DE3688600T2

DE3688600T2 - Musikinstrument mit digitalem Filter mit programmierten variablen Koeffizienten.

Info

Publication number: DE3688600T2
Application number: DE86104258T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Kakishita; Hiroshi Katsumoto
Original assignee: Akai Electric Co Ltd
Current assignee: Character Run Ltd Tortola Vg
Priority date: 1985-03-27
Filing date: 1986-03-27
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2006-03-28
Also published as: EP0198293A2; EP0198293B1; DE3688600D1; EP0198293A3; US4829463A

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Musikinstrument mit einem Speicher zur Speicherung von Tönen herkömmlicher Musikinstrumente enthaltend:
Einen Datenspeicher zum Speichern von Daten musikalischer Tonwellenform entsprechend den zwölf Halbtönen in einer speziellen Oktave;
Einen Baßprozessor zur Umwandlung dieser Daten im Datenspeicher in eine Wellenform in einer Oktaver niedriger, als die spezielle Oktave;
Einen Höhenprozessor zur Umwandlung dieser Daten im Datenspeicher in eine Wellenform eine Oktave höher als die spezielle Oktave;
Einen Digitalfilter mit zeitabhängig veränderlichen Koeffizienten zum Lesen dieser Daten in einer Wiederholungsschleife aus dem Datenspeicher, dem Baßprozessor oder dem Höhenprozessor, um mittels arithmetischer Operation eine gewünschte musikalische Tonwellenform zu erhalten;
Mittel zum Einstellen der Koeffizienten, um den Baßprozessor, den Höhenprozessor und den Digitalfilter mit zeitabhängig veränderlichem Koeffizienten mit Koeffizienten zu versehen.

Hintergrund der Erfindung

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines RAM bekannt, der Filterkoeffezienten und einkommende (verzögerte) Daten speichert (EP-A-0 046 121).
Es wird festgestellt, daß die Koeffizientenwerte mittels eines Mikroprozessors in diesen RAM eingelesen werden. Ein Multiplizierer, ein Addierer und Mittel zum Ersetzen der entsprechenden RAM-Inhalte sowie Übertragungsmittel werden im Zusammenhang mit dem RAM vorgeschlagen.
Es wird auch gezeigt, daß die Koeffizientenwerte geändert werden können, beispielsweise durch eine Zeitänderung der Koeffizienten.
Ebenso ist ein elektronisches Musikinstrument bekannt, welches einen programmierbaren Klanggenerator enthält sowie arbeitstaktabhängige gesteuerte Filter, die eine analoge Filterung mit Mikroprozessorsteuerung vornehmen (EP-A-0 080 812).
Ein Beispiel eines vorbekannten N-fach zyklischen Filters ist in einem Blockdiagramm in Fig. 2 gezeigt. In der Figur bedeuten die Nr. 1 bis 4 Verzögerungselemente, die jedes eine Verzögerung D vorsehen und die in Reihe geschaltet sind; 5 ist ein Eingangsaddierer; 6 ist ein Ausgangsaddierer; 7 bis 14 sind Multiplizierer zur Gewichtung der Verzögerungselemente 1 bis 4 mittels Koeffizienten a&sub1;, a&sub2;, aN-1, aN, b&sub1;, b&sub2;, bN-1 und bN, wobei der Multiplizierer 7 zwischen einem Ausgang der Verzögerungseinheit 1 und dem Eingang des Addierers 5 angeordnet ist, der Multiplizierer 11 zwischen dem Ausgang der Verzögerungseinheit 1 und dem Ausgang des Addierers 6, der Multiplizierer 8 zwischen einem Ausgang der Verzögerungseinheit 2 und dem Eingang des Addierers 5, der Multiplizierer 12 zwischen dem Ausgang der Verzögerungseinheit 2 und dem Ausgang des Addierers 6, der Multiplizierer 9 zwischen einem Ausgang der Verzögerungseinheit 3 und dem Eingang des Addierers 5, der Multiplizierer 13 zwischen dem Ausgang der Verzögerungseinheit 3 und dem Ausgang des Addierers 6, der Multiplizierer 10 zwischen einem Ausgang der Verzögerungseinheit 4 und dem Eingang des Addierers 5 und der Multiplizierer 14 zwischen dem Ausgang der Verzögerungseinheit 4 und dem Ausgang des Addierers 6.
Eine Systemfunktion H(z) des N-fach zyklischen Filters aus Fig. 2 ist gegeben als:
Wobei x Eingangsdaten, y Ausgangsdaten und z ein Verzögerungsoperator darstellen. Es sind Verzögerungsdaten D&sub0;, D&sub1;, D&sub2; bis DN-1 und DN über den entsprechenden Verzögerungseinheiten 1, 2, 3 und 4 dargestellt. Um die Ausgangsdaten y zu erhalten, ist es notwendig, 2N-Multiplikationen, 2N-Additionen und 2N-Auffrischungen der Verzögerungsdaten D&sub0;, D&sub1;, D&sub2; bis DN1 und DN durchzuführen. Dies kann ausgedrückt werden als
D&sub0; = x + a&sub1;D&sub1; + a&sub2;D&sub2;....+aN-1DN-1 - aNDN
y = D&sub0; + b&sub1;D&sub1; + b&sub2;D&sub2;... + bN-1DN-1 + bNDN
DN → DN-1,..., D&sub2; → D&sub1;, D&sub1; → D&sub0;
Wie oben beschrieben können die vorbekannten N-fach zyklischen Filter bekannte digitale Signale verarbeiten; sie können jedoch nicht Signale verarbeiten, für welche die Koeffizienten in Real zeit neu geschrieben werden müssen, da sie keine Mittel zum Schreiben der Koeffizienten in Realzeit besitzen.
Zusätzlich ist bereits vorgeschlagen worden, ein Verfahren zur Musiktongenerierung vorzusehen, bei dem ein Halbleiterspeicher eine Welle oder eine Vielzahl von Wellen für jeden Halbton in einem ganzen Tonbereich, über den das elektronische Musikinstrument abdeckt, speichert und bei dem die Welle oder die Wellen mit einem speziellen Abtastintervall ausgelesen werden. Außerdem ist bereits ein anderes Verfahren der Musiktongenerierung vorgeschlagen worden, bei dem ein Halbleiterspeicher eine Welle oder eine Vielzahl von Wellen eines speziellen Tones oder eine Mehrzahl von speziellen Tönen in einem gesamten Tonbereich, den das elektronische Musikinstrument abdeckt, speichert und bei dem die Welle oder die Wellen mit veränderlicher Abtastzeit ausgelesen werden.
Die nach den oben beschriebenen Verfahren konstruierten elektronischen Musikinstrumente lesen die Welle oder die Wellen mit bestimmter Abtastrate aus oder haben Wellenformdaten, die den entsprechenden Tonlagendetektoren wie den Tasten entsprechen, um die Tonlage bei einer variablen Abtastrate zu verändern. Derartige elektronische Musikinstrumente werfen das Problem auf, daß eine ungeheure Speicherkapazität benötigt wird, wenn die Anzahl der Adressen bei niedrigeren Tonlagen größer wird.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, ein Verfahren vorzusehen, bei dem ein Speicher eine Welle oder Wellen mit sehr langer Adresse oder Adressen mit begrenzter Bandbreite speichert, daß die Abtastwerte in geeigneter Weise herausgezogen werden und daß die Welle oder die Wellen mit einer speziellen Abtastrate ausgegeben werden. Dieses Verfahren benötigt ebenfalls enorme Adressen um die richtigen Töne zu reproduzieren. Das Verfahren wirft außerdem eine Schwierigkeit bei der Tongenerierung über einen größeren Frequenzbereich auf. Die Schwierigkeit führt zu dem Problem eines Mehrfachfehlers auf Grund der Generierung eines Hochfrequenztones, wenn der Ton insbesondere hohe harmonische enthält.
Außerdem wirft ein elektronisches Musikinstrument, bei dem die Welle oder Wellen mit variabler Abtastrate ausgelesen werden, ein Problem auf, daß ein einfacher Digital/Analog-Wandler nicht in einem zeitgeschalteten Mehrfachprozeß arbeiten kann; um einen Mehrfachton zur gleichen Zeit zu erzeugen, werden daher eine Mehrzahl von Digital/Analog-Wandlern benötigt.
Im einzelnen sind zwei der N-fach zyklischen Filter von einem Typ, wie er besonders in der japanischen Offenlegungsschrift Nr.: 60-22192, herausgegeben am 04.02.1985 für Tahiro Murase, beschrieben ist. Das in dieser Schrift offenbarte elektronische Musikinstrument enthält einen Datenspeicher zur Speicherung künstlich erzeugter Tondaten, einen Datenleser zum Lesen der künstlich erzeugten Tondaten aus dem Datenspeicher und einen Wellenformgenerator zur Erzeugung eines Musiktons unter Verwendung der künstlich erzeugten Tondaten, die vom Datenleser gelesen wurden.
Im einzelnen sind zwei der N-fach zyklischen Filter von einem Typ, wie er besonders in der japanischen Offenlegungsschrift Nr.: 59-136790, herausgegeben am 06.08.1984 an Tahiro Murase et al., beschrieben sind. Das in dieser Schrift offenbarte Tonerzeugungsinstrument enthält einen Wellenformspeicher zur Speicherung wenigstens zwei von einer Mehrzahl von Musiktonwellenformen vom Beginn einer Tonerzeugung bis zum Ende, einen Notenuhrgenerator zur Bestimmung einer musikalischen Tonleiter, einen Wellenformleser zum Auslesen zweier abgetasteter Wellenformdaten aus dem Wellenformspeicher in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Notenuhrgenerators, einen Wellenformrechner zum Formen der musikalischen Wellenform unter Nutzung der beiden abgetasteten Wellenformdaten, die vom Wellenformleser ausgelesen wurden und einen Wandler zum Umwandeln des digitalen Ausgangssignals des Wellenformrechners in eine analoge Größe.

Aufgaben und Vorteile der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Musikinstrument vorzusehen, welches einen digitalen Filter mit programmierten zeitabhängig veränderlichen Koeffizienten enthält, mittels dessen digitale Signale in Echtzeitart verarbeitet werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein elektronisches Musikinstrument vorzusehen, das Töne wiedergeben kann, die denen eines herkömmlichen Musikinstruments sehr nahe kommen und das im Aufbau einfach ist sowie eine geringere Speicherkapazität benötigt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Musikinstrument vorzusehen, welches keine Verschlechterung der Tonqualität auf Grund der Signalverarbeitung und Übertragung in volldigitalisierter Art aufweist.
Die genannten Aufgaben und Vorteile und andere speziellere Aufgaben werden beim Durchgehen durch die folgende Beschreibung von schematischen bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung offensichtlich, insbesondere wenn diese mit dem sie begleitenden Zeichnungen in Verbindung betrachtet wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Musikinstrument mit den genannten Merkmalen dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Filter mit zeitabhängig veränderlichen Koeffizienten umfaßt:
Einen Daten-RAM zur Zwischenspeicherung von Musiktonwellenformdaten aus dem Datenspeicher;
N Einheiten von Datenregistern, die mit einem Ausgang des Daten-RAM verbunden sind und eine Verzögerungseinrichtung bilden;
einen Koeffizienten-RAM zur Speicherung von Koeffizienten;
2N Einheiten von Koeffizientenregistern zur Zwischenspeicherung der entsprechenden Koeffizienten;
eine Koeffizientensteuereinrichtung zum Ersetzen der Inhalte der Koeffizientenregister durch Inhalte des Koeffizienten-RAM;
einen Multiplizierer zur Multiplikation der verzögerten Musiktonwellendaten und Koeffizienten, die aus den Datenregistern und den entsprechenden Koeffizientenregistern ausgelesen wurden und
einen Addierer zum Aufsummieren des Datenausgangs des Multiplizierers und der Eingangsdaten;
eine Einrichtung zum Ersetzen der Inhalte der Koeffizientenregister durch die Inhalte des Koeffizienten-RAM in Abhängigkeit des Ausgangs der Koeffizienteneinstellvorrichtung und
eine Einrichtung zur Übertragung der verzögerten Wellenformdaten aus dem Daten-RAM in die Datenregister, um die verzögerten Daten in den Datenregistern zu neuerlich anzupassen;
wobei eine Summe von Produkten von Koeffizienten nacheinander aus den Koeffizientenregistern ausgelesen werden und die verzögerten Daten, die aus den nacheinander ausgewählten Datenregistern ausgelesen werden, zur Verfügung gestellt werden.
Der programmierte digitale Filter mit zeitabhängig veränderlichen Koeffizienten sieht eine Summe von Produkten von nacheinander aus den Koeffizientenregistern ausgelesenen Koeffizienten sowie der aus den nacheinander ausgewählten Datenregistern ausgelesenen verzögerten Daten vor.
Der programmierbare digitale Filter mit zeitabhängig veränderlichen Koeffizienten kann eine externe Vorrichtung zum Ersetzen der Inhalte des Koeffizienten-RAM aufweisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm für ein bekanntes Nfach zyklisches Filter;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt Wellenformen von abgetasteten Halbtönen im Baßbereich;
Fig. 5 zeigt Spektraldiagramme der Wellenformen aus Fig. 4;
Fig. 6 zeigt Wellenformen von abgetasteten Halbtönen im Höhenbereich;
Fig. 7 zeigt Spektraldiagramme für die Wellenform gemäß Fig. 6.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Wie bereits festgestellt, beinhaltet das elektronische Musikinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung einen programmierbaren digitalen Filter mit zeitabhängig veränderlichen Koeffizienten. Bei einem herkömmlichen zeitabhängig veränderbaren N-fach zyklischen Filter wird eine Systemfunktion H(z) im Zeitbereich dargestellt und ai und bi ändern sich ebenfalls über der Zeit. Die Systemfunktion H(z,nT) kann wie folgt dargestellt werden
wobei T ein Abtastintervall ist, N die Anzahl der Zyklen und ain und bin die Koeffizienten für einen bestimmten Augenblick nT bedeuten.
In Fig. 1 ist ein programmierbarer 4-fach zyklischer Digitalfilter in Art eines Blockdiagramms als Teil des Musikinstruments dargestellt, wobei die Anzahl von Zyklen N = 4 ist. Dieses Ausführungsbeispiel kann als programmierbarer 4-fach zyklischer Digitalfilter in einer solchen Weise betrieben werden, daß Koeffizienten zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem Koeffizienten- RAM gespeichert werden können, welches für einen Zeitabschnitt benutzt wird, in dem alle Signale verarbeitet werden, und daß sie der Reihe nach in Koeffizientenregistern 18 bis 25 abgespeichert werden. Bevor mit der Signalverarbeitung begonnen wird, können die Koeffizienten zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nT mittels einer externen CPU berechnet werden, die eine Koeffizientenerneuerungseinrichtung darstellt. Die erneuten Koeffizienten können anschließend in dem Koeffizienten-RAM 16 gespeichert werden und können außerdem der Reihe nach in den Koeffizientenregistern 18 bis 25 über die Koeffizientensteuerung 17 gespeichert werden. Die vor dem Beginn der Signalverarbeitung in den Koeffizientenregistern gespeicherten Koeffizienten sind die ersten Koeffizienten, die gleichzeitig mit der Signalverarbeitung verwendet werden.
Wenn die Zeitdauer zur Signalverarbeitung relativ kurz ist, können die Koeffizienten für alle Prozeßzeiten n berechnet und in dem Koeffizienten-RAM 16 gespeichert werden. Um die Berechnung und Speicherung für eine längere Zeitperiode für die Signalverarbeitung möglich zu machen, müssen einige Vorkehrungen zur Unterteilung getroffen werden. Es ist schwierig, die Koeffizienten für alle n Verarbeitungszeiten in der oben beschriebenen Weise zu berechnen und im Koeffizienten-RAM 16 zu speichern.
Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, wird die Verfahrenszeit n in M Intervalle unterteilt, wobei angenommen wird, daß die Koeffizienten sich in den entsprechenden Intervallen nicht ändern. Auf diese Weise kann das bevorzugte Ausführungsbeispiel 8 M Koeffizienten insgesamt benötigen, da die Koeffizienten aim und bim
aim : m = 0, 1, 2 M-1, für i = 1, 2, 3, 4
bim : m = 0, 1, 2 M-1, für i = 1, 2, 3, 4
Die in M Intervalle unterteilte Verfahrens zeit n verhält sich in Bezug auf die unterteilte Zeit Nm und Nm+1 wie
Nm < n ≤ Nm+1 mit m = 0, 1, 2 . . ... M-1
wobei m = 0, 1, 2 bis M-1 und N&sub0; = 0 ist. Die unterteilte Zeit Nm kann in einer Koeffizientensteuerung 17 über die externe CPU 15 zusammen mit den Koeffizienten gespeichert werden. Die Koeffizientensteuerung 17 weist einen Zähler auf, der ständig die laufende Prozeßzeit n und die unterteilte Zeit Nm vergleicht.
Die Koeffizientenregister 18 bis 25 weisen entsprechend gespeicherte Koeffizienten K&sub1; bis K&sub8; auf. Die zu Beginn der Signalverarbeitung in den Koeffizientenregistern 18 bis 25 gespeicherten Koeffizienten sind
K&sub1; ← a&sub1;&sup0;, K&sub2; ← a&sub2;&sup0;, K&sub3; ← a&sub3;&sup0;, K&sub4; ← a&sub4;&sup0;, K&sub5; ← b&sub1;&sup0;, K&sub6; ← b&sub2;&sup0;, K&sub7; ← b&sub3;&sup0;, K&sub8; ← b&sub4;&sup0;
Die Datenregister 26 bis 29 sind alle zu Beginn auf 0 gesetzt; das heißt, die Daten D&sub1; bis D&sub4; sind alle 0.
Das Folgende beschreibt den Signalprozeß für die Prozeßzeit n, die im Bereich von Nm ≤ n ≤ Nm+1 liegt. Die Inhalte der Koeffizientenregister 18 bis 25 sind dabei
K&sub1; ← a&sub1;m, K&sub2; ← a&sub2;m, K&sub3; ← a&sub3;m, K&sub4; ← a&sub4;m, K&sub5; ← b&sub1;m, K&sub6; ← b&sub2;m, K&sub7; ← b&sub3;m, K&sub8; ← b&sub4;m
Der aus dem Koeffizientenregister 18 ausgelesene Koeffizient a&sub1; und die aus dem Datenregister 26 ausgelesenen Daten D&sub1; werden an den Multiplizierer 31 weitergegeben. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 31 und die Eingangsdaten x werden an den Addierer 32 weitergegeben.
Gleichzeitig mit dem Auslesen des Koeffizienten a&sub1; aus dem Koeffizientenregister 18 werden die Inhalte der Koeffizientenregister 18 bis 25 folgendermaßen verschoben
K&sub1; ← a&sub2;m, K&sub2; ← a&sub3;m, K&sub3; ← a&sub4;m, K&sub4; ← b&sub1;m, K&sub5; ← b&sub2;m, K&sub6; ← b&sub3;m, K&sub7; ← b&sub4;m
Anschließend vergleicht ein Komperator der Koeffizientensteuerung 17 einen Wert n+1 eines Zählers mit einem Wert Nm+1. Wenn n+1 ≠ Nm ist, wird der ausgelesene Koeffizient a&sub1;m in das Koeffizientenregister 25 eingegeben, um diesen zu K&sub8; ← a&sub1;m zu machen. Wenn n+1 = Nm ist, wird andererseits der Koeffizient a&sub1;m+1 aus dem Koeffizienten-RAM ausgelesen und in das Koeffizientenregister 25 eingegeben, um dieses zu K&sub8; ← a&sub1;m+1 zu machen. Das bedeutet, daß im Falle n+1 = Nm die Koeffizientenregister 18 bis 25 wie folgt verschoben werden
K&sub1; ← a&sub2;m, K&sub2; ← a&sub3;m, K&sub3; ← a&sub4;m, K&sub4; ← b&sub1;m, K&sub5; ← b&sub2;m, K&sub6; ← b&sub3;m, K&sub7; ← b&sub4;m, K&sub8; ← a&sub1;m+1
Das Ausgangssignal des Addierers 32 beträgt x + a&sub1;mD&sub1; und wird wieder an den Addierer 32 selbst weitergegeben. Auch der nächste Koeffizient a&sub2;m wird ebenfalls aus dem Koeffizientenregister 18 ausgelesen und anschließend zusammen mit den Daten D&sub2;, die aus dem Datenregister 27 ausgelesen werden, an den Multiplizierer 31 geliefert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 31 wird zu a&sub2;mD&sub2; und wird an den Addierer 32 geliefert.
Im Addierer 32 wird dieser Wert zu dem vorangegangenen Wert x+a&sub1;mD&sub1; hinzuaddiert und führt zu dem Wert x+a&sub1;mD&sub1; + a&sub2;mD&sub2;.
Dieser eben beschriebene Prozeß wird viermal wiederholt. Das resultierende Ausgangssignal D&sub0; des Addierers 32 beträgt
x + a&sub1;mD&sub1; + a&sub2;mD&sub2; + a&sub3;mD&sub3; + a&sub4;mD&sub4;
Dieses Ergebnis wird im Daten-RAM 30 zwischengespeichert. Die Inhalte der Koeffizientenregister 18 bis 25 werden dann zu
K&sub1; ← b&sub1;m, K&sub2; ← b&sub2;m, K&sub3; ← b&sub3;m, K&sub4; ← b&sub4;m, K&sub5; ← a&sub1;m+1, K&sub6; ← a&sub2;m+1, K&sub7; ← a&sub3;m+1, K&sub8; ← a&sub4;m+1
Die gleiche Multiplikation, die gleiche Addition und die gleiche Verschiebung der Koeffizientenregister 18 bis 25 werden jedes für sich viermal durchgeführt. Das resultierende Ausgangssignal des Addierers 32 wird zu
(y = D&sub0; + b&sub1;mD&sub1; + b&sub2;mD&sub2;.....)
Zusätzlich werden die Werte der verzögerten Daten D&sub1;, D&sub2;, D&sub3; und D&sub4; zwischen dem Daten-RAM 30 und den Datenregistern 26, 27, 28 sowie 29 wie folgt viermal aufgefrischt
D&sub4; ← D&sub3;, D&sub3; ← D&sub2;, D&sub2; ← D&sub1;, D&sub1; ← D&sub0; (Daten- RAM)
Das bedeutet, daß der Wert D&sub0; des Daten-RAM 30 zum Wert D&sub4; aufgefrischt wird. Dies vervollständigt den Prozeß für den einzelnen Eingabewert x.
Zu gleicher Zeit werden die Inhalte der Koeffizientenregister 18 bis 25 zu
K&sub1; ← a&sub1;m+1, K&sub2; ← a&sub2;m+1, K&sub3; ← a&sub3;m+1, K&sub4; ← a&sub4;m+1, K&sub5; ← b&sub1;m+1, K&sub6; ← b&sub2;m+1, K&sub7; ← b&sub3;m+1, K&sub8; ← b&sub4;m+1
Dies ermöglicht es, daß das Verfahren für den nächsten Eingangswert x in kontinuierlicher Weise fortgeführt werden kann. Das heißt, daß der Signalprozeß kontinuierlich durch wiederholte Ausführung der oben erwähnten Operation ausgeführt werden kann, obwohl die Koeffizienten verändert werden können.
Wie für das oben beschriebene Ausführungsbeispiel erklärt, kann der Prozeß der digitalen Filterung mit zeitabhängig veränderlichen Koeffizienten in Echtzeit ausgeführt werden, und zwar derart, daß die Koeffizienten im Koeffizienten-RAM und den Koeffizientenregistern gespeichert werden.
Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel können die Koeffezienten im Verlaufe des Signalprozesses mittels der implementierten externen CPU verändert werden.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes elektronisches Musikinstrument gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. In einem Datenspeicher 41 (ROM) aus Fig. 3 sind die abgetasteten Wellenformdaten von 12 Halbtönen einer besonders aus all den anderen Oktaven, über die sich das elektronische Musikinstrument erstreckt, ausgewählten Oktave abgespeichert. Ein aus dem Datenspeicher 41 ausgelesenes Signal bildet das Eingangssignal für einen Baßprozessor 42, einen Höhenprozessor 45 oder einen digitalen Filter 49 mit zeitabhängig veränderlichen Koeffizienten (einfach "Digitalfilter" in der Figur). Wenn ein Ton der im Datenspeicher 41 gespeicherten Oktave direkt erklingen soll, wird der Ausgang des Datenspeichers 41 zum direkten Eingang des Digitalfilters 49 mit zeitabhängig veränderlichen Koeffizienten; wenn ein Ton in einer niedrigeren Oktave als der gespeicherten erklingen soll, so wird der Ausgang zum Eingang des Baßprozessors 42; oder, wen ein Ton in einer höheren Oktave als der gespeicherten erklingen soll, wird der Ausgang zum Eingang des Höhenprozessors 45.
Der Baßprozessor 42 enthält einen Zwischenprozeß 43 und einen ersten digitalen Filter 44. Der Zwischenprozeß 43 führt eine Null-Punkt-Einfügung des Ausgangs des Datenspeichers 41 durch. Das eingefügte Signal wird über den ersten Digitalfilter 44 zum Digitalfilter 49 mit zeitabhängig veränderlichem Koeffizienten weitergeleitet. Der Höhenprozessor 45 enthält ein zweites Digitalfilter 46, einen RAM 47 und einen Extraktionsprozeß 48. Das Ausgangssignal des Datenspeichers 41 wird zum Eingangssignal des zweiten Digitalfilters 46, welches das Ausgangssignal in digitaler Weise geeignet filtert, um den Extraktionsprozeß 48 zu ermöglichen. Das gefilterte Signal ist Eingang des RAM 47, der ein Abtastintervall des zweiten Digitalfilters gleichmacht zu dem des ersten Digitalfilters 44 und des Digitalfilters 49 mit zeitabhängig veränderlichem Koeffizienten. Anschließend durchläuft das Signal den Extraktionsprozeß 48. Dann dient das Signal als Eingang für den Digitalfilter 49 mit zeitabhängig veränderlichem Koeffizienten.
Dieser zeitabhängig veränderliche Digitalfilter 49 bildet ein Hüllspektrum des Signals ähnlich zu dem eines tatsächlichen Musiktonsignals. Das angenäherte Signal bildet den Eingang für einen Digital/Analogwandler 53.
Eine gezeigte Koeffizienteneinstellvorrichtung 50 umfaßt einen Koeffizientenspeicher 52 (RAM) und eine Koeffizientensteuerung 51. Der Koeffizientenspeicher 52 speichert Koeffizienten, die benutzt werden, um die entsprechenden Koeffizienten des ersten Digitalfilters 44, des zweiten Digitalfilters 46 sowie des Digitalfilters 49 mit zeitabhängig veränderlichem Koeffizienten entsprechend den Zeitperioden vom Beginn des Ertönens eines ausgewählten oder jedes erwünschten Signaltons bis zu dessen Ende zu verändern. Die Koeffizientensteuerung 51 ändert die Koeffizienten wie oben beschrieben.
Wie ebenfalls oben beschrieben, können der ersten Digitalfilter 44, der zweite Digitalfilter 46 und der Digitalfilter 49 mit zeitabhängigem veränderbarem Koeffizienten arithmetische Operationen im selben Abtastintervall durchführen. Die Digitalfilterung eines jeden der Digitalfilter kann durch einen einzigen digitalen Signalprozessor, abgekürzt DSP (in der Zeichnung nicht gezeigt), ausgeführt werden.
Das Ausgangssignal des Digitalfilters 49 mit zeitabhängig veränderlichem Koeffizienten wird in ein analoges Musiktonsignal über einen Digitalanalogwandler 53 umgewandelt. Das analoge Musiktonsignal wird durch einen Tiefpaßfilter 54 ausgegeben.
Im Folgenden wird die Wirkungsweise des elektronischen Musikinstruments gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Zuerst soll die Wirkung des Baßprozessor 42 wie folgt beschrieben werden. Im Datenspeicher 41 sind lediglich die Daten von 12 Halbtönen einer bestimmten ausgewählten Oktave gespeichert von all den Oktaven, über die sich der Umfang des elektronischen Musikinstruments erstreckt. Der Baßprozessor 42 kann einen Halbton auslesen innerhalb einer Zeitdauer, die solange ist wie 2n multipliziert mit einem Ausleseabtastintervall T, wobei T von den abgetasteten Daten sowie der Tonlage des ausgewählten Tonsignals abhängt und wobei n als 0, 1, 2 usw. angenommen wird. Dadurch kann, wie in Fig. 4 gezeigt, ein Tonsignal n Oktaven tiefer als die spezielle ausgewählte Oktave erhalten werden. Fig. 4 (a) zeigt, daß der Abtastwert innerhalb des Abtastausleseintervalls T ausgelesen wird. Fig. 4 (b) zeigt, wie der Abtastwert innerhalb des Abtastausleseintervalls 2nT ausgelesen wird. Der ausgelesene Wert wird einer Null-Punkt-Einstellung unterzogen mittels des Einstellprozesses 43, sodaß das Abtastintervall gleich dem ursprünglichen Abtastintervall T ausgehend von 2nT vor der Null-Punkt-Einschiebung gemacht wird, das heißt, n0-Werte werden zwischen die innerhalb 2nT ausgelesenen Abtastwerte eingeschoben. Fig. 4 (c) zeigt, daß der Abtastwert während n=1 gelesen wird. Fig. 4 (d) stellt eine Wellenform dar, die in der Weise erhalten wurde, daß der Abtastwert durch ein erstes Tiefpaßfilter 44 geleitet wird.
Fig. 5 zeigt Spektralbereiche der Wellenform des Abtastwertes. Fig. 5 (a) ist das Spektrum der Wellenform aus Fig. 4 (a). In ähnlicher Weise ist Fig. 5 (b) das Spektrum der Wellenform aus Fig. 4 (b) usw. Wie bekannt ist, können die Spektren nicht mittels der Null- Punkt-Einschiebung verändert werden. Daher wird das Spektrum der Wellenform nach Fig. 4 (b) durch die Null-Punkt-Einschiebung zu der Wellenform aus Fig. 5 (c).
Wie üblich ist am Ausgang des Digitalanalogkonverters 53 der analoge Tiefpaßfilter 54 angeschlossen. Der Tiefpaßfilter 54 schneidet bei einer Frequenz W ab. In Fig. 5 (a) werden die Frequenzanteile > W durch den Tiefpaßfilter 54 abgeschnitten. In Fig. 5 (c) jedoch kann ein Band von W/2 bis W nicht mittels des Tiefpaßfilters 54 abgeschnitten werden. Zum Abschneiden der Frequenz f ist der erste Digitalfilter 44 vorgesehen, um die Wellenform nach Fig. 4 (c) auszufiltern und zu beseitigen. Die resultierende Wellenform ist die aus Fig. 4 (d) und das resultierende Spektrum ist in Fig. 5 (d) zu sehen.
Als nächstes wird der Betrieb des Höhenprozessors 45 wie folgt beschrieben. Fig. 6 (a) zeigt eine innerhalb des speziellen Ausleseabtastintervalls T aus dem Datenspeicher 41 ausgelesene Wellenform, deren Spektrum in Fig. 7 (a) gezeigt ist. Wenn die Wellenform gemäß Figur 6 (b) innerhalb des Abtastintervalls 1/2nT ausgelesen wird, kann sie n Oktaven höher sein als die aus Figur 6 (a), welche innerhalb des Abtastintervalls T aus dem Digitalspeicher 41 ausgelesen wird. Jedoch kann das Abtastintervall 1/2nT nicht auf T zurückgeführt werden durch ein Herausziehen von n Punktwerten für die Wellenform aus Fig. 6 (b) wie sie war.
Als ein Beispiel ist die Wellenform mit n=l in Fig. 6 (c) gezeigt. Das resultierende Spektrum ist eine Summe des um 2π/n verschobenen ursprünglichen Spektrums und des ursprünglichen Spektrums wie in Fig. 7 (b) gezeigt. Wie diesem Spektrum zu entnehmen ist, sind die ursprünglichen Spektralkomponenten vollständig durch Faltungsfehler zerstört.
Um ein solches Problem zu lösen, ist der zweite Digitalfilter 46 so ausgewählt, daß er für die digitale Verarbeitung die Wellenform gemäß Fig. 6 (d) als Tiefpaß wirkt. Das resultierende Spektrum ist in Fig. 7 (c) gezeigt. Eine Welle hiervon wird im RAM 47 zu gleicher Zeit gespeichert und dann im Abtastintervall T/2n dort ausgelesen. Aus dieser einen Welle sind die n Punktwerte herausgezogen. Die entstehende Wellenform ist in Fig. 4 (e) gezeigt und das zugehörige Spektrum in Fig. 5 (d). Es muß festgehalten werden, daß Frequenzanteile höher als W unnötig sind, weil der Digitalanalogwandler 53 in Verbindung mit dem Ausgang davon den analogen Tiefpaßfilter 54 hat, welcher bei W abschneiden kann.
Es kann nun geschehen, daß ein Tonsignal mit einer Frequenz n Okaven höher als die, die im Abtastintervall T aus dem Datenspeicher 41 ausgelesen wurde, benötigt wird. Höhere Frequenzen als W/2n können dann in der Filteroperation wie in Fig. 7 (c) gezeigt abgeschnitten werden und die Wellenform kann innerhalb des Ausleseabtastintervalls T/2n gelesen werden, um die n-Punktwerte herauszuziehen. Die Frequenzanteile der Wellenform aus Fig. 6 (b9, die niedriger als W sind, können dann gespart werden. Das resultierende Spektrum ist in Fig. 7 (d) gezeigt. Das Herausziehen der n-Punktwerte, wie oben erwähnt, kann mittels des Extraktionsprozesses 48 durchgeführt werden. Dadurch kann das Abtastintervall T konstant gemacht werden.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren können die Eingangs- und Ausgangsabtastintervalle T des ersten Digitalfilters 44, des zweiten Digitalfilters 46 und des Digitalfilters 49 mit zeitabhängig veränderlichem Koeffizienten konstant gehalten werden. Dieses Merkmal erlaubt es, Wellenformen in größeren Frequenzbereichen aus dem einfachen Wellenwert zu erhalten, der aus einer einzelnen Welle jedes der zwölf Halbtöne in einer Oktave ohne Zerstörung von notwendigen Frequenzanteilen erhalten wird.
Da die Abtastzeit T konstant ist, können der erste Digitalfilter 44, der zweite Digitalfilter 46 und der Digitalfilter 49 mit zeitabhängig veränderlichem Koeffizienten aus einem einzelnen digitalen Signalprozessor gebildet sein, wobei jeder Tonsignale in einer Art Zeitmultiplexverfahren verarbeitet. Auch bei einem elektronischen Musikinstrument, welches Mehrfachtöne in einer Polyphonart erzeugen kann, können die Mehrfachtöne in einer Art zeitmultiplexverfahren verarbeitet werden, da das Abtastintervall T am Eingang der Mehrfachtöne in die Digitalfilter mit den Tonlagen dient.
Der Digitalfilter 49 mit zeitabhängig veränderlichem Koeffizienten kann durch einen spannungsgesteuerten Filter ersetzt werden, wie er in elektronischen Musikinstrumenten des analogen Typs gefunden werden kann. Während des Betriebs wird eine im Datenspeicher 41 oder im RAM 47 gespeicherte Welle in ständig wiederholter Schleife ausgelesen und ihre harmonischen Anteile werden zeitgesteuert durch den Digitalfilter 49 mit zeitabhängig veränderlichem Koeffizienten, um den Klang des elektronischen Musikinstruments an einen solchen eines herkömmlichen zeitabhängig veränderlichen Musikinstrumentes anzunähern.
Wenn solch ein Verfahren auf analoge Weise durchgeführt werden soll, wird an Stelle des Digitalfilters 49 mit zeitabhängig veränderlichem Koeffizienten ein spannungsgesteuerter Filter verwendet. Um einen Mehrfachton zur gleichen Zeit zu erzeugen, müssen eine Mehrzahl der spannungsgesteuerten Filter verwendet werden, da die oben erwähnte Zeitmultiplexmethode nicht angewandt werden kann. Die analoge Methode bringt eine größere Verschlechterung und ein niedrigeres Signal/Rausch-Verhältnis mit sich.
In dem Ausführungsbeispiel kann auch der Digitalanalogwandler 53 den oben erwähnten Zeitmultiplexprozeß des Mehrfachtons lediglich mit Hilfe mehrerer zusätzlicher Puffer durchführen, da das Abstastintervall T konstant ist.
Wie aus der obigen Beschreibung entnommen werden kann, kann das Ausführungsbeispiel in einer einfachen Weise mit einer geringeren Anzahl von Hardware-Bausteinen konstruiert werden.
Außerdem kann die Speicherkapazität gespart werden, da die benötigte Speicherkapazität lediglich eine einzelne Welle eines jeden der zwölf Halbtöne zu speichern hat.
Es kann auch keine Verschlechterung des Tonsignals im Signalprozeß verursacht werden, da dieser während des ganzen Abtastintervalls T in digitaler Art durchgeführt wird. Um beispielsweise höhere Frequenzsignalanteile bis zur n-ten Harmonischen zu erzeugen, wird gemäß dem Abtasttheorem nur eine Welle mit 2n-Abtastwerten benötigt. Da hierzu keine schwierige Technik benötigt wird, kann das erzeugte Tonsignal wesentlich höhere korrekte Harmonische enthalten. Die Harmonischen in dem erzeugten Tonsignal sind frei von unnötigem Rauschen, wie z. B. dem Faltungsfehler, innerhalb einer benötigten Bandbreite. Dies bedeutet, daß ein korrekter musikalischer Ton erzeugt werden kann.

Claims

1. Elektronisches Musikinstrument mit einem Speicher zum Speichern von Tönen herkömmlicher Musikinstrumente mit

einem Datenspeicher (41) zum Speichern von Daten mit Musiktonwellenformen entsprechend zwölf Halbtönen in einer bestimmten Oktave,

einem Baß-Prozessor (42) zur Umwandlung der Musiktonwellenformdaten im Datenspeicher (41) in eine Wellenform in einer Oktave niedriger als die bestimmte Oktave,

einem Höhen-Prozessor (45) zur Umwandlung der Musiktonwellenformdaten im Datenspeicher (41) in eine Wellenform in einer Oktave höher als die bestimmte Oktave,

einem digitalen Filter (49) mit zeitabhängig variablen Koeffizienten zum Einlesen der Musiktonwellenformdaten in Mehrfachschleifenform aus dem Datenspeicher (41), dem Baß-Prozessor (42) oder dem Höhen-Prozessor (45), um eine erwünschte Musiktonwellenform mittels einer arithmetischen Operation zu erhalten,

Koeffizienteneinstellmitteln (50) zur Bereitstellung von Koeffizienten für den Baß-Prozessor (42), den Höhen-Prozessor (45) sowie dem digitalen Filter (49) mit zeitabhängig variablen Koeffizienten, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Filter (49) mit zeitabhängig variablen Koeffizienten

einen Daten-RAM (30) zur Zwischenspeicherung von Eingangs-Musiktonwellenformdaten vom Datenspeicher (41),

N Einheiten von Datenregistern (26-29), die mit einem Ausgang des Daten-RAM (30) verbunden sind, um eine Verzögerungseinrichtung zu bilden,

einen Koeffizienten-RAM (16) zur Speicherung von Koeffizienten,

2N Einheiten von Koeffizientenregistern (18-25) zum Zwischenspeichern der entsprechenden Koeffizienten,

eine Koeffizientensteuereinheit (17) zum Ersetzen des Inhalts der Koeffizientenregister (18-25) durch den Inhalt des Koeffizienten-RAM (16),

einen Multiplizierer (31) zur Vervielfachung der verzögerten Musiktonwellenformdaten und Koeffizienten, die aus den Datenregistern (26-29) bzw. den Koeffizientenregistern (18-25) ausgelesen wurden, und

einen Addierer (32) zum Aufaddieren des Datenausgangs aus dem Multiplizierer (31) sowie der Eingangsdaten,

Mittel zum Ersetzen des Inhalts der Koeffizientenregister (18-25) durch den Inhalt des Koeffizienten-RAM (16) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Koeffizienteneinstelleinrichtung (50), sowie

Mittel zur Übertragung der verzögerten Wellenformdaten von dem Daten-RAM (30) in die Datenregister (26-29) zur Erneuerung der verzögerten Daten in den Datenregistern (26-29) umfaßt,

wobei eine Summe von Produkten der sequentiell aus den Koeffizientenregistern (18-25) ausgelesenen Koeffizienten sowie der aus den sequentiell ausgewählten Datenregistern (26-29) ausgelesenen Daten gebildet wird.

2. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Daten-RAM (30) neben den Eingangs-Musiktonwellenformdaten vom Baß-Prozessor (42) und vom Höhen-Prozessor (45) die Signale vom Datenspeicher (41) zwischenspeichert.

3. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ersetzen des Inhalts des Koeffizienten- RAM externe Ersetzungsmittel sind.

4. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch

eine Prozeß-Zwischenschalteinrichtung (43), die es dem Baß-Prozessor (42) ermöglicht, eine Nullpunkt- Zwischeneinstellung in den Musiktonwellenformdaten vorzusehen sowie

ein erstes digitales Filter (44) zum Filtern der in den Zwischenprozeß gewonnenen Daten auf digitale Art.

5. Elektronisches Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch

ein zweites digitales Filter (46), das es dem Höhen-Prozessor (45) ermöglicht, die Musiktonwellenformdaten auf digitale Art zu filtern,

einen RAM (47) zur Speicherung der gefilterten Musiktonwellenformdaten und

eine Einrichtung (48) zum Extrahieren der aus dem RAM ausgelesenen Musiktonwellenformdaten.

6. Elektronisches Musikinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Koeffizienteneinstelleinrichtung (50), gekennzeichnet durch

eine Koeffizientensteuereinrichtung (51) zur Versorgung des Baß-Prozessors (42), des Höhen-Prozessors (45) sowie des digitalen Filters (49) mit zeitabhängig variablen Koeffizienten sowie

einen Koeffizientenspeicher (52) zur Speicherung von Daten oder Koeffizienten, wodurch die Koeffizientensteuereinrichtung (51) die Koeffizienten berechnen kann, die an den Baß-Prozessor (42), den Höhen-Prozessor (45) und das Filter (49) geliefert werden.