DE3604686A1 - Elektronisches musikinstument - Google Patents
Elektronisches musikinstumentInfo
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- DE3604686A1 DE3604686A1 DE19863604686 DE3604686A DE3604686A1 DE 3604686 A1 DE3604686 A1 DE 3604686A1 DE 19863604686 DE19863604686 DE 19863604686 DE 3604686 A DE3604686 A DE 3604686A DE 3604686 A1 DE3604686 A1 DE 3604686A1
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- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10H—ELECTROPHONIC MUSICAL INSTRUMENTS; INSTRUMENTS IN WHICH THE TONES ARE GENERATED BY ELECTROMECHANICAL MEANS OR ELECTRONIC GENERATORS, OR IN WHICH THE TONES ARE SYNTHESISED FROM A DATA STORE
- G10H7/00—Instruments in which the tones are synthesised from a data store, e.g. computer organs
- G10H7/02—Instruments in which the tones are synthesised from a data store, e.g. computer organs in which amplitudes at successive sample points of a tone waveform are stored in one or more memories
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- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
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- G10H2250/00—Aspects of algorithms or signal processing methods without intrinsic musical character, yet specifically adapted for or used in electrophonic musical processing
- G10H2250/131—Mathematical functions for musical analysis, processing, synthesis or composition
- G10H2250/215—Transforms, i.e. mathematical transforms into domains appropriate for musical signal processing, coding or compression
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Musikinstrument
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein solches Musikinstrument ist aus der DE-PS 29 26 548
bekannt. Dort ist ein Wellenform-Generator zur Klangformung
in einem elektronischen Musikinstrument beschrieben,
der ein dynamisches Überblenden von einem
gespeicherten Klang zu einem anderen gespeicherten Klang
ermöglicht. Weitere elektronische Musikinstrumente sind
in dem in der DE-PS 29 26 548 gewürdigten Stand der
Technik beschrieben, nämlich der DE-AS 22 37 594, DE-OS
28 30 483, DE-OS 28 30 482 und US-PS 38 59 884.
Die US-PS 41 64 020 beschreibt einen programmierbaren
Klangsynthesizer, der in einem Speicher eine Vielzahl
von Klangdaten hält. Das Auslesen des Speichers erfolgt
durch einen Adressgenerator, dessen Wiederholfrequenz
durch einen Integrierer gesteuert wird. Die Integriergeschwindigkeit
ist ihrerseits durch eine "Tonzahl"
bestimmt. Bei der Eingabe von Klangdaten können mehrere
Klangparameter, wie Frequenz, Wellenform, Einhüllende,
Anschlagstärke, Ausklingen usw. eingegeben werden. Diese
Klangparameter sind allerdings dort unveränderbarer
Bestandteil der gespeicherten Klangdaten. Das Auslesen
der Klangdaten erfolgt dann zyklisch in der numerischen
Reihenfolge der Adressen der eingegebenen Klangdaten.
Damit können kurz zusammengefaßt nur vorher fest programmierte
Tonfolgen mit frei programmierbarem, beim
Abspielen jedoch nicht mehr änderbaren Klangcharakter
eingegeben werden, so daß man im engeren Sinne nicht von
einem Musikinstrument sprechen kann, sondern in Anlehnung
an eine Schallplatte nur von einer "Tonkonserve".
Aufgabe der Erfindung ist es, das elektronische Musikinstrument
der eingangs genannten Art dahingebend zu
verbessern, daß es absolut frei programmierbar ist und
damit beliebige Klänge, die auch während des Spielens
des Instrumentes verändert werden können, produziert.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt also darin, gewisse
Basis-Klangdaten zu speichern und dabei die Speicheradressen
frei wählbaren Klangparametern zuzuordnen. Die
Klangparameter wie z. B. Anschlagstärke, Zeitdauer des
Drückens einer Taste, Stellung eines Reglers etc. bestimmen
also die jeweils auszulesende Speicheradresse
bzw. die Reihenfolge der auszulesenden Speicheradressen.
Damit erhält man eine ungeheuere Vielzahl von Klangmöglichkeiten,
angefangen von allen möglichen Naturinstrumenten
bis hin zu "synthetischen" Klängen.
Die Eingabe der Basis-Klangdaten kann "synthetisch"
erfolgen. d. h. über ein Tastenfeld unter Zuhilfenahme
eines Bildschirmes, womit sich auch beliebige Kunstklänge
erzeugen lassen; sie kann aber auch über ein
Mikrophon erfolgen, so daß das Musikinstrument nach der
Erfindung die Brücke zwischen den reinen Synthesizern
und den reinen Sampling-Geräten schlägt.
Nach einer Variante der Erfindung ist es auch möglich,
ein Musikinstrument mit mehreren Stimmen zu schaffen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 Ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles
des Musikinstrumentes nach der Erfindung;
Fig. 2 ein ähnliches Blockschaltbild eines zweiten
Ausführungsbeispieles der Erfindung;
Fig. 3 ein Diagramm einer Wellenform zur Erläuterung
der Arbeitsweise der Erfindung;
Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Speicherorganisation
eines Speicherbereiches des bei
der Erfindung verwendeten Wellenform- oder
Klangdatenspeichers; und
Fig. 5 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der
Speicherorganisation des gesamten Wellenform-
oder Klangdatenspeichers, der bei der Erfindung
verwendet wird.
Zunächst seien einige öfters verwendete Begriffe klargestellt.
Klang:
Hier wird der zeitliche Verlauf (ggf. auch der
Spektralverlauf) von Amplituden von Schallwellen
verstanden.
Basis-Wellenform:
Zeitlicher Verlauf eines elektrischen Signales,
das einem Klang entspricht, wobei hier nur
z. B. per Mikrophon) aufgenommene oder (per
Tastenfeld und Bildschirm) synthetisch erzeugte
zeitliche Verläufe der Amplituden eines
Klanges verstanden werden.
Wellenform:
Gesamtheit der Basis-Wellenformen und von aus
mindestens zwei Basis-Wellenformen interpolierte
oder extrapolierte zeitliche Verläufe
der Amplituden von Klängen.
Basis-Klangdaten:
Digitalisierte Basis-Wellenformen (z. B. 256 Worte
à 8 Bit für eine Basis-Wellenform). Es
werden also aus einer Basis-Wellenform mehrere
Abtastwerte genommen und digitalisiert.
Klangdaten:
Digitalisierte Wellenform.
Klangparameter:
Einflußgrößen, die einen Klang verändern, wie
z. B.
- a) "Zeit": Der Parameter "Zeit" bestimmt, in welcher zeitlichen Aufeinanderfolge die verschiedenen Klangdaten hintereinander ausgelesen werden;
- b) "Anschlagstärke": Die meisten Klänge von Naturinstrumenten ändern mit ihrer Lautstärke nicht nur die Amplituden der Schallwellen sondern auch deren zeitlichen Verlauf, beispielsweise durch Änderung des Oberwellengehaltes, durch Änderung der Amplitudenanteile von nicht-harmonischen Wellen, oder durch Resonanzerscheinungen etc.
- c) "Tonhöhe": Der Parameter "Tonhöhe" ändert ebenfalls nicht nur den Frequenzverlauf eines Klanges im Sinne einer reinen Frequenzverschiebung sondern auch den Klang als solchen, da bei den meisten Naturinstrumenten in Abhängigkeit von der Tonhöhe unterschiedliche Oberwellen, Resonanzen etc. auftreten.
Es sei jetzt auf Fig. 1 Bezug genommen. Das Musikinstrument
besitzt eine Zentraleinheit (CPU) 1, einen
Nur-Lese-Speicher (ROM) 2, einen Speicher mit wahlfreiem
Zugriff (RAM) 3, wobei diese drei Baugruppen im wesentlichen
die Ablaufsteuerung übernehmen. Diese Bauteile
sind über Leitungen 25 und 26 miteinander und mit
weiteren Bauteilen verbunden, wobei eine Leitung 25 den
Systemdatenbus und die andere Leitung 26 den Adressbus
darstellt. An diese beiden Leitungen ist über eine Bildschirmschnittstelle
(Interface) 4 ein Bildschirm 5 angeschlossen,
über eine weitere Schnittstelle (Interface)
6 ein Tastenfeld (Keyboard) 7 und über eine
weitere Schnittstelle 8 eine Klaviatur 9.
Beide Leitungen 25 und 26 sind weiterhin an Eingänge
eines Zählers 11 angeschlossen, der Impulse von einem
Taktgenerator 12 erhält. Der Ausgang des Zählers 11 ist
über einen Adressbustreiber 13 mit einem Wellenform-
Speicher 14 verbunden. Der Speicher 14 ist ebenfalls ein
Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM). Weiterhin ist an
beide Leitungen 25 und 26 ein Interpolator 15 und ein
Fourier-Transformator 16 angeschlossen. Bei letzterem
handelt es sich um einen im Handel erhältlichen Baustein,
der eine Fourier-Transformation seiner Eingangssignale
durchführt. Die Bausteine 15 und 16 sind mit
ihren Ausgängen ebenfalls an den Wellenform-Speicher 14 angeschlossen
und zwar über Leitungen 27 und 28, wobei
die Leitung 27 den Wellenformspeicher-Datenbus und die
Leitung 28 den Wellenformspeicher-Adressbus bildet.
Zwischen die Leitungen 27 und 25 ist noch eine Treiberschaltung
10 eingeschaltet. An die Leitung 27 ist eine
Reihenschaltung aus einem Daten-Latch 17, einem Digital/
Analog-Wandler 18, der ausgangsseitig auch einen Tiefpaß
enthält, einem Verstärker 19 und einem Lautsprecher oder
Kopfhörer 20 angeschlossen. Weiterhin ist an die Leitung
27 eine Reihenschaltung aus einem Mikrophon 24, einem
Vorverstärker 23, einem Analog/Digital-Wandler 22 mit vorgeschaltetem
Antialiasing-Tiefpass und einem Treiber 21 angeschlossen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird zunächst die Aufnahme
bzw. Einspeicherung von Klängen oder Wellenformen beschrieben.
Unter Steuerung über das Tastenfeld 7, das auch
einen sog. Joystick, eine "Maus" oder einen Lichtgriffel
enthalten kann, erzeugt der Benutzer in einem Eingabeschritt
auf dem Bildschirm beliebige Wellenformen, die
hier "Basis-Wellenformen" sind. Ein Beispiel einer
solchen Wellenform ist in Fig. 3 gezeigt. Die Y-Achse
ist bei diesem ersten Eingabeschritt die Amplitude des
Klanges, während die X-Achse wahlweise die Zeit oder die
Frequenz ist. Es kann also entweder der Zeitverlauf
eines Signales oder der Spektralverlauf angegeben
werden. Nach einer ggf. noch durch zuführenden Analog/
Digital-Wandlung wird im Falle der Eingabe des Zeitverlaufes
diese erste Wellenform in dem Wellenform-
Speicher 14 abgespeichert und zwar in einem ersten
Speicherbereich ab der Adresse $0000 gemäß Fig. 4. In
entsprechender Weise werden dann weitere Basis-Klangdaten
erzeugt, die in weiteren Speicherbereichen - in
Fig. 4 die Speicherbereiche $1000, $2000, $3000 . . .
bezeichnet sind - eingespeichert werden.
Falls die Basis-Wellenformen im Spektralbereich eingegeben
werden (X-Achse der Fig. 3 bezeichnet also die
Frequenz), so erfolgt die Einspeicherung nicht direkt
sondern über den Fourier-Transformator 16, der die im
Spektralbereich eingegebenen Daten zunächst in den
Zeitbereich transformiert.
Alle einzelnen eingegebenen Basis-Klangdaten haben
dabei eine konstante Wortlänge im Wellenform-Speicher
14, beispielsweise 256 Worte à 8 Bit pro Wellenform.
Zwischen den Speicherbereichen für die einzelnen Basis-
Klangdaten sind dann noch freie Zwischenräume, in Fig. 4
beispielsweise zwischen den Adressen $0100 und $1000
usw. Unter Steuerung durch die CPU 1 werden diese
Zwischenräume dann mit aus mindestens zwei benachbarten
Basis-Klangdaten interpolierten oder extrapolierten
Werten von Klangdaten aufgefüllt. Hierzu wird der
Interpolator 15 verwendet, der zwischen den jeweils
benachbarten Basis-Klangdaten Interpolationswerte
errechnet. Hierbei kann eine lineare Interpolation
verwendet werden. Es können aber auch andere Interpolationen
durchgeführt werden, beispielsweise gemäß
einer e-Funktion, die den in der Natur vorkommenden
Änderungen von Klängen besser entspricht.
Im Ergebnis erhält man mit dieser Interpolation oder
Extrapolation fließende bzw. dynamische Übergänge von
einer eingegebenen Basis-Wellenform zur nächsten eingegebenen
Basis-Wellenform. Damit wird ein "dynamisches"
Überblenden von einem Klang zu einem anderen Klang
möglich.
Anstelle der Wellenform-Eingabe über das Tastenfeld 7 und
den Bildschirm 5 ist es auch möglich, Klänge über
das Mikrophon 24 aufzunehmen, die dann über den Analog/
Digital-Wandler 22 digitalisiert werden (sog. Sampling)
und dann in entsprechender Weise im Wellenformspeicher
14 abgespeichert werden. Nach dem Abtasttheorem benötigt
man pro Periode der höchsten vorkommenden Frequenz mindestens
zwei Abtastwerte. Je nach Qualität des bei der
Wiedergabe verwendeten Tiefpaßfilters wird man jedoch
auch mehr Abtastwerte nehmen. Auch zwischen zwei solchen
benachbarten Klängen bzw. Basis-Klangdaten kann dann in
gleicher Weise interpoliert werden.
In einem anderen Eingabeschritt wird über das Tastenfeld
7 und den Bildschirm 5 eine weitere "Kurve" erzeugt, die
den Klangparameter "Zeit" darstellt und die im Ergebnis
festlegt, in welcher Ablauffolge die einzelnen Speicherbereiche
ausgelesen werden. Auch hier sind generell alle
Kurvenformen möglich. Die eine Achse (z. B. Y-Achse)
bezeichnet dabei im Prinzip die Speicheradresse von
auszulesenden Klangdaten, während die andere Achse
(X-Achse) den Zeitpunkt festlegt, zu dem die bezeichneten
Klangdaten ausgelesen werden sollen. Gibt man
beispielsweise eine ansteigende Gerade ein, so werden
die hintereinander abgespeicherten Klangdaten mit
aufsteigender Adressnummer unmittelbar aufeinanderfolgend
ausgelesen. Man erhält dann bei einem Auslesezyklus
ein sich kontinuierlich, d. h. dynamisch änderndes
Klangbild zwischen mindestens zwei eingegebenen Basis-
Klangdaten. Natürlich kann ein Auslesezyklus sich auch
über mehr als zwei Basis-Klangdaten und die dazwischenliegenden
Interpolationswerte oder die außerhalb des
Bereiches zwischen zwei benachbarten Basis-Klangdaten
liegenden Extrapolationswerte erstrecken. Gibt man
dagegen beispielsweise eine horizontale Linie ein, so
wird nur ein Klangdatum (mit beispielsweise 256 Worten
bzw. "Abtastwerten") ausgelesen, jedoch mehrfach hintereinander.
Gibt man eine Dreieckskurve ein, so werden
aufeinanderfolgend Klangdaten mit aufsteigender Adressnummer
und anschließend mit absteigender Adressnummer
ausgegeben. Ist dagegen die Kurve sehr steil, so werden
- je nach Steilheit - einzelne Adressen beim Auslesen
übersprungen. Natürlich können auch nicht-lineare
Funktionen als Kurve für das Auslesen eingegeben werden.
In einem anderen Eingabeschritt, der in der zeitlichen
Reihenfolge normalerweise der erste Eingabeschritt ist,
wird mindestens ein weiterer Klangparameter festgelegt.
Parameter können - wie oben erwähnt - die Anschlagstärke
der Taste der Klaviatur sein, die Tonhöhe eines Tones
oder eine sonstige Stellung eines Reglers. Der Wahl
dieser Parameter liegt die Kenntnis zugrunde, daß sich
bei vielen Natur-Musikinstrumenten mit ändernder Lautstärke
nicht nur die Amplitude des erzeugten Klanges
ändert sondern auch der Klangcharakter. Gleiches gilt
auch entsprechend für die Tonhöhe, bei der sich bei
vielen Instrumenten nicht nur die Frequenz der erzeugten
Töne ändert sondern ebenfalls der Klangcharakter. Dies
ist beispielsweise dadurch zu erklären, daß der Körper
vieler Instrumente gewisse Eigenresonanzen hat oder auch
bei verschiedenen Tonhöhen und/oder Lautstärken bestimmte
nicht-harmonische Schwingungen erzeugt.
Auch diese Klangparameter können über das Tastenfeld 7 in
Zusammenwirken mit dem Bildschirm 5 eingegeben
werden, wobei auch hier nicht-lineare Funktionen
eingegeben werden können, wie beispielsweise eine
Funktion zweiter Ordnung, eine logarithmische Funktion
oder eine E-Funktion usw. Die Y-Achse kann dabei die
"Parameterfunktion" abbilden, während die X-Achse den
Parameter selbst abbildet. Wie aus der nachfolgenden
Beschreibung noch deutlicher wird, bestimmt die "Parameterfunktion"
die Adresse der auszulesenden Klangdaten.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel bestimmt sie auch
diejenigen Klangdaten, zwischen denen interpoliert
werden soll und die Interpolationsschrittweite.
Der genannte Wellenform-Speicher 14 ist - wie in Fig. 5
gezeigt - wie folgt organisiert. Jedes der einzelnen,
links oben in Fig. 5 gezeigten Felder (hier mit den
Adressen 00 bis 0 F) enthält eine Basis-Wellenform als
Basis-Klangdatum entsprechend Fig. 3, also beispielsweise
je 256 Worte. Je eine Spalte mit den Feldern 00,
01, 02, 03 bzw. 04, 05, 06, 07 bzw. 08, 09, 0 A, 0 B bzw.
010, 0 D, 0 E, 0 F enthält dann einen "Wellenform-Satz"
entsprechend der in Zusammenhang mit Fig. 4 erläuterten
Abspeicherung. Ein "Wellenform-Satz" bezeichnet dabei
eine Vielzahl von zusammengehörigen Wellenformen, die
bei einem normalen Auslesezyklus vollständig ausgelesen
werden. Wie oben erläutert gibt es jedoch auch Formen
des Auslesens, bei denen nicht alle Klangdaten eines
Wellenform-Satzes ausgelesen werden. In diesem Zusammenhang
bezeichnet dann der Parameter 1 in weiterem Sinne
die "Zeit", zu der die einzelnen Felder ausgelesen
werden. Über die Verstellung des Parameters 2 wird dann
die jeweilige Spalte eingestellt, also beispielsweise
die Spalte mit den Feldern 04, 05, 06 und 07. Mit dem
Parameter 3 wird in einen weiteren "Block" gesprungen,
der die 16 Felder 10 bis 1 F, 20 bis 2 F usw. enthält.
Dieser Parameter 3 kann beispielsweise die Anschlagstärke
der einzelnen Taste der Klaviatur bezeichnen.
Über den Parameter 4 wird beispielsweise die Stellung
eines Handreglers bestimmt. Mit diesem Handregler können
beispielsweise verschiedene Instrumente (z. B. Geige,
Klavier, Flöte etc.) gewählt werden oder sonstige
Klangeffekte eingestellt werden.
Im Prinzip verwirklicht die in Fig. 5 dargestellte
Speicherorganisation ein vierdimensionales Datenfeld.
Allgemein kann mit dieser Speicher-Organisation auch ein
n-dimensionales Datenfeld geschaffen werden, was insbesondere
dann sinnvoll ist, wenn man noch mehr Klangparameter
einführen will, beispielsweise ein Tremolo,
ein Echo oder einen Nachhall, eine Anhebung der Amplituden
bestimmter Frequenzbereiche usw.
Zur Verdeutlichung sei bei dem Ausführungsbeispiel der
Fig. 5 angenommen, die Aufnahme der Klänge erfolge über
das Mikrophon, wobei ein Klavier aufgenommen wird. Für
den Parameter "Tonhöhe" werden mehrere (im Beispiel
vier) Tonhöhenbereiche festgelegt. Es wird dann mit
einer ersten Anschlagstärke eine Taste im ersten Tonhöhenbereich
gedrückt, die dabei entstehenden Schallwellen
abgetastet und digitalisiert und unter der
Speicheradresse 00 abgespeichert. Sodann wird dieselbe
Taste mit einer anderen Anschlagstärke gedrückt und der
digitalisierte Klang unter der Speicheradresse 40
gespeichert. Gleiches geschieht dann mit weiteren
Anschlagstärken für die Speicheradressen 80 und C 0.
Sodann wird im zweiten Tonhöhenbereich eine Taste mit
den (vier) verschiedenen Anschlagstärken gedrückt, wobei
die dabei aufgenommenen Basis-Klangdaten unter den
Adressen 04, 44, 84 und C 4 abgespeichert werden. Damit
ist dann die erste Zeile der Matrix der Fig. 5 mit den
Feldern 00, 04, 08, 0 C, 40 . . . 4 C, 80 . . . 8 C, C 0 . . . CC
abgespeichert. Nach einer anderen Variante der Erfindung
müssen nicht alle Klangdaten in den hinsichtlich der
verschiedenen Parameter nebeneinander liegenden Feldern
auch Basis-Klangdaten sein. Vielmehr können auch hier
Zwischenwerte durch Interpolation ermittelt werden. Hinsichtlich
des Parameters 2 der Fig. 5 liegen die Felder
00, 04, 08 und 0 C nebeneinander. Es würde also beispielsweise
genügen, in die Felder 00 und 0 C Basis-Klangdaten
einzuspeichern, während die Klangdaten für die
dazwischen liegenden Felder 04 und 08 durch Interpolation
ermittelt werden können. Hinsichtlich des Parameters 3 der
Fig. 5 liegen die Felder 00, 10, 20 und 30 nebeneinander
und hinsichtlich des Parameters 4, beispielsweise
die Felder 00, 40, 80 und C 0. Auch hier kann im Prinzip
zwischen diesen "benachbarten" Feldern interpoliert werden.
Hier sei noch betont, daß der Speicher 14 in der Praxis
natürlich mehr Felder hat als die in Fig. 5 gezeigten
256 Felder.
Während der Aufnahme von Naturklängen bestimmen die
Parameter Nr. 2, 3 und 4 die Anfangsadresse einer Reihe
von hinsichtlich des verbleibenden Parameters 1 nebeneinander
liegenden Feldern. Wie weiter unten beschrieben
wird, ist der Parameter Nr. 1 die "Zeit". Er bestimmt also
den sich mit der Zeit dynamisch verändernden Klangcharakter
eines Klanges bei gedanklich zunächst festgehaltenen
Parametern 2, 3 und 4. Während der Aufnahme
eines vollständigen, sich dynamisch entwickelnden
Klanges werden dann nacheinander die Felder 00, 01, 02,
03 oder 08, 09, 0 A, 0 B usw. mit entsprechenden Klangdaten
gefüllt.
Nach obigen Schritten sind dann die vier größeren Blöcke
mit den Anfangsadressen 00, 40, 80 und CD belegt, wobei
der Parameter 3 bzw. der Regler in seiner ersten Stellung
stand. Der gleiche Vorgang kann dann mit anderen
Reglerstellungen wiederholt werden, wobei es im Belieben
des Benutzers steht, welche Funktion er dem Parameter 3 bzw.
dem Regler zuweist. Beispielsweise kann in der
zweiten Reglerstellung ein anderes Instrument aufgenommen
werden, wobei die Parameter 1, 2 und 4 in entsprechender
Weise variiert werden. Es können in gleicher Weise
künstliche Klänge mittels Tastenfeld 7 und Bildschirm 5 erzeugt
und abgespeichert werden.
Das Auslesen des Wellenform-Speichers erfolgt dann über
die Klaviatur. Diese meldet (beispielsweise durch sehr
schnelles, zyklisches Abfragen des Schaltzustandes von
den einzelnen Tasten zugeordneten Schaltern), welche
Taste gedrückt ist und mit welcher Anschlagstärke dies
erfolgte. Dies kann beispielsweise dadurch gemessen
werden, daß beim Drücken der Taste sequentiell nacheinander
Schaltkontakte betätigt werden, wobei die Zeit
zwischen dem aufeinanderfolgenden Betätigen der Schaltkontakte
gemessen wird und als Maß für die Anschlagstärke
dient. Die Parameter Nr. 2 und Nr. 4 (gemäß
Fig. 5) sind damit festgelegt. Die beiden anderen
Parameter können über das Tastenfeld 7 oder an der
Klaviatur 9 angebrachte Schalter, Hebel etc. vorgewählt
werden. Mit der Festlegung der Parameter ist dann auch
eindeutig festgelegt, welche im Wellenform-Speicher 14 gespeicherten
Klangdaten ausgelesen werden sollen. Es
kann sich um ein einzelnes Klangdatum oder mehrere
Klangdaten (Wellenformsatz) handeln. Die Tonhöhe bzw.
Frequenz wird über die Auslesegeschwindigkeit bestimmt,
also durch die Taktfrequenz, mit der die im Speicher
gespeicherten Daten ausgelesen werden. Jeder Taste ist
eine eigene Auslesefrequenz bzw. Taktfrequenz zugeordnet.
Zur Einstellung dieser Taktfrequenz kann der Zähler
11 als Frequenzteiler verwendet werden, der je nach an
der Klaviatur 9 gedrückten Taste die vom Taktgenerator
12 erzeugte (konstante) Taktfrequenz herabsetzt und mit
dieser Taktfrequenz den Treiber 10 für das Auslesen der
Klangdaten aus dem Wellenform-Speicher 14 ansteuert. Die
aus dem Wellenform-Speicher 14 ausgelesenen Klangdaten
gelangen über das Daten-Latch 17, das als Pufferspeicher
dient, zu dem Digital/Analog-Wandler 18, wo sie in
analoge Signale umgesetzt werden und durch einen im
Digital/Analog-Wandler 18 eingebauten Tiefpaß gefiltert
bzw. geglättet werden. Von dort gelangen sie über den
Verstärker 19 zu dem Lautsprecher 20.
Die oben beschriebene "Kurve", die das Auslesen steuert
und - abstrakter gesprochen - den Parameter "Zeit" bestimmt,
wird vorzugsweise im RAM 3 gespeichert. Es ist
auch möglich, sie im Wellenform-Speicher 14 zu speichern,
wobei dann jedoch zusätzliche, in Fig. 5 nicht
gezeigte Speicherbereiche vorgesehen sein müssen und
durch zusätzliche Maßnahmen entweder sichergestellt
werden muß, daß mehrere Speicherbereiche gleichzeitig
ausgelesen werden können oder die für den Parameter
"Zeit" vorgesehenen Speicherbereiche, die ja letztlich
Adressen für das Auslesen der Wellenformkurven beinhalten,
ausgelesen und zwischengespeichert werden
können.
Die einzelnen gespeicherten Klangdaten und Klangparameter
sind für die Eingabe und die Ausgabe hierarchisch
geordnet. Die höchste Hierarchiestufe haben die Klangparameter,
beispielsweise für Anschlagstärke, Tonhöhe
oder Reglerstellung. Durch sie wird ein Parameter
bestimmten Adressen von Klangdaten zugeordnet. Bei der
Eingabe mittels Tastenfeld und Bildschirm kann dabei die
X-Achse den jeweiligen Parameter und die Y-Achse die
zugehörigen Adressen von Klangdaten repräsentieren.
In der zweiten Hierarchiestufe ist die "Kurve" für das
Auslesen der Klangdaten. Diese "Kurve" legt auch bei der
Eingabe der Basis-Klangdaten fest, unter welcher Speicheradresse
die einzelnen Basis-Klangdaten gespeichert
werden und damit auch, wie groß die Zwischenräume
zwischen zwei Basis-Klangdaten sind sowie schließlich
die Länge eines Wellenform-Satzes bzw. eines Klangdaten-Satzes.
Bei der Eingabe mittels Bildschirm entspricht
dabei die X-Achse der Zeit und die Y-Achse der
Adresse der einzelnen Klangdaten. Eine solche Kurve kann
beispielsweise eine Länge von 256 Worten haben, was dann
256 Speicheradressen entspricht.
In der dritten (untersten) Hierarchiestufe sind dann die
Klangdaten gespeichert.
Schließlich sei noch erwähnt, daß die Interpolation oder
Extrapolation nicht nur zwischen den Basis-Klangdaten
durchgeführt werden kann. Vielmehr ist es auch möglich,
bezüglich der Klangparameter zu interpolieren oder zu
extrapolieren. Insbesondere bei dem Klangparameter
"Anschlagstärke" wird man die Interpolation gemäß einer
Exponentialfunktion durchführen.
Es ist ersichtlich, daß die einzelnen Parameter vollkommen
unabhängig voneinander sein können, wodurch sich
eine enorme Variationsbreite von Klängen realisieren
läßt.
Mit dem bisher beschriebenen Musikinstrument erreicht
man folgende Vorteile:
- - Komplexe, differenzierte Klangerzeugung unter Berücksichtigung beliebiger Parameter;
- - Parameterzuordnung und Klangerzeugung sind an keinen festen Algorithmus gebunden, daher sind auch komplexe Naturklänge erzeugbar;
- - die einzelnen Wellenformen können beliebige Direktaufnahmen (Digitalisierung des Schalldruckverlaufes) von Naturinstrumenten sein. Damit bildet die Erfindung eine Brücke zwischen dem reinen Sampling-Instrumenten und den reinen Spektralsynthese-Instrumenten;
- - das beschriebene Interpolieren und Extrapolieren ermöglicht eine variable Datenreduktion der gespeicherten Klangdaten und der gespeicherten Klangparameter. Je nach Ansprüchen an die Originaltreue der wiedergegebenen Klänge läßt sich daher der Aufwand für Speicherplätze reduzieren und damit die Zugriffsgeschwindigkeit bei manchen Speicherarten erhöhen. Trotz der enormen angebotenen Vielfalt bleibt die Bedienung des Gerätes übersichtlich.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist in der Struktur
des Blockschaltbildes ähnlich dem der Fig. 1. Es sind
jedoch folgende Unterschiede vorhanden:
Der Wellenformspeicher 14 ist hier ein Dual-Port-RAM,
das sowohl die Klangparameter als auch einzelne Klangdaten
enthält. Hierbei werden für die Klangdaten nur
noch die Basis-Klangdaten gespeichert, während die
Interpolation oder Extrapolation während der Klangwiedergabe
und damit quasi in "Echtzeit" durchgeführt
wird. Das RAM 14 der Fig. 2 enthält somit keine interpolierten
oder extrapolierten Werte mehr. Die Interpolation
oder Extrapolation wird bei diesem Ausführungsbeispiel
durch Signalprozessoren 31 und 32 durchgeführt,
die über Leitungen 29 und 30 mit dem RAM 14 verbunden
sind und die auch an die Leitungen 25 und 26 angeschlossen
sind. Der eine Signalprozessor 31 verarbeitet
Klangdaten, deren Spektraleigenschaften sich mit der
Tonhöhe ändern. Der andere Signalprozessor 32 verarbeitet
alle diejenigen Klangdaten, die sich nicht mit der
Tonhöhe ändern (z. B. Anblasgeräusche, Resonanzen usw.).
Beide Signalprozessoren 31 und 32 enthalten jeweils
einen Digital/Analog-Wandler, der die digital verarbeiteten
Signale in analoge Signale umsetzt. Die analogen
Ausgänge der Signalprozessoren 31 und 32 werden einem
Analogaddierer 33 zugeführt, der ausgangsseitig ein
Tiefpaßfilter enthält. Von dort gelangen sie über den
Leistungsverstärker 19 zum Lautsprecher 20.
Als weitere Unterschiede des Ausführungsbeispieles der
Fig. 2 sind noch zu erwähnen, daß der Zähler 11 im
Beispiel der Fig. 2 ein programmierbarer Aufwärts-/
Abwärtszähler ist und daß die Treiber 10 und 21 jeweils
Tristate-Treiber sind. Die übrigen Bauteile der Fig. 2
entsprechen denen der Fig. 1. Wirkungsmäßig ergeben sich
beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 folgende Unterschiede.
Die in Fig. 5 gezeigte Matrixstruktur des RAM
14 ist zweifach ausgeführt. Der eine Teil beinhaltet die
Wellenformen, die die sich mit der Tonhöhe ändernden
Spektralkomponenten repräsentieren. Der andere Teil
beinhaltet die Kurvenzüge der Spektralkomponenten, die
von der Tonhöhe unabhängig sind.
Beim Tonerzeugungsprozeß wird ein Kurvenzug aus dem
ersten Teil mit der der jeweiligen Tonhöhe entsprechenden
Geschwindigkeit ausgelesen. Gleichzeitig wird ein
Kurvenzug aus dem zweiten Teil mit von der Tonhöhe unabhängiger
oder zumindest anderer als der Geschwindigkeit
von Teil 1 ausgelesen, wobei dann beide Signale addiert
werden. Ein Grund dafür, daß das RAM 14 hier als Dual-Port-Ram
ausgelegt ist, liegt also darin, daß das Auslesen
aus den beiden Speicherteilen gleichzeitig erfolgt. Der
Hauptgrund für die Wahl des Dual-Port-RAM liegt allerdings
darin, daß die CPU 1 mit den Speichern 2 und 3 Zugriff
zu dem einen Port und die Signalprozessoren 31 und 32 Zugriff
zu dem anderen Port haben. Über den einen Port
können Parameterwerte und Statusinformationen des
Tastenfeldes 7 und der Klaviatur 9 ein- und ausgegeben
werden, wobei während der Klangeingabe (z. B. Aufnahme)
über diesen Port auch Klangdaten laufen. Über den anderen
Port laufen während der Wiedergabe dann die Klangdaten
zu den Signalprozessoren 31 und 32.
Bei der Klangeingabe werden diese beiden Signalanteile
getrennt eingegeben. Bei "synthetischen" Spektren, die
mit dem Tastenfeld 7 in Zusammenwirken mit dem Bildschirm
5 erzeugt werden, werden zwei Eingabesätze erzeugt, nämlich
ein Wellenformsatz für tonhöhenabhängige Spektren
und einer für tonhöhenunabhängige Spektren.
Bei der Aufnahme über das Mikrophon 24, allgemein auch
als "Sampling" bezeichnet, werden die vom Instrument
erzeugten Schallwellen abgetastet und digitalisiert,
wobei hier mindestens zwei Aufnahmen gemacht werden
müssen, nämlich eine im tiefen und eine im hohen Instrumententonbereich.
Für beide Wellenzüge wird dann von den
Signalprozessoren eine Fourier-Transformation mit anschließender
Betragsbildung durchgeführt. Danach folgt
ein Vergleich der beiden Spektrenbetragswerte. Hierzu
wird beispielsweise die minimale Spektraldistanz ermittelt,
d. h. der kleinste zu beachtende Abstand zwischen
zwei Spektrallinien entsprechend dem Auflösungsvermögen.
Dann werden die beiden Betragswerte der Spektren voneinander
subtrahiert. Die tonabhängige Differenz wird
dem ersten Speicherteil zugeordnet; der Rest dem zweiten
Speicherteil. Nach einer Fourier-Rücktransformation der
beispielsweise als gleichphasig angenommenen Spektralkomponenten
liegen dann zwei Wellenform-Sätze vor.
Für spezielle Effekte können alternativ die Teile 1 und
2 des Speichers auch folgendermaßen unterteilt werden:
Teil 1 enthält alle harmonischen Spektralkomponenten (zum Grundton im ganzzahligen Frequenzverhältnis stehend);
Teil 2 enthält alle nicht-harmonischen Spektralkomponenten wie z. B. Anblas-, Streich- oder andere Geräusche, Spektralanteile, die durch Saiten-Torsionsschwingungen hervorgerufen werden, etc.
Teil 1 enthält alle harmonischen Spektralkomponenten (zum Grundton im ganzzahligen Frequenzverhältnis stehend);
Teil 2 enthält alle nicht-harmonischen Spektralkomponenten wie z. B. Anblas-, Streich- oder andere Geräusche, Spektralanteile, die durch Saiten-Torsionsschwingungen hervorgerufen werden, etc.
Für beide Möglichkeiten gilt:
Da bei der Wiedergabe die Auslesegeschwindigkeit von
Teil 1 nicht proportional zu Teil 2 ist, vielmehr die
Auslesegeschwindigkeit für Teil 2 sich sogar ändern
kann, kann das Klangbild des Instrumentes verfremdet
werden. Die Auslesegeschwindigkeit von Teil 2 kann
graphisch eingegeben werden, ähnlich wie bei dem ersten
Ausführungsbeispiel. Die Zuordnung auf dem Bildschirm
ist dann beispielsweise: X-Achse = Tonhöhe;
Y-Achse = Auslesegeschwindigkeit.
Mit diesem zweiten Ausführungsbeispiel erhält man eine
stärkere Datenreduktion, da keine Interpolationswerte
mehr im Speicher abgespeichert werden müssen. Im Speicher
14 wird nämlich nur ein Teil der zur Tonerzeugung benötigten
Klangdaten (nämlich die Basisklangdaten)
bereitgehalten während die für die Tonerzeugung zusätzlich
benötigten Klangdaten während des Spielens mittels
Interpolation erzeugt werden.
Weiterhin ergeben sich mit dem zweiten Ausführungsbeispiel
zusätzliche Effektmöglichkeiten durch unabhängige
Wahl der Auslesegeschwindigkeit von Teil 1 und Teil 2
des RAM 14. Die Einzelklangfarbe und das Gesamtklangbild
können in Abhängigkeit von der Tonhöhe verändert
werden. Durch die graphische Eingabe bleiben trotzdem
die Effektmöglichkeiten überschaubar.
Claims (8)
1. Elektronisches Musikinstrument mit einem Speicher
(14), der in mehreren einzeln adressierbaren
Speicherplätzen Abtastwerte von Wellenformen bzw.
Spektralverläufe enthält, mit einer Speichereingabe-
und -auslese-Einrichtung (1, 2, 3, 11) und
mit einem Interpolator (15), der zwischen in
verschiedenen Speicherplätzen gespeicherten Basis-
Klangdaten Interpolationswerte ermittelt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Speicherauslese-Einrichtung
(1, 2, 3, 11) in Abhängigkeit von gespeicherten
Klangparametern bestimmt, in welcher Reihenfolge
die einzelnen Speicherplätze bzw. die in ihnen
gespeicherten Klangdaten ausgelesen werden.
2. Musikinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Adressen der im Speicher (14)
gespeicherten Klangdaten umkehrbar eindeutig den
Klangparametern zugeordnet sind, ggf. auch nach
einer nicht-linearen Funktion.
3. Musikinstrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Adressen der im Speicher (14)
gespeicherten Klangdaten eine n-dimensionale Matrix
bilden, wobei jede der n-Matrixdimensionen umkehrbar
eindeutig einem einzelnen Klangparameter zugeordnet
sind, ggf. auch nach einer nicht-linearen
Funktion.
4. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Klangdaten
und die Klangparameter mittels eines Tastenfeldes
(7) in Verbindung mit einem Bildschirm (5) eingebbar
sind, insbesondere auch in Form graphisch abgebildeter Kurven.
5. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Speicherplätze
des Speichers (14) Klangdaten enthalten, die durch
den Interpolator (15) aus mindestens zwei Basis-
Klangdaten ermittelte, interpolierte Klangdaten
sind, wobei die Adressen der interpolierten Klangdaten
entsprechend den Interpolationsschritten
zwischen den Adressen der zur Interpolation verwendeten
Basis-Klangdaten liegen.
6. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (14) nur
die Basis-Klangdaten enthält und daß der Interpolator
(15), gesteuert durch die Speicherausleseeinheit
(1, 2, 3, 11) in Echtzeit die Interpolationswerte
zwischen zwei benachbarten Basis-Klangdaten
ermittelt.
7. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (14) zwei
Teilbereiche aufweist, wobei der eine Teil die von
der Frequenz der zu erzeugenden Töne unabhängigen
Klangdaten enthält, während der andere Teil die von
der Frequenz abhängigen Klangdaten der Töne enthält,
wobei der Speicher (14) dabei ein Dual-Port-RAM
ist und wobei die aus den beiden Teilbereichen
des Speichers ausgelesenen Klangdaten getrennt in
Signalprozessoren (31, 32) verarbeitet werden und
wobei schließlich die digital/ analog-gewandelten
Ausgangssignale der Signalprozessoren (31, 32) in
einem Analog-Addierer (33) addiert werden.
8. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Klangdaten
unter Steuerung durch die Speichereingabe-Einrichtung
(1, 2, 3, 11) bei voreingestellten Klangparametern
über ein Mikrophon (24) und einen
Analog/Digital-Wandler (22) in den Speicher (14)
eingeschrieben werden.
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