Durch die Ausnutzung unvollständiger Adressendekodierung vom Mikroprozessor zum Tondaten-Speicher gelingt es. während des gesamten Betriebes mit Hilfe desselben Subtraktions-Arbeitsganges aus der fortschaltbaren Basiszahl sämtliche erforderlichen Adressen zu gewinnen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines In der

ner Hall-Programme aus einem Programmspeicher mit 35 Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeieiner Fortschaltvorrichtung versehen ist, die einen Rück- spiels näher erläutert. Es zeigt

Blockschaltbild der

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sleii-Anschluß (Reset), der zur Ansteuerung des ersten Programms dient, und einen Weiterschalt-Anschluß (Interrupt), der zur Ansteuerung des jeweils nächsten Programms dient, aufweist. Durch eine sehr einfache Ansteuerung Ist es daher möglich, eines von mehreren Hall-Programmen auszuwählen.

Es empfiehlt sich, daß im Eingangskreis der analogen Tonsignale, d. h. vor dem A/D-Wandler, eine Kompressorschaitung zur physiologischen Anpassung des Hallsignals vorgesehen ist. Auf diese Weise wird eine gehörrichtige Anhebung des Hallanteils bei kleinen Lautstärken bewirkt.

Günstig ist es auch, daß im Eingangskreis der analogen Tonsignals, d. h. vor dem A/D-Wandler, eine Emphasisschaltung (Verzerrungsschaltung) und im Ausgangskreis der analogen Tonsignale, d. h. nach dem D/A-Wandler, eine diese Emphasis kompensierende Deemphasisschaltung vorgesehen ist. Dies ergibt eine optimale Ausnutzung der Wandler für mittlere und hohe Frequenzen.

Des weiteren kann im Ausgangskreis der analogen Tonsignale eine Squelch-Schaltung zur Unterdrückung kleinster Amplituden vorgesehen sein. Diese unterdrückt die Ausgangssignale, sobald ein vorgegebener Pegel unterschritten ist. Damit wird ein unerwünschtes Quantlslerungsrauschen und eine störende Quantislerungsveri«s7.errung unterbunden.

Ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung, bei dem jeweils mehrere Allpaß-Filter-Berechnungen unter Multiplikation mit einem Verstärkungsfaktor kleiner 1 erfolgen, ist dadurch Gekennzeichnet, daß alle Multiplikationen mit demselben Verstärkungsfaktor erfolgen. Auf diese Welse können a'iie digitalen Tondaten in der Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 die Darstellung eines Allpaß-Fllters,

Fig. 3 im Blockschaltbild die Hintereinanderschaltung mehrerer Allpaß-Filter-Berechnungen und

Fi-. 4 eine schematische Darstellung des Tonsignal-Speichers.

Bei der Hall-Vorrichtung der Fig. 1 wird ein analoges Tonsignal über einen Eingang 1 einer Emphasis-Schaltung EM zugeführt, die eine Höhenanhebung und eine Baßabschwächung erzeugt, um bei allen Frequenzen dieses analogen Eingangssignals bei den jeweils zu erwartenden Maximalamplituden die A/D- und D/A-Wandlergenauigkeit auszunutzen. Das analoge Tonsignal wird danach einer Compressor-Schaltung Co zugeführt, in welcher das Tonsignal zwischen -30 dB und -50 dB und 10 dB zwecks physiologischer Anpassung komprimiert wird. F^r folgt ein Filterkreis Fl, der einen sechspollgen Tschebyschev-Tiefpaß zur Erfüllung der Bedingung des Abtasttheorems (Bah-.begrenzung) aufweist. Es folgt ein Abtast- und Haltekreis SH und ein Analog-Digital-Wandler AD. Der Abtast- und Haltekreis SH sorgt dafür, daß während der A/D-Wandlung ein stabiles Signal am A/D-Wandler-Einga.ig vorhanden 1st. Die Wandlung erfolgt mit einem 12-blt-Baustein bei einer Taktfrequenz von beispielsweise 10 kHz. ;,

Zur Verarbeltüngseinhelt 2 gehört elniMüirdprozessbr MP, dem ein Programm-Speicher PM zugeordnet ist, und ein Tondaten-Speicher SM. Als Programm-Speicher kann beispielsweise ein 2k X 8-ROM₁ als Tondaten-Spelchef ein 8kx8-RAM verwendet werden.

Ausgangsseitlg ist ein Digital-Analog-Wandler DA

vorgesehen, der wiederum ein 12-blt-Bausteln Ist. Es folgt eine Deemphaslsschaltung DE, die die Wirkung der Emphaslsschaltung EM kompensiert, so daß der Gesamtfrequenzgang linear wird. Es schließt sich ein Filterkreis Fl an, der wegen des Abtasttheorems einen sechspollgen Tschebyschev-Tlefpaß bei 4 kHz aufweist. Um das verbleibende Quantisierungsrauschen nach dem Ausklingen des Halls zu unterdrücken, ist eine Squelch-Schaltung SC vorgesehen, an welche die Ausgangsleitung 3 für das analoge Tonsignal anschließt.

Der Mikroprozessor MP besitzt acht Datenanschlüsse D. die mit einem 8-blt-Datenbus 4 verbunden sind. Dieser Datenbus 1st mit dem Analog-Digital-Wandler AD. dem Dlgital-Analog-Wandler DA, dem Tondaten-Spelcher SM und dem Programm-Speicher PM verbunden und führt daher nicht nur Programmsignale, sondern dient auch als Tondaien-Leltung vor. bei und nach der Verarbeitung. Ferner gibt es zwölf Adressenanschlüsse A, die über einen 12-blt-Adressenbus 5 mit dem Programm-Speicher PM und dem I onslgnal-Speicher Sm verbunden lü Ist. Die Steueranschlüsse C sind über einen Steuerbus 6 mit dem Abtast- und Haltekreis SH, dem Analog-Digital-Wandler AD, dem Digltal-Analog-Wandler DA, dem Programm-Speicher PM und dem Tondaten-Speicher SM verbunden. Aus Vereinfachungsgründen sind außerdem vorgeseinen Decoder oder Schnittstellen nicht eingezeichnet. Der Mikroprozessor MP hat eine Interne 16-blt-Verarbettung und kann beispielsweise mit einer Internen Rechengeschwindigkeit von 2 MHz beschrieben werden. Er besitzt ferner eine Fortschaltvorrichtung 7, um verschiedene Hall-Programme aus d&m Programm-Speicher PU wirksam werden zu lassen. Zu diesem Zweck ist ein Rückstell-Anschluß R und ein Weiterschalt-Anschluß / vorgesehen. Wird an den Rückstell-Anschluß R ein Impuls gelegt, wird aus einem Programmzyklus das erste Programm angesteuert. Jedesmal wenn an den Weiterschali-Apschluß / ein Impuls geicgi wird, wird auf dss nächstfolgende Programm des Zyklus weitergeschaltet.

Die Flg. 2 und 3 erläutern, wie die Im Analog-Digital-Wandler 4D gewonnenen digitalen Tondaten in der Verarbeitungseinheit 2 behandelt werden. Fig. 2 zeigt den Berechnungsvorgang für ein Allpaß-Filter. Flg. 3 zeigt, daß vier derartige Filter-Berechnungen hintereinander durchgeführt werden.

FIg 2 soll andeuten, daß ein zutretendes digital-Tonsignal si in Form digitaler Tondaten und ein verzögertes Tonsignal s2 durch Addition ΑΪ zu einem Summensignal s3 addiert werden. Das verzögerte Signal si wird durch Multiplikation Π eines Signals s4 mit so dem Faktor A erzeugt. Das Signal s4 wird dem Tondaten-Speicher SV/ unter einer Adresse r~" entnommen, η gibt an. um wieviel Wandler-Arbeitsiakte früher das Tonsignal s3 in den Speicher SM eingeschrieben worden ist. Das verzögerte Signal sA wird einer Addition /12 mit einem Signal s5 unterworfen, das durch Multiplikation Vl des Signals s3 mit dem Faktor -k erzeugt wurde. Das austretende Summensignal 56 wird dann weiterverarbeitet.

Fig. 3 zeigt, daß bei der hintereinander erfolgenden Berechnung von 4 solchen Allpaß-Filtern der Verstärkungsfaktor k immer den gleichen Wert 0,75 hat. Dieser wird beispielsweise dadurch gewonnen, daß die jeweiligen Tondaten um eine Binärstelle und nochmals um eine Binärstelle verschoben werden (was jeweils einer Multiplikation mit dein Faktor 0,5 entspricht) und die beiden verschobenen Werte alsdann summiert werden. Die Verzögerungszeiten entsprechen hier η = 1285, 1120. 550 und 450 Arbeltstakten. Auf diese Weisii ergibt sich bei einer Taktzelt der Wandler AD und DA von 0,1 ms eine Hallzelt von etwa 3 s. Durch Wahl anderer Kenngrößen läßt sich die Hallzelt zwischen OJ und 5 s einstellen, so daß alle sinnvollen Hallzeiten, die heute üblicherweise In der Musik eingesetzt werden, mit diesem System erzielt werden können.

Fig. 4 zeigt Im Bereich I schematisch diejenigen Adressen, unter denen im Speicher SM Tondaten abgespeichert werden können. Beispielsweise geben diese Adressen von 00000 bis Hill. Im Bereich II ist dieser Speicher noch einmal mit denselben Adressen dargestellt, der dieselben Adressen aufweist. Eine Basiszahl B, die vor der Adresse eine weitere Stelle besitzt, wird in Richtung des Pfeiles χ fortgeschaltet. Durch Subtraktion mit fest eingegebenen Werten sind mit der Basiszahl H mehrere Hllfszahlen Hi, Hi und Wi verknüpft, welche daher die gleiche Fortschaltung wie die Basiszahl erfahren. Die Baslszah! B wird bis zum doppelten Speicherinhalt, d. h. bis ans Ende des Bereichs 11, gezählt Do als Adresse aber jeweils die Basis- bzw. Hilfszahl ohne die erste Binärstelle dient (unvollständige Dekodierung), werden die digitalen Tondaten lediglich aus dem tatsächlich vorhandenen Speicher abgrufen, egal ob der Mikroprozessor den Bereich I oder II adressiert. Es wird daher nur eine grlnge Arbeltskapazität des Mikroprozessors für die Adressenverwaltung benötigt.

Das Ausführungsbeispiel arbeitet mit Werten, wie sie bei hs.vjelsübllchen Mikroprozessoren verwirktlicht werden können. So weit neuere Mikroprozessoren höhere Taktfrequenzen haben, lassen sich auch Multiplikationen durchführen, bei denen das Verschieben und Addieren mehr Schritte erfordert oder melK als vier Allpaß-Filtcr-Berechnungen nacheinander durchgeführt werden. Die Multiplikationen umfassen auch solche Maßnahmen, bei denen verschobene Signale nicht durch Summation, sondern durch Subtraktion addiert werden, beispielsweise ynm Ursprunesslanal.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Hall für analoge Tonsignale, mit einem A/D-Wandler zur Umwandlung der analogen Tonsignale in digitale Tondaten, einer Verarbeitungseinheit zur Behandlung der digitalen Tondaten, einem A/D-Wandler zur Rückwandlung der behandelten digitalen Tondaten und einem die Vorrichtung steuernden Mikroprozessor, wobei die Verarbeitungseinheit einen Tondaten-Speicher und einen ) 6-bit-Rechner für Additionen und Multiplikationen aufweist, die mit Leitungen für die digitalen Tondaten verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der steuernde Mikroprozessor (MP) mit den Leitungen (4) für die digitalen Tondaten verbunden, für eine interne I6-bit-Verarbeitung ausgelegt und als Rechner verwendet ist, und daß die Wandler (AD, DA) - zum Zweck der Ausführung von Multiplikationen durch Verschieben und gegebenenfalls Addieren von Digitalv <_nen im Mikroprozessor - für die Verarbeitung vor. il- bis !4-b't-TQndaten ausgelegt sind

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (MP) Anschlüsse für 8 Tondaten-Leitungen (4) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (MP) zum Abruf verschiedener Hall-Programme aus einem Programmspeicher (MP) mit einer Fortschaltvorrichtung (7) versehen ist, die einen Rückstell-Anschluß (R), der zur Ansteuerung des ersten Programms dient, und einen Weiterschait-Anschluß (/), der zur Ansteuerung des jeweils nächsten Programms dient, aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in. Eingangskreis der analogen Tonsignale, d. h. vor dem A/D-Wandler UD), eine Kompressorschaltung (CO) zur physiologischen Anpassung des Hallsignals vorgesehen Ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangskreis der analogen Tonsignale, d. h. vor dem A/D-Wandler, eine Emphasisschaltung (EM) und im Ausgangskrois der analogen Tonsignale, d. h. nach dem A/D-Wandler, eine diese Emphasis kompensierende Deemphaslsschaltung (DE) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Im Ausgangskreis der analogen Tonsignale, d. h. nach dem A/D-Wandler, eine Squelch-Schaltung (SC) zur Unterdrückung kleinster Amplituden vorgesehen Ist.

7. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6. bei dem jeweils mehrere Allpaß-Fllter-Berechnungen unter Multiplikation mit einem Verstärkungsfaktor kleiner als 1 erfolgen. dadurch gekennzeichnet, daß alle Multiplikationen · mit demselben Verstärkungsfaktor (R) erfolgen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplikationen mit dem Verstärkungsfaktor 0.75 erfolgen.

9 Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8. dadurch ,gekennzeichnet, daß vier Ällpaß-FiU'er-Berechnüngen nacheinänderierfolgeru

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bls;'9, dadurch gekennzeichnet, daß die nacheinander am A/D-Wandler (AD) auftretenden digitalen Tondaten unter zyklisch wiederkehrenden Adressen In den T ondaten-Spelcher (SM) eingelesen werden, die Adressen der für die einzelnen Allpaß-Filter-Berechnungen aufzurufenden Tondaten durch eine fortschaltbare Basiszahl bzw. sich hiervon durch fest eingegebene Subtraktionswerte unterscheidende Hilfszahien bestimmt werden, die Basiszahl zyklisch bis zur doppelten Adressenzahl des Tondaten-Speichers (SM) fortgeschaltet wird und als Adressen die um die erste Binär-Steile verkürzten Basis- bzw. Hilfszahlen verwendet werden (unvollständige Dekodierung).