DE69727503T2

DE69727503T2 - System und verfahren zur tonsynthese mittels einer längenmodulierten digitalen verzögerungsleitung

Info

Publication number: DE69727503T2
Application number: DE69727503T
Authority: DE
Inventors: S. Timothy STILSON
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1996-05-09
Filing date: 1997-05-06
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2017-05-07
Also published as: JP2000510255A; CA2253273A1; CA2253273C; EP0979502A4; EP0979502B1; US5740716A; EP0979502A1; AU722177B2; AU3060897A; WO1997042623A1; DE69727503D1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die digitale Signalverarbeitung zur Erzeugung von Musik und anderen digital getasteten Signalen, insbesondere auf die Verwendung längenmodulierter Verzögerungsleitungen bei digitalen Signalverarbeitungssystemen und -verfahren.
Hintergrund der Erfindung
Bei der digitalen Klangsynthese wird angestrebt, akustische Verfahren der Klangerzeugung zu simulieren. Die verschiedenen Syntheseverfahren verwenden oft physikalische Modelle akustischer Musikinstrumente. Die physikalischen Modelle basieren auf einer mathematischen Beschreibung des Verhaltens des Instruments. Diese Modelle dienen auch als Basis, von der aus neue Klänge erzeugt werden können, was sonst nicht möglich wäre.
1 zeigt eine "lange Karplus-Strong-Verzögerungsleitung" 50 mit einer Verzögerungsleitung 52 für getastete Daten, einen Interpolationsfilter 54 und eine Rückkopplungsstrecke 56 mit einem Rückkopplungsfilter und gegebenenfalls einem Signalverstärker oder Verstärkungselement. Die Verzögerungsleitung 52 für getastete Daten speichert einen digital getasteten Datenwert für jede Tastperiode. Hat beispielsweise das System, in dem die Verzögerungsleitung 50 verwendet wird, eine Tastfrequenz f_S von 44.100 Hz, dann wird 44.100 Mal pro Sekunde eine neue Datentastung in die Verzögerungsleitung eingeleitet. Werden an einer bestimmten Leserstellung R die Daten lediglich von der Verzögerungsleitung ausgelesen, wodurch ein Ausgangssignal U_R(n) erzeugt wird, wird die Verzögerungsleitung als Verzögerungsleitung ganzzahliger Länge bezeichnet, weil das Ausgangssignal U_R(n) um eine ganze Zahl von Tastperioden von der Zeit aus verzögert wird, zu der es in die Verzögerungsleitung eingeleitet wurde.
Bei der langen Karplus-Strong-Verzögerungsleitungsstruktur 50 wird eine lineare Interpolation ausgeführt, so dass eine Verzögerungsleitung gebrochener Länge von L + aO entsteht, worin L eine ganze Zahl und aO ein Bruchwert zwischen 0 und 1 ist. L ist der Abstand in Einheiten von Datentastpositionen zwischen der gegebenen Eingangsstelle W zur Verzögerungsleitung und der Lesestellung des Filters R-1 während der vorherigen Tastperiode: L = R-1 – W.
Während jeder Zeitperiode n liest der Filter 54 einen getasteten Datenwert U_R(n) und gibt einen gefilterten Datenwert out(n) aus, der wie folgt berechnet wird: out(n) = aO × UR(n) + (1 – aO) × UR(n – 1).
Wird z. B. aO gleich 0,5 gesetzt, hat die Verzögerungsleitung eine effektive Länge von L + 0,5, und out(n) ist gleich dem Mittelwert der vom Filter zuletzt gelesenen Datentastungen: out(n) = 0,5 × (UR(n) + UR(n – 1 ).
Verzögerungsleitungen nicht ganzzahliger Länge, wie die lange Karplus-Strong-Verzögerungsleitung 50, bei denen linear interpoliert wird, oder andere FIR-(Endliche-Impuls-Reaktionsfilter)-Interpolationsverfahren können durch ein Steuersignal (z. B. aO in der Verzögerungsleitung der 1) glatt in ihrer Länge variiert werden. Lineare Interpolationsfilter dieser Art wirken aber als Tiefpassfilter und erzeugen hochgestimmte Musiknoten, während die Harmonischen tiefer Musiknoten schnell abklingen.
Die Verzögerungsleitung in der langen Karplus-Strong-Struktur kann als rezirkulierende Signalverlauf-Tabelle betrachtet werden, die durch eine Gruppe willkürlicher Werte initialisiert wird. Bei jeder Tastperiode wird ein Wert der Tabelle ausgelesen und einem Digital/Analog-Wandler (DAC) zugeführt, der den Wert in einen hörbaren Klang umwandelt. Der ausgelesene Tabellenwert wird ferner gefiltert und wieder in die Tabelle eingesetzt, so dass eine Variation des Klangs entsteht statt eines lediglich periodischen Tons. Insbesondere werden die ausgelesenen Tabellenwerte (d. h. die Verzögerungsleitung) durch einen Tiefpassfilter modifiziert, durch den die Signalwerte in der Verzögerungsleitung zum Abklingen gebracht werden, so dass schließlich Signalwerte sehr nahe bei Null entstehen. Die Frequenzgangtabelle kann mit neuen Werten wieder aufgeladen werden, um einen neuen Klang zu erzeugen.
Die Karplus-Strong-Synthese ist oft mit der Erzeugung des Klangs einer gezupften Saite und Schlagzeug verbunden. Diese Klänge sind kurzzeitig hörbar und erfordern eine wiederholte Aufladung der Signaltabelle, um den Klang für eine nächste Note oder ein anderes musikalische Ereignis zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, musikalisch interessante Klänge und andauernde Klänge oder Klänge, die sich für lange Zeitperioden regenerieren, digital zu synthetisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein digitales Klang-Syntheseverfahren zum Erzeugen musikalischer Klänge zu schaffen, die selbsterzeugend sind.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, digitale Klänge der oben beschriebenen Art in rechnerisch wirkungsvoller Art zu synthetisieren.
Weitere allgemeine und spezielle Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Zeichnungen und der folgenden Beschreibung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Klang-Synthesesystem mit einer Verzögerungsleitung variabler Länge, deren Länge bei einer Frequenz moduliert wird, die nahe an der Grundfrequenz der Verzögerungsleitung liegt. Durch Modulation der Länge der Verzögerungsleitung bei einer Frequenz in der Nähe der Grundfrequenz der Verzögerungsleitung wird eine neue Klasse von Klängen erzeugt.
Ein Verzögerungsleitungs-Längenmodulator erzeugt ein periodisches Modulationssignal, dessen Frequenz in der Nähe der Grundfrequenz einer Verzögerungsleitung liegt. Die Länge der Verzögerungsleitung wird entsprechend dem Modulationssignal moduliert, wodurch ein variabler Stimmungsverschiebungseffekt in dem von der Verzögerungsleitung erzeugten Signal entsteht.
Da die Länge der Verzögerungsleitung bei einer Frequenz in der Nähe der mittleren Rückkopplungsfrequenz moduliert wird, wird ein Teil des in der Verzögerungsleitung gespeicherten Signals zeitlich komprimiert und ein anderer Teil expandiert. Wenn dies eintritt, verändert sich die Form des Signals glatt, so dass der komprimierte Teil des Signals in seiner Stimmung aufhört und der expandierte Teil in seiner Stimmung abwärts verschoben wird. Eine gleichzeitige Aufwärts- und Abwärtsverschiebung des Spektrums des Signals, das in der Verzögerungsleitung gespeichert wird, führt zur Erzeugung musikalisch interessanter Klänge.
Bei einer zweiten Ausführungsform wird eine Instabilität in die Rückkopplungsschleife der Verzögerungsleitung eingeführt, und zwar bei der halben Tastfrequenz. Hierdurch wird zusätzliche Energie in das System eingeleitet, wodurch das Signal in der Verzögerungsleitung regeneriert. Hierdurch wird die Zeitdauer der Erzeugung von Klangeffekten verlängert, die nach der Einleitung eines Erregungsimpulses erzeugt werden. Der Regenerationskreis, der die Instabilität bewirkt, ist ein einpoliger Filter (Regenerationsfilter), dessen Verstärkung so eingestellt wird, dass während eines Teils des Zyklus des Signals der Filter eine große Verstärkung bei einer Frequenz hat, die etwa der halben Tastfrequenz entspricht. Dies führt dazu, dass die Rückkopplung während eines Teils des Modulationszyklus unter bestimmten Bedingungen unstabil wird, wodurch dem in der Verzögerungsleitung gespeicherten Signal zusätzliche Energie zugeführt wird. Dieser Tonverschiebungseffekt der oben beschriebenen Längenmodulation der Verzögerungsleitung bewirkt, dass die so erzeugten hochfrequenten Signale in ihrer Frequenz herabgedrückt werden, so dass die von der längenmodulierten Verzögerungsleitung erzeugten Klangeffekte regeneriert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zusätzliche Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den folgenden Ansprüchen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Verzögerungsleitung mit einem linearen Interpolationsfilter,
2 ein Blockschaltbild eines Realzeit-Klang-Synthesesystems mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung eines Klang-Synthesenetzwerks in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
4 eine schematische Darstellung einer in den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung benutzten Verzögerungsleitung, und
5 eine schematische Darstellung eines Klang-Synthesenetzwerks in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass musikalisch interessante Klänge erzeugt werden können, wenn die Länge der Verzögerungsleitung einer Karplus-Strong-Verzögerungsleitungsstruktur bei einer Frequenz längenmoduliert wird, die nahe der Grundfrequenz der Verzögerungsleitung liegt. Die Grundfrequenz einer Verzögerungsleitung ist die mit der nominalen oder mittleren Länge der Verzögerungsleitung verbundene Frequenz, die dem in der Schleife zirkulierenden Signal eine zugehörige Periode aufdrückt.
Ferner wird durch die Einführung einer Instabilität in die Rückkopplungsschleife mit der halben Tastfrequenz zusätzliche Energie in das Netzwerk eingeleitet, wodurch Klangeffekte für lange Zeitperioden regeneriert werden. Die vorliegende Erfindung lässt sich auch anwenden in Systemen, bei denen die Länge einer Verzögerungsleitung bei einer Frequenz moduliert wird, die ein niedriges Vielfaches (z. B. 2, 3 oder 4) oder ein Teil (z. B. 1/2, 1/3 oder 1/4) der Grundfrequenz der Verzögerungsleitung ist oder ein Verhältnis kleiner Ganzzahliger (z. B. 2/3, 3/4 oder 5/2) der Grundfrequenz der Verzögerungsleitung.
2 zeigt ein computerbasiertes Musik-Synthesesystem 100 mit einer Host-Zentraleinheit (Host-CPU) 102, einer Computer/Benutzer-Schnittstelle 104, einer Musik-Schnittstelle 106, einem Speicher 108 (mit einem schnellen Speicher mit willkürlichem Zugriff (RAM) und einem nicht volatilen Speicher wie einem Plattenspeicher) und einem digitalen Signalverarbeitungs-(DSP-)Subsystem 110.
Das DSP-Subsystem 110 führt DSP-Programme aus, die von der Host-CPU 102 in den Speicher 112 des DSP-Subsystems heruntergeladen wurden. Die heruntergeladenen DSP-Programme sind typischerweise Musik-Syntheseprogramme, die, wenn sie vom Prozessor 114 des DSP-Subsystems ausgeführt werden (typischerweise als DSP bezeichnet), hörfrequente Signale erzeugen. Diese Ausgangssignale bilden einen Strom digitaler Datenwerte, die durch einen Klanggenerator 116 (in der Musik-Schnittstelle) in analoge elektrische Signale umgewandelt werden, die dann durch einen Lautsprecher 118 in hörbaren Klang konvertiert werden. Der Klanggenerator 116 enthält im Wesentlichen einen Analog/Digital-Wandler (ADC) sowie andere hier nicht relevante Schaltungsbestandteile.
Die bei der Ausführung von DSP-Programmen vom DSP 114 verwendeten Steuersignale können von einem MIDI-Gerät 120 stammen, wie einem mit einer Tastatur 122 und einem oder mehreren Tonmischrädern 124 ausgestatteten Gerät, oder von einer Computertastatur oder einem Zeigegerät in der Computer/Benutzer-Schnittstelle 106. Die Eingangssignale von diesen Eingabegeräten sind typischerweise durch die Ausführung eines Musiksynthese-Steuerprogramms 130 von der Host-CPU 104 vorverarbeitet, um Steuerparameter zu erzeugen, die dann zum DSP-Subsystem 110 geleitet werden.
Zusätzlich zum Musiksynthese-Steuerprogramm 130 speichert der Speicher 108 der Host-CPU typischerweise ein Betriebssystem 132, einen DSP-Programm-Compiler 134 sowie weitere Software und Daten, die keinen direkten Bezug zur vorliegenden Erläuterung haben.
Der Speicher 112 im DSP-Subsystem 110 speichert typischerweise kompilierte DSP-Prozeduren 150, 170 und ein Verzeichnis- oder Steuerprogramm 140, das die Ausführung der DSP-Prozeduren 150 durch die DSP zeitlich steuert. Die einzige dieser DSP-Prozeduren, die für die vorliegende Erfindung direkt relevant sind, ist die Synthese-Netzwerkstruktur 150, von der in den 3 und 4 zwei Versionen schematisch dargestellt sind.
Zur Erleichterung der Erläuterung wird die Synthese-Netzwerkstruktur 150 wie eine physikalische elektronische Schaltung dargestellt, tatsächlich aber wird sie als DSP-Programm oder -Prozedur implementiert. Wirkliche Musik-Synthesesysteme, die die vorliegende Erfindung anwenden, können mehrere Synthese-Netzwerkstrukturen 150 benutzen, um einen Stereo-Effekt oder, allgemeiner, mehrfache Stimmen zu erzeugen.
Nach den 2 und 3 enthält die Synthese-Netzwerkstruktur 150 eine Gruppe gespeicherter Parameter 152, eine Verzögerungsleitungsstruktur 254, einen Verzögerungsleitungs-Längenmodulator 156 und eine Gruppe von Rückkopplungsfiltern 160. Die gespeicherten Parameter 152, die die Synthese-Netzwerkstruktur 150 steuern, umfassen einen als F bezeichneten Grundfrequenzparameter 152A und einen als Δf bezeichnete Frequenz-Differenzparameter 152B, einen als N/M bezeichneten Multiplizieren 152C, einen mit A bezeichneten Modulationsindex 152D und einen mit g1 bezeichneten ersten Normalisierungskoeffizienten. Die in 5 gezeigte zweite bevorzugte Ausführungsform enthält zusätzlich gespeicherte Parameter: einen mit B bezeichneten Regenerations-Modulationskoeffizienten 152E, einen mit g2 bezeichneten zweiten Normalisierungskoeffizienten und einen manchmal mit μ bezeichneten Tiefpassfilter-Steuerparameter 152F. Diese gespeicherten Parameter können durch den Host-Computer geändert werden, entweder durch den Benutzer des Systems oder automatisch, z. B. durch eine Prozedur, die einen oder mehrere der gespeicherten Parameter langsam variiert, so dass eine Vielfalt von Klängen erzeugt wird.
Alle dynamisch aktualisierten Werte in der Synthese-Netzwerkstruktur 150 werden mit der Audio-Tastfrequenz aktualisiert, die in der bevorzugten Ausführungsform 44.100 Hz beträgt. Somit wird ein neuer Eingabewert in der Verzögerungsleitung je Sekunde 44.100 Mal gespeichert, das Modulationssignal L(n), das vom Verzögerungsleitungs-Längenmodulator 156 erzeugt wird, wird je Sekunde 44.100 Mal aktualisiert, und so weiter. Der Indexparameter "n" bezeichnet die gegenwärtige Tastperiode. Somit stellt "L(n)" den gegenwärtigen Wert des Modulationssignals dar, während "L(n – 1 )" den vorherigen Wert des Modulationssignals wiedergibt. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können andere Tastfrequenzen verwendet werden, z. B. 22.050 Hz oder 16.000 Hz.
Zusätzlich zum Modulationssignal wird die Reihe in der Verzögerungsleitung 154 gespeicherter Daten als ein "Signalverlauf" betrachtet, und die sich dynamisch ändernden Daten an den verschiedenen Punkten der Verzögerungsleitungsschleife einschließlich des Ausgangssignals V(n) werden je als ein Signal betrachtet.
Der Verzögerungsleitungs-Längenmodulator 156 enthält einen Multiplizieren 200, der den Wert F der Grundfrequenz um einen Faktor N/M normalisiert. Der N/M-Parameter 152C wird üblicherweise auf "1" gesetzt, ihm können aber auch Werte zugeordnet werden, wie kleine ganze Zahlen 2, 3, 4 und ihre Kehrwerte 1/2, 1/3, 1/4 oder ein beliebiges anderes Verhältnis kleiner ganzer Zahlen (z. B. 2/3, 3/4 oder 5/2). N und M sind beide ganzzahlig und werden je nicht größer als 6 und nicht kleiner als 1 gesetzt. Wenn nicht anders erwähnt, wird in der folgenden Diskussion angenommen, dass N/M gleich 1 gesetzt wurde.
Ein Addieren 202 summiert das Ausgangssignal des Multiplizierers 200 mit einem Frequenz-Differenzwert Δf zu einer Modulationsfrequenz (N/M)·F + ΔF, die dann einem Modulationssignalgenerator 158 zugeführt wird. Der Modulationssignalgenerator 158 gibt vorzugsweise ein sinusförmiges oder ein anderes periodisches Signal X(n) mit einer Wiederholungsfrequenz ab, die gleich ist der erwähnten Modulationsfrequenz (N/M)·F + ΔF und einer Amplitude A, die der Modulationsindexparameter 152D ist.
Durch eine Umwandlungsoperation 210, die die Tastfrequenz f_s durch die Grundfrequenz F teilt, wird die Grundfrequenz F in einen Verzögerungsleitungs-Längenwert L_F umgewandelt. Dieser Längenwert L_F, der auch als Nenn-Verzögerungsleitungslänge bezeichnet wird, definiert die mittlere Länge der Verzögerungsleitung 154.
Das Modulationssignal X wird dann durch eine Multiplikationsoperation 206 um einen Faktor g1 zu einem Längenmodulationswert ΔL(n) normalisiert und durch einen Addierer 212 mit der Nenn-Verzögerungsleitungslänge L_F zum gegenwärtigen Verzögerungsleitungslängenwert L(n) summiert. Die Amplitude des Längenmodulationssignals L(n) sollte im Allgemeinen kleiner sein als die Nennlänge L_F der Verzögerungsleitung, da negative Verzögerungsleitungslängen nicht sinnvoll sind.
Die Länge der Verzögerungsleitung 154 wird entsprechend dem Wert von L(n) moduliert. D. h., das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung wird mittels eines Lesezeigers gelesen, der um L(n) Tastpositionen vom Schreibzeiger der Verzögerungsleitung (der sich dort befindet, wo neue Eingabewerte in die Verzögerungsleitung 154 eingeschrieben sind) entfernt ist. Da L(n) allgemein ein nicht ganzzahliger Wert ist, wird das Ausgangssignal der nicht ganzzahlig langen Verzögerungsleitung durch einen (nicht gezeigten) Interpolator erzeugt, z. B. den FIR-Linear-Interpolator 54 der 1. Erfindungsgemäß kann ein beliebiger Leitungsinterpolator verwendet werden, der geeignet ist, Signale zu erzeugen, die repräsentativ sind für Signalverzögerungen um eine nicht ganzzahlige Zahl von Tastperioden.
Das Ausgangssignal V(n) der Verzögerungsleitung wird mittels eines Tiefpass-Rückkopplungsfilters 226 gefiltert. Das resultierende Signal V2(n) wird dann mit einem Erregungssignal 220 E(n) kombiniert, bevor es in die Verzögerungsleitung 154 rückgeschrieben wird. Das Erregungssignal 220 wird üblicherweise auf Null gesetzt, es sei denn, dass der Benutzer des Systems entscheidet, die Erzeugung eines Klangeffekts durch die Synthesenetzwerkstruktur zu initiieren. Zu dieser Zeit wird ein geformter Störungsimpuls mittels der Erregungsquelle für die Speicherung in der Verzögerungsleitung 154 ausgegeben. Die Funktion des Erregungssignals 220E(n) ist es, die Verzögerungsleitung 154 oder wenigstens einen Teil der Verzögerungsleitung mit einem zufälligen Signalverlauf zu füllen; das Erregungssignal kann daher eine sehr kurze Dauer haben. In anderen Ausführungsformen braucht das Erregungssignal keine Störung zu sein. Stattdessen könnte es ein beliebiges willkürliches oder strukturiertes Signal sein, das der Systembenutzer wählt.
Das Ausgangssignal V(n) wird zum Klanggenerator 116 übertragen, der das digitale Signal V(n) in analoge elektrische Signale umwandelt, die dann mittels des Lautsprechers 118 in einen hörbaren Klang umgewandelt werden. Alternativ kann das Signal V(n) für ein Playback oder eine weitere Signalverarbeitung zu einem späteren Zeitpunkt in einem Speicher gespeichert werden.
Das Synthesenetzwerk 150 erzeugt zuvor nicht erzeugte, musikalisch interessante Klänge (d. h. Signale). In dieser Ausführungsform werden die musikalisch interessanten Klänge oder Signale erzeugt durch Modulation der Länge der Verzögerungsleitung mit einer Frequenz, die in der Nähe der Grundfrequenz des Rückkopplungskreises liegt. Indem auf diese Weise die Länge der Verzögerungsleitung variiert wird, werden unterschiedliche Teile des Signals wiederholt in ähnlicher Weise und unabhängig voneinander geändert. Dies resultiert in einer gleichzeitigen aufwärts und abwärts gerichteten Verschiebung des Klangspektrums, wodurch eine charakteristische Klasse von Klängen und Frequenzverschiebungs-Verhaltensweisen erzeugt wird.
4 zeigt die Implementierung der erfindungsgemäßen variablen Verzögerungsleitung 154 nicht ganzzahliger Länge. Die Verzögerungsleitung 154 enthält eine Tabelle oder einen Puffer 230 mit einer festen Anzahl von Eingängen, der als Kreispuffer verwendet wird. Ein Schreibzeiger 232 definiert die Stelle im Verzögerungsleitungspufter 230, wo die Daten V3(n) in die Verzögerungsleitung rückgeschrieben werden. Zwei Lesezeiger 234, 236 definieren die Stellen, an denen die Daten aus dem Verzögerungsleitungspuffer 230 ausgelesen werden. Zu jeder Tastzeit n werden die Lesezeiger 234, 236 entsprechend dem gegenwärtigen Wert der modulierten Verzögerungsleitungslänge L(n) gegenüber dem Schreibzeiger 232 positioniert, wo die Stellung des ersten Lesezeigers dem Wert von L(n) entspricht, abgerundet auf die nächstniedrigere ganze Zahl, und wo die Stellung des zweiten Lesezeigers dem Wert von L(n) entspricht, aufgerundet auf die nächsthöhere ganze Zahl. Ein Interpolationsfilter 238 interpoliert die vom Verzögerungsleitungspuffer 230 gelesenen Werte und erzeugt einen interpolierten Wert V(n), der die vom Verzögerungsleitungseingang um L(n) Zeit-Tastperioden verzögerten Daten darstellt. Der Interpolationsfilter-Steuerparameter aO stellt den Bruchteil der gegenwärtigen Verzögerungsleitungslänge L(n) dar.
Der Tiefpass-Rückkopplungsfilter 226 der 3 kann ein Zweipunkt-Mittelungsfilter sein, der zwei aufeinander folgende Tastungen entsprechend der folgenden mathematischen Beziehung mittelt: V2(n) = (0,5 + μ)·V(n) + (0,5 – μ)·V(n – 1 ).
Mit μ gleich 0 ist V2(n) = 0,5 (V(n) + V(n – 1 )).
Der Rückkopplungsfilter dämpft die hochfrequenten Komponenten des Signals in der Verzögerungsleitung 154. Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters in der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Hälfte der Tastfrequenz oder 22.050 Hz. Der Rückkopplungsfilter dämpft das Signal in der Verzögerungsleitung schließlich auf einen konstanten Wert oder Stille. Es sei erwähnt, dass der Rückkopplungsfilter 226 nicht beschränkt ist auf die Verwendung eines Filterkoeffizienten 0,5 oder auf eine bestimmte Filterart, wie sie in den bevorzugten Ausführungsformen verwendet wird. Zwar wird der Koeffizient des Tiefpassfilters üblicherweise konstant gehalten, er kann aber auch variiert werden, um eine Änderung des Klangs, gesteuert durch den Benutzer, zu erzeugen.
Die Länge L(n) der Verzögerungsleitung 154 ist ein Signal, dessen Frequenz und Amplitude durch die Steuer-Eingangswerte für die Grundfrequenz F der Schleife, die Differenzfrequenz Δf und den Modulationsindex A bestimmt werden. Die Grundfrequenz F ist ein vom Benutzer vorgegebenes Eingangssignal und kann durch das MIDI-Gerät 120 über eine MIDI-Tastatur 122 oder ein Stimmmischrad 124 gesteuert werden. Das erfindungsgemäße Synthetisiernetzwerk 150 erzeugt typischerweise seine interessantesten Effekte, wenn die Grundfrequenz F zwischen 10 Hz und 110 Hz, und vorzugsweise zwischen 10 Hz und 55 Hz liegt. Der Frequenzunterschied Δf ist von der Grundfrequenz abgesetzt. Die Frequenzdifferenz Δf liegt typischerweise im Bereich –10 Hz bis +10 Hz und liegt vorzugsweise zwischen –1 Hz und +1 Hz. Die Frequenzdifterenz ist typischerweise nicht gleich 0 oder bleibt nicht für lange Zeitperioden auf dem Wert Null.
In einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Modulationssignalgenerator 158 ein Sinussignal nach folgender mathematischer Beziehung:
Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht auf das sinusförmige Modulationssignal beschränkt.
Die Längenmodulation der Verzögerungsleitung 154 bewirkt einen Stimmungsverschiebungseffekt in dem in der Verzögerungsleitung gespeicherten Signal. Da die Länge der Verzögerungsleitung mit einer Frequenz in der Nähe der Rückkopplungsfrequenz moduliert wird, ist ein Teil des Signals zeitlich komprimiert (oder verkürzt), während der andere Teil gedehnt (oder verlängert) ist. Wenn dies eintritt, ändert sich die Form des gespeicherten Signals glatt oder allmählich, so dass der komprimierte Teil des Signals in der Stimmung aufwärts und der expandierte Teil in der Stimmung abwärts verschoben erscheint. Dies resultiert in einer gleichzeitigen Aufwärts- und Abwärtsverschiebung des Klangspektrums und in der Erzeugung interessanter Klänge.
Der Stimmungsverschiebungseffekt wird durch die Frequenzdifferenz Δf gesteuert. Die Frequenzdifferenz erzeugt eine langsame Änderung des Signals, um zu verhindern, dass der Klang statisch und langweilig wird. Der Unterschied zwischen der Grundfrequenz und der längenmodulierten Frequenz lässt die Bereiche des Verzögerungsleitungssignals sich durch die unterschiedlichen Aspekte der Modulation zeitlich langsam verschieben, wodurch sich der Klang, der mit dem Verzögerungsleitungssignal verbunden ist, über die Zeit entwickelt. Die Bereiche des Verzögerungsleitungssignals verschieben sich von Kompressions- zu Expansionsbereichen des Modulationseffekts vor und zurück. Die kontinuierliche Verschiebung der Bereiche des Verzögerungsleitungssignals, die komprimiert und expandiert werden, tragen dazu bei, eine extreme Kompression und eine extreme Expansion jeglichen Teils des Signals zu vermeiden, so dass der mit dem Verzögerungsleitungssignal verbundene Klang länger als sonst andauern kann. Würde z. B. das Signal zu stark komprimiert, so würde dieser Teil des Signals durch den Rückkopplungsfilter 226 schnell gedämpft.
5 zeigt in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein zweites Synthesenetzwerk 250 mit dem gleichen Verzögerungsleitungs-Längenmodulator 156 zur Modulation der Länge einer Verzögerungsleitung 154 wie in der ersten Ausführungsform. Das zweite Synthesenetzwerk 250 enthält aber einen Regenerationsfilter 252, einen Amplitudenbegrenzer 254 und einen Rückkopplungsfilter 226 in der Rückkopplungsschleife der Verzögerungsleitung. Zweck des Regenerationsfilters 252 ist es, eine Regeneration des Signals in der Verzögerungsleitung zu bewirken und die vom Synthesenetzwerk erzeugten Klangeffekte für längere Zeitperioden andauern zu lassen, als dies sonst der Fall wäre.
Der Regenerationsfilter 252 ist in der bevorzugten Ausführungsform ein variabler Ein-Pol-Filter, dessen Verstärkung so eingestellt ist, dass während eines Teils des Signalzyklus der Filter eine große Verstärkung bei etwa der halben Tastfrequenz aufweist. Hierdurch wird die Rückkopplung der Verzögerungsleitung momentan unstabil, wenn durch die Verzögerungsleitungs-Längenmodulation erzeugte hochfrequente Signale durch den Regenerationsfilter verarbeitet werden. Durch diese Instabilität wird dem Signal in der Verzögerungsleitung im hochfrequenten Teil des Spektrums bei Frequenzen in der Nähe der halben Audio-Tastfrequenz Energie zugeführt. Der oben beschriebene Stimmungsverschiebungseffekt der Verzögerungsleitungs-Längenmodulation führt dann dazu, dass die durch die Instabilität erzeugten hochfrequenten Signale in der Frequenz herabgedrückt werden, so dass der durch die Verzögerungsleitungs-Längenmodulation bewirkte Klangeffekt regeneriert wird. Der Regenerationsfilter erlaubt es, dass der Klang für eine ziemlich lange Zeit andauert, und eröffnet damit neue Dimensionen für den Effekt.
Der Regenerationsfilter 252 ist ein variabler Ein-Pol-Filter, dessen Polstelle durch das gleiche Signal moduliert wird, das die Verzögerungsleitung moduliert, mit dem Zusatz einer unterschiedlichen Amplitude A·g₂ und einer Verschiebung b_center wie folgt:
Die Polstelle ist vorzugsweise eine reale Zahl innerhalb des Bereichs [–1, +1] und b_center = 0,731.
Der Polwert wird erzeugt durch Verwendung eines Multiplizierers 256 zum Normalisieren des Modulationssignals X(n) mit einem Faktor g2 und eines Addierers 258, der das normalisierte Modulationssignal zum Verschiebungswert b_center hinzuaddiert. Um sicherzustellen, dass die Polstelle innerhalb des Bereichs [–1, +1] liegt, wird das Ausgangssignal des Addierers 256 durch den Amplitudenbegrenzer 259 begrenzt, wodurch Werte unter –1 auf einen festen Wert gleich –1 und Werte oberhalb 1 auf einen festen Wert gleich 1 berichtigt werden.
Die Differenzgleichung des Regenerationsfilters 252 lautet: V1(n) =(B + 1)V(n) – BV1(n – 1) worin B = –1·pole. Das Ausgangssignal V1(n) des Regenerationsfilters wird durch den Amplitudenbegrenzer 254 auf eine Amplitude von ± 1,0 abgeschnitten, der nach der folgenden mathematischen Beziehung arbeitet:
Der Rückkopplungsfilter 256 ist ein Zweipunkt-Mittelungstastfilter, dessen Arbeitsweise durch die folgende mathematische Beziehung bestimmt wird: V2(n) =(0,5 + μ) · V1'(n) + (0,5 -μ) · V1'(n – 1)
Die Koeffizienten des Rückkopplungsfilters werden so gewählt, dass die durch den Regenerationsfilter erzeugten hochfrequenten Signale erhalten werden. Der Wert μ, die Rückkopplungsfiltersteuerung 152F, kann ein vom Benutzer definiertes Eingangssignal sein, das zur Einstellung des Betrags der Regeneration dient. Bei einem Wert μ = 0 entsteht keine Regeneration, da der Rückkopplungsfilter bei der gleichen Frequenz voll dämpft, bei der der Regenerationsfilter 252 eine hohe Verstärkung hat. Bei Werten von μ gleich 0,5 > |μ| > 0 tritt ein gewisser Regenerationsbetrag ein.
Der Regenerationseffekt tritt ein, wenn die Rückkopplungsverstärkung bei einer bestimmten Frequenz größer als 1 ist. Bei der vorliegenden Erfindung geschieht dies bei einer Frequenz gleich der halben Tasttrequenz. Der Betrag der durch den Regenerationsfilter bewirkten Regeneration wird durch den Modulationsindex A und den Rückkopplungsfilter-Koeffizienten μ gesteuert. Der Modulationsindex A steuert die Verstärkung des Regenerationsfilters 252, während der Koeffizient μ des Rückkopplungsverstärkers die Verstärkung des Rückkopplungsfilters 226 steuert. Die Rückkopplungsverstärkung bei einer bestimmten Frequenz f ist das Produkt der Verstärkungen des Regenerationsfilters und des Rückkopplungsfilters bei der Frequenz f (d. h. loop_gain (f) = loop_filter_gain(f) × regeneration filter_gain(f)). Ist die Rückkopplungsverstärkung für einen bestimmten Frequenzbereich größer als Eins, wird die Rückkopplung bei diesen Frequenzen unstabil, so dass der Verzögerungsleitung bei diesen Frequenzen Energie oder Signale zugeführt werden. Ist die Rückkopplungsverstärkung für einen bestimmten Frequenzbereich kleiner als Eins, werden die Signale in diesem Frequenzbereich gedämpft.
Das Produkt des Modulationsindex A und des zweiten Normierkoeffizienten g2 steuert die Verstärkung des Regenerationsfilters sowie den Frequenzbereich, über den der Regenerationsfilter eine hohe Verstärkung hat. Genauer gesagt, das Produkt des Modulationsindex A und des zweiten Normierkoeffizienten g2 steuert den Wert B, den Koeffizienten der Differenzgleichung des Regenerationsfilters. Die Verstärkung des Filters bei der halben Tastfrequenz ist (B + 1)/(B – 1). Das Modulationssignal X(n) steuert die Phase von B während des Modulationszyklus, und der Modulationsindex bestimmt, wie nahe B an 1,0 herangeht. Nähert sich oder erreicht B den Wert von 1,0, ist die Verstärkung des Regenerationsfilters sehr groß. Ist die Verstärkung des Rückkopplungsfilters 226 bei der halben Tastfrequenz nicht gleich Null (d. h. μ nicht gleich 0), ist die Rückkopplungsverstärkung typischerweise größer als Eins. Ferner ist für große Werte des Modulationsindex die Verstärkung des Regenerationsfilters für einen größeren Teil des Zyklus größer als 1, wodurch der Betrag der Signalregeneration vergrößert wird.
Die Erfindung ist nicht auf einen Regenerationsfilter der oben beschriebenen Art beschränkt. Die Regeneration kann auch implementiert werden durch Ersatz des variablen Filters durch einen modulierbaren Filter oder ein modulierbares Subsystem, das für einen gewissen Frequenzbereich für einen Teil des Modulationszyklus eine Rückkopplungsverstärkung wesentlich größer als Eins aufweist. Vorzugsweise wird eine Rückkopplungsverstärkung größer als Eins für hohe Frequenzbereiche und nicht für den vollen Zyklus verwendet. Die Regenerati on lässt sich steuern durch Steuerung des Betrags, um den die Rückkopplungsverstärkung Eins überschreitet, und/oder durch Steuerung der Stellung der Rückkopplungsfilterpole.
Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf einen Zweipunkt-Mittelungs-Tastfilter 226 der oben beschriebenen Art. Je nach dem Betrag der bevorzugten Regeneration können andere Filter benutzt werden. Ohne Regeneration kann ein Tiefpassfilter verwendet werden, der Signale bei Frequenzen vollständig unterdrückt, bei denen der Regenerationsfilter seine höchste Verstärkung hat. Ist eine Regeneration erwünscht, wird ein Rückkopplungsfilter benötigt, der bei diesen Frequenzen die Signale nicht vollständig unterdrückt.
Zur Verbesserung ihrer Funktionalität lassen sich verschiedene Modifikationen der vorliegenden Erfindung ausführen. Z. B. können mehrere Kopien eines jeden der oben beschriebenen Klang-Synthesesysteme parallel betrieben werden. Die parallelen Synthesesysteme werden vorzugsweise mit identischen Steuereingaben betrieben, mit Ausnahme eines Parameters (oder einer kleinen Anzahl von Parametern), der leicht variiert werden kann, um variable Klänge und damit interessante Stereo- oder Mehrkanal-Effekte zu erzeugen.
Eine weitere Modifikation der beschriebenen Ausführungsformen ist eine automatisierte Version des Synthesesystems, bei der verschiedene Steuereingaben durch einen niederfrequenten Oszillator gesteuert werden, der die Werte der Kontrolleingaben in einer gewünschten Weise verändert. Vorzugsweise können die Steuereingaben mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1/50 Hz variiert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Pol-Position für den Regenerationsfilter durch ein zweites, von der Verzögerungsleitung unterschiedliches Modulationssignal moduliert werden, wobei das zweite Modulationssignal entweder einen vom anderen Modulationssignal unterschiedlichen Signalverlauf hat und/oder eine Wiederholungsfrequenz aufweist, die sich von den N/M-Mehrfachen der Grundfrequenz unterscheidet.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Regenerationsfilter durch einen nicht-linearen Filter ersetzt oder ergänzt, z. B. einen Filter, der ein Eingangssignal X mit einem nichtlinearen Ausdruck filtert, z. B. 1 + aX² oder 1 + a·cos(X) oder 1 + cos(aX), wobei "a" ein Steuerparameter ist, der durch den Modulationssignalgenerator 158 oder einen zweiten Modulationssignalgenerator erzeugt wird, der ein Signal erzeugt, dessen Verlauf eine Wiederholungsfrequenz hat, die um ein Verhältnis N/M kleiner Ganzzahliger zur Grundfrequenz in Beziehung steht. Solche nicht-linearen Filter modifizieren die Frequenz des gefiltert werdenden Signals.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar anhand einiger spezieller Ausführungsformen beschrieben, die Beschreibung soll aber die Erfindung erläutern und darf nicht als einschränkend verstanden werden. Die Erfindung wird nur durch die angefügten Ansprüche definiert.

Claims

Tonsignal-Erzeugungssystem mit einer Verzögerungsleitung variabler Länge für getastete Daten mit mehreren ganzzahligen Positionen, von denen Daten gelesen werden können, wobei die Verzögerungsleitung eine definierte nominale Länge und eine zugehörige Grundfrequenz aufweist, einem Interpolationsfilter zum Lesen von Daten von der Verzögerungsleitung an einer beliebigen spezifizierten nicht ganzzahligen Position, einer Erregungsquelle zum Einsetzen von Erregungsdaten in die Verzögerungsleitung, einem Längen-Modulationsnetzwerk zum Modulieren der Position, an der die Daten durch das Interpolationsfilter von der Verzögerungsleitung gelesen werden, wobei das Längen-Modulationsnetzwerk die Position bei einer Frequenz moduliert, die eine Funktion der Grundfrequenz ist und einem an das Interpolationsfilter angeschlossenes Rückkopplungsfilter zum Filtern der mittels des Interpolationsfilters von der Datenleitung gelesenen Daten und zum Schreiben der gefilterten Daten in die Verzögerungsleitung.
Tonsignal-Erzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei das Längen-Modulationsnetzwerk einen Modulationssignalgenerator zum Erzeugen eines periodischen Signals enthält, das die Position darstellt, an der mittels des Interpolationsfilters Daten von der Verzögerungsleitung gelesen werden, wobei die Frequenz des periodischen Signals (N/M)·F + Δf beträgt, wobei N und M ganze Zahlen sind, mit 1 ≤ N ≤ 6 und 1 ≤ M ≤ 6, F die Grundfrequenz und Δf eine Differenzfrequenz mit einem Wert zwischen –10 Hz und +10 Hz ist.
Tonsignal-Erzeugungssystem nach Anspruch 2, wobei das vom Modulationssignalgenerator erzeugte periodische Signal ein Sinus-Signal ist.
Tonsignal-Erzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei das Rückkopplungsfilter ein Regenerationsfilter umfasst, das in einem definierten Frequenzbereich wenigstens für einige Zeit unstabil ist, wobei das Regenerationsfilter dem gefilterten Signal Energie zuführt.
Tonsignal-Erzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei die in der Verzögerungsleitung gespeicherten Daten einen Signalverlauf darstellen, das Modulationsnetzwerk ein Filter-Modulationssignal erzeugt, das mit der modulierten Position synchronisiert ist und das Rückkopplungsfilter ein Regenerationsfilter umfasst, das in einem definierten Frequenzbereich unstabil ist, wobei das Regenerationsfilter einen Pol aufweist, dessen Position durch das Filter-Modulationssignal moduliert wird, so dass das Regenerationsfilter den Signalverlauf in der Verzögerungsleitung zeitvariabel filtert.
Verfahren zum Erzeugen von Audiosignalen mit folgenden Schritten: Speichern von Daten in einer Verzögerungsleitung variabler Länge für getastete Daten mit mehreren ganzzahligen Positionen, von denen Daten gelesen werden können, wobei die Verzögerungsleitung eine definierte nominale Länge und eine zugehörige Grundfrequenz aufweist, Lesen von Daten von der Verzögerungsleitung an einer beliebigen spezifizierten ungeradzahligen Position unter Verwendung eines Interpolationsfilters, Eingeben von Erregungsdaten in die Verzögerungsleitung, Modulieren der Position, an der Daten von der Verzögerungsleitung mittels des Interpolationsfilters ausgelesen werden, wobei die Modulation bei einer Frequenz erfolgt, die eine Funktion der Grundfrequenz ist, und Filtern der von der Verzögerungsleitung durch das Interpolationsfilter gelesenen Daten und Schreiben der gefilterten Daten in die Verzögerungsleitung.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Modulierschritt ein periodisches Signal umfasst, das die Position darstellt, an der Daten mittels des Interpolationsfilters von der Verzögerungsleitung ausgelesen werden, wobei die Frequenz des periodischen Signals (N/M)·F + Δf beträgt, wobei N und M ganze Zahlen sind mit 1 ≤ N ≤ 6 und 1 ≤ M ≤ 6, F die Grundfrequenz und Δf eine Differenzfrequenz mit einem Wert zwischen –10 Hz und +10 Hz ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das vom Modulationssignalgenerator erzeugte periodische Signal ein Sinus-Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Filterschritt das Filtern der von der Verzögerungsleitung gelesenen Daten mit einem Filter umfasst, das in einem definierten Frequenzbereich für wenigstens einige Zeit unstabil ist, so dass dem gefilterten Signal Energie zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die in der Verzögerungsleitung gespeicherten Daten einen Signalverlauf darstellen, der Modulationsschritt ein Filter-Modulationssignal erzeugt, das mit der modulierten Position synchronisiert ist, und der Filterschritt das Filtern der von der Verzögerungsleitung ausgelesenen Daten mit einem Pol umfasst, dessen Position durch das Filter-Modulationssignal moduliert wird.