EP1482482A1 - Frequency expansion for Synthesiser - Google Patents

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EP1482482A1
EP1482482A1 EP04101464A EP04101464A EP1482482A1 EP 1482482 A1 EP1482482 A1 EP 1482482A1 EP 04101464 A EP04101464 A EP 04101464A EP 04101464 A EP04101464 A EP 04101464A EP 1482482 A1 EP1482482 A1 EP 1482482A1
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synthesizer
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Siemens AG
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Abstract

A signal is filtered with a high-pass filter (2). Subsequently, the performance in the signal is assessed with the help of a performance-assessment device (3). Mixing in a high-frequency signal (S) creates absent high frequency portions in a synthesizer output signal caused by a low scanning rate. An independent claim is also included for a mobile radiotelephone terminal/telephone.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen synthetischer Tonsignale mit einem Synthesizer.The present invention relates to a method for producing synthetic sound signals with a synthesizer.

Derartige Verfahren finden unter Anderem in mobilen Endgeräten, wie beispielsweise Mobilfunk-Endgeräten der dritten Generation, zur Erzeugung von Klingeltönen Anwendung.Such methods are found, among other things, in mobile devices, such as third generation mobile terminals, to generate ringtones application.

Bei der Erzeugung von synthetischen Tonsignalen mit Hilfe eines in Software realisierten Musik-Synthesizers, ist der benötigte Rechenaufwand in etwa proportional zur Abtastrate des Ausgangssignals. Dabei kann auf Grund der Nyquist Bedingung das Ausgangssignal nur Frequenzen bis zur halben Abtastrate enthalten. Wird jedoch die Abtastrate zur Verringerung der benötigten Rechenleistung herabgesetzt, so werden hochfrequente Signalanteile nicht mehr wiedergegeben. Das Signal klingt in diesem Fall unnatürlich und dumpf.When generating synthetic sound signals using a music synthesizers realized in software is the required Computational effort approximately proportional to the sampling rate of the Output signal. This may be due to the Nyquist condition the output signal only frequencies up to half the sampling rate contain. However, the sampling rate will reduce the required computing power is reduced, so high-frequency Signal components no longer reproduced. The signal sounds unnatural and dull in this case.

Wird ein solcher Synthesizer beispielsweise für die Erzeugung von Klingeltönen in Mobiltelefonen eingesetzt, so bewirkt eine Herabsetzung der Abtastfrequenz zusätzlich eine Verringerung der empfundenen Lautheit der Klingelmelodie und somit eine Verringerung der Signalwirkung.Such a synthesizer is used, for example, for production of ringtones used in cell phones, so causes Reduction of the sampling frequency additionally a reduction the perceived loudness of the ringing melody and thus a reduction in the signal effect.

Da für die Realisierung von Synthesizern im Konsumbereich (z.B. Mobiltelefone, elektronische Spiele) sehr preiswerte Prozessoren eingesetzt werden um Kosten zu sparen, ist die verfügbare Rechenleistung stets sehr knapp. Für hochwertige Synthesizer werden teure Prozessoren mit sehr hoher Rechenleistung verwendet. Derartige Prozessoren sind jedoch für Mobiltelefone und elektronische Spiele zu teuer, zu groß und benötigen zu viel Strom.As for the realization of synthesizers in the consumer area (e.g. mobile phones, electronic games) very inexpensive Processors are used to save costs available computing power is always very scarce. For high quality Synthesizers become expensive processors with very high computing power used. However, such processors are for mobile phones and electronic games too expensive, too big and need too much electricity.

In Mobiltelefonen werden z. B. spezielle integrierte Schaltkreise (ICs) verwendet (z.B. MA-2 der Firma Yamaha), die bei relativ hoher Abtastrate möglichst wenig Strom und Chipfläche benötigen. Derartige ICs sind teuer und benötigen zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte. Zudem entstehen Fertigungsund Testkosten.In mobile phones, for. B. special integrated circuits (ICs) used (e.g. MA-2 from Yamaha), which at relatively high sampling rate, as little power and chip area as possible need. Such ICs are expensive and require additional ones Space on the circuit board. In addition, manufacturing and Test costs.

Bei manchen Mobiltelefonen wird die Anzahl der gleichzeitig spielbaren Töne herabgesetzt, um hierdurch die benötigte Rechenleistung herabzusetzen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Wiedergabe komplexer Melodien nicht möglich ist, da nicht alle gleichzeitig zu spielenden Töne wiedergegeben werden können.With some cell phones, the number of at the same time playable tones reduced, thereby reducing the computing power required decrease. However, this has the disadvantage that the playback of complex melodies is not possible because not all sounds to be played at the same time can.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen synthetischer Tonsignale mit einem Synthesizer bereitzustellen, durch welches die benötigte Rechenleistung so gering wie möglich gehalten wird, wobei der Klang des Synthesizers so wenig wie möglich beeinträchtigt werden soll.The present invention is therefore based on the object a method for generating synthetic sound signals with a To provide synthesizers through which the required computing power is kept as low as possible, with the Sound of the synthesizer affected as little as possible shall be.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.This task is accomplished through the process with the characteristics of Claim 1 solved. Advantageous further developments of Invention result from the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen synthetischer Tonsignale mit einem Synthesizer wird ein Synthesizerausgangssignal mit einer geringen Abtastrate des Synthesizers generiert. Durch die geringe Abtastrate bedingte, fehlende hohe Frequenzanteile des Synthesizerausgangssignals werden durch Hinzumischen eines hochfrequenten Signals erzeugt. Bevorzugt beträgt die geringe Abtastrate 16kHz.In the inventive method for producing synthetic Sound signals with a synthesizer becomes a synthesizer output signal with a low sampling rate of the synthesizer generated. Missing due to the low sampling rate high frequency components of the synthesizer output signal generated by mixing in a high-frequency signal. Prefers the low sampling rate is 16kHz.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird das hochfrequente Signal in der Amplitude moduliert. Bevorzugt erfolgt die Amplitudenmodulation mit einer geringen Abtastrate F1, insbesondere mit 16kHz. In a further development of the invention, the high frequency Signal modulated in amplitude. The amplitude modulation is preferably carried out with a low sampling rate F1, in particular with 16kHz.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden das amplitudenmodulierte Signal und das Synthesizerausgangssignal auf eine höhere Abtastrate F2, insbesondere auf 32kHz, umgesetzt.In a preferred embodiment, the are amplitude modulated Signal and the synthesizer output signal to one higher sampling rate F2, in particular to 32 kHz, implemented.

Weiter bevorzugt wird eine gemeinsame Abtastratenumsetzung für die Umsetzungen auf die höhere Abtastrate F2 verwendet. Dabei wird gleichzeitig das Synthesizerausgangssignal auf Frequenzen von 0Hz bis zur Nyquist-Frequenz der geringen Abtastrate F1 umgesetzt, und das amplitudenmodulierte Signal wird auf Frequenzen von der Nyquist-Frequenz der geringen Abtastrate F1 bis zur Nyquist-Frequenz der höheren Abtastrate F2 umgesetzt. Die gemeinsame Abtastratenumsetzung benötigt deutlich weniger Rechenleistung als eine getrennte Umsetzung. Zudem können die Filterkoeffizienten der benötigten Anti-Image Filter aus den gleichen abgespeicherten Koeffizienten abgeleitet werden. Dies spart zusätzlichen Speicherbedarf.A common sampling rate conversion is further preferred used for the conversions to the higher sampling rate F2. The synthesizer output signal is simultaneously on Frequencies from 0Hz to the Nyquist frequency of the low sampling rate F1 implemented, and the amplitude modulated signal is based on frequencies of the Nyquist frequency of the low sampling rate F1 up to the Nyquist frequency of the higher sampling rate F2 implemented. The common sample rate conversion is required significantly less computing power than a separate implementation. In addition, the filter coefficient of the required anti-image Filters from the same stored coefficients be derived. This saves additional memory requirements.

Bevorzugt wird ferner das hochfrequente Signal als Rauschen realisiert und mit einer geringen Abtastrate berechnet. Der Berechnung erfolgt bevorzugt mit 16kHz. Das Rauschssignal kann mit einem Rauschgenerator generiert werden. Alternativ kann das hochfrequente Signal auch als einzelner Ton, insbesondere als Sinusschwingung, realisiert werden. Auch die Berechnung der benötigten Amplitude des Rauschsignals kann mit 16kHz erfolgen.The high-frequency signal is also preferred as noise realized and calculated with a low sampling rate. The Calculation is preferably carried out at 16 kHz. The noise signal can be generated with a noise generator. alternative the high-frequency signal can also be used as a single tone, in particular as a sine wave. Even the calculation the required amplitude of the noise signal can be with 16kHz.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Leistung der in dem Synthesizerausgangssignal vorhandenen hochfrequenten Anteile gemessen. Bevorzugt erfolgt die Messung im Bereich zwischen 4kHz und 8kHz. Diese Leistung kann für die Berechnung der Lautstärke des hochfrequenten Signals verwendet werden.In a development of the invention, the performance of the in the high-frequency components present in the synthesizer output signal measured. The measurement is preferably carried out in the range between 4kHz and 8kHz. This performance can be used for the calculation the volume of the high-frequency signal can be used.

Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein mobiles Endgerät, welches geeignet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zu verwenden. Bei dem mobilen Endgerät kann es sich beispielsweise um ein Mobilfunkendgerät, einen Personal Digital Assistant (PDA), einem elektronischen Spielgerät oder Ähnlichem handeln.The present invention further relates to a mobile Terminal which is suitable, a method according to the invention to use. With the mobile terminal, for example a mobile terminal, a personal digital Assistant (PDA), an electronic game device or the like act.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zum Nutzen, dass das menschliche Gehör nur schlecht zwischen hochfrequenten Klängen und hochfrequentem Rauschen unterscheiden kann.The invention makes use of the knowledge that the human hearing poor between high frequency sounds and high-frequency noise.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Klangqualität eines Synthesizers, insbesondere eines Musik-Synthesizers, mit niedriger Abtastfrequenz erhöht. Wird das Signal des Synthesizers beispielsweise als Klingelmelodie eines Mobilfunkgerätes verwendet, ist die Signalwirkung deutlich erhöht. Das Signal ist auch in lauter Umgebung oder bei Abdecken des Lautsprechers (z.B. Mobilfunkgerät in einer Tasche) gut wahrnehmbar.The sound quality is achieved by the method according to the invention a synthesizer, especially a music synthesizer, increased with low sampling frequency. The signal from the synthesizer for example as a ringer melody of a mobile device used, the signal effect is significantly increased. The Signal is also in a noisy environment or when covering the Loudspeaker (e.g. mobile device in a pocket) clearly perceptible.

Die benötigte Rechenleistung wird dabei nur geringfügig erhöht, ohne dass die Zahl der gleichzeitig wiedergebbaren Töne reduziert werden muss. Die für die Erweiterung des Frequenzbereichs benötigte Rechenleistung ist unabhängig von der Zahl der gleichzeitig wiedergebbaren Töne. Damit ist das Verfahren besonders vorteilhaft, wenn viele Töne gleichzeitig wiedergebbar sein sollen. Dies ist eine wichtige Marktanforderung für moderne Mobilfunkgeräte.The required computing power is only increased slightly, without the number of tones that can be played back simultaneously must be reduced. The one for expanding the frequency range Computing power required is independent of the number of the simultaneously reproducible tones. So that's the procedure Particularly advantageous if many tones can be played back simultaneously should be. This is an important market requirement for modern mobile devices.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die dort dargestellten Merkmale und auch die bereits oben beschriebenen Merkmale können nicht nur in der genannten Kombination, sondern auch einzeln oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:

Figur 1:
ein Ausführungsbeispiel eines Synthesizer-Gesamtsystems;
Figur 2:
einen rekursiven Filter zum Einsatz in dem Gesamtsystem;
Figur 3:
einen Rauschgenerator zum Einsatz in dem Gesamtsystem; und
Figur 4:
einen kombinierten Abtastratenumsetzer zum Einsatz in dem Gesamtsystem.
The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings using an exemplary embodiment. The features shown there and also the features already described above can be essential to the invention not only in the combination mentioned, but also individually or in other combinations. Show it:
Figure 1:
an embodiment of an overall synthesizer system;
Figure 2:
a recursive filter for use in the overall system;
Figure 3:
a noise generator for use in the overall system; and
Figure 4:
a combined sample rate converter for use in the overall system.

Figur 1 zeigt einen Synthesizer 1, welcher ein Synthesizerausgangssignal A generiert. Das Signal wird mit einem Hochpassfilter 2 gefiltert. Anschließend erfolgt eine Schätzung der Leistung des Signals mit Hilfe eines Leistungsschätzungsmittels 3.FIG. 1 shows a synthesizer 1 which has a synthesizer output signal A generated. The signal is using a high pass filter 2 filtered. An estimate is then made the power of the signal using a power estimator Third

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des Leistungsschätzungsmittels. Die Schätzung erfolgt mit Hilfe eines rekursiven Filters durch Gleichrichtung des Eingangssignals und Filterung. Dabei wird vom Eingangssignal das Ausgangssignal der vorangegangenen Berechnung subtrahiert, wie dies durch den Block z-1 dargestellt ist. Ist der berechnete Wert positiv (x>0), so wird zur Filterung des Signals die Konstante c1 verwendet. Ist die Bedingung x>0 nicht erfüllt, so wird die Konstante c2 verwendet. Durch Umschaltung der Konstanten wird erreicht, dass das Filter auf steigende Eingangsleistungen schneller reagiert als auf fallende.Figure 2 shows an embodiment of the power estimation means. The estimate is made using a recursive filter by rectifying the input signal and filtering. The output signal of the previous calculation is subtracted from the input signal, as represented by block z -1 . If the calculated value is positive (x> 0), the constant c1 is used to filter the signal. If the condition x> 0 is not fulfilled, the constant c2 is used. Switching the constants ensures that the filter reacts faster to increasing input powers than to falling ones.

Figur 1 zeigt ferner, wie das Ausgangssignal des Leistungsschätzungsmittels 3 mit dem Ausgangssignal eines Rauschgenerators 4 amplitudenmoduliert, d.h. multipliziert, wird.Figure 1 also shows how the output signal of the power estimation means 3 with the output signal of a noise generator 4 amplitude modulated, i.e. multiplied.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform des Rauschgenerators 4 als Pseudo-Rauschgenerator. Das Ausgangssignal der vorangegangenen Berechnung (durch den Block z-1 dargestellt) wird dabei mit einem Wert a multipliziert und anschließend mit einem Wert b addiert.FIG. 3 shows an embodiment of the noise generator 4 as a pseudo noise generator. The output signal of the previous calculation (represented by block z -1 ) is multiplied by a value a and then added by a value b.

Figur 1 zeigt, wie anschließend die Abtastrate der Signale A des Synthesizers 1 und des Rauschgenerators 4 (nach der Amplitudenmodulation) um den Faktor 2 erhöht werden. Dies erfolgt in einem Abtastratenumsetzer 5. FIG. 1 shows how the sampling rate of the signals A of the synthesizer 1 and the noise generator 4 (after the amplitude modulation) can be increased by a factor of 2. this happens in a sampling rate converter 5.

Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Abtastratenumsetzers zur kombinierten Abtastratenumsetzung im Detail. Das Signal des Synthesizers 10 und des Rausch-Generators 11 werden hierzu zum einen addiert einem FIR (Finite Input Response)-Filter zugeführt, zum zweiten subtrahiert (Synthesizer-Signal - Rausch-Signal) einem zweiten FIR-Filter zugeführt. Beide FIR-Filter werden mit den selben Filterkoeffizienten (a0, a1) realisiert, jedoch werden die mittleren Koeffizienten (a2, a3) für das zweite FIR-Filter getauscht. Die beiden Ausgangssignale der beiden FIR-Filter werden im Wechsel als Ausgangssignal verwendet, wodurch sich eine Abtastratenerhöhung um den Faktor zwei ergibt.FIG. 4 shows an embodiment of the sampling rate converter for the combined sampling rate conversion in detail. The signals of the synthesizer 10 and of the noise generator 11 are added to a FIR (Finite Input Response) filter, and subtracted (synthesizer signal - noise signal) to a second FIR filter. Both FIR filters are realized with the same filter coefficients (a 0 , a 1 ), but the middle coefficients (a 2 , a 3 ) are exchanged for the second FIR filter. The two output signals of the two FIR filters are used alternately as the output signal, which results in a sampling rate increase by a factor of two.

Das Synthesizer-Signal wird dabei ohne Vorzeichenwechsel in beide FIR-Filter eingespeist. Diese FIR-Filter bilden zusammen ein Polyphasen-Filter zur Abtastratenumsetzung um den Faktor 2. Das Rausch-Signal wird dem oberen FIR-Filter mit unverändertem Vorzeichen, dem unteren FIR-Filter mit invertiertem Vorzeichen eingespeist. Da die Ausgangssignale der beiden FIR-Filter im Wechsel verwendet werden ergibt sich hierdurch eine Modulation des Rauschsignals mit der Nyquist-Frequenz der Ausgangs-Abtastrate. Hierdurch wird das Rauschsignal in den oberen Frequenzbereich gespiegelt.The synthesizer signal is in without changing the sign both FIR filters fed. These FIR filters form together a polyphase filter for sample rate conversion around the Factor 2. The noise signal is the top FIR filter with unchanged sign, the lower FIR filter with inverted Sign fed in. Since the output signals of the two FIR filters are used alternately thereby modulating the noise signal with the Nyquist frequency the output sampling rate. This will make the noise signal mirrored in the upper frequency range.

Claims (13)

Verfahren zum Erzeugen synthetischer Tonsignale mit einem Synthesizer durch Generieren eines Synthesizerausgangssignals (A) mit einer geringen Abtastrate des Synthesizers (1), wobei, durch die geringe Abtastrate bedingte, fehlende hohe Frequenzanteile des Synthesizerausgangssignals durch Hinzumischen eines hochfrequenten Signals (S) erzeugt werden.Method for generating synthetic sound signals with a Synthesizer by generating a synthesizer output signal (A) with a low sampling rate of the synthesizer (1), whereby, due to the low sampling rate, missing high frequency components of the synthesizer output signal generated by mixing in a high-frequency signal (S) become. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die geringe Abtastrate 16kHz beträgt.The method of claim 1, wherein the low sampling rate Is 16 kHz. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das hochfrequente Signal (S) in der Amplitude moduliert wird.Method according to one of the preceding claims, in which the high-frequency signal (S) modulates in amplitude becomes. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Amplitudenmodulation mit einer geringen Abtastrate F1, insbesondere 16kHz, erfolgt.The method of claim 3, wherein the amplitude modulation with a low sampling rate F1, in particular 16 kHz, he follows. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem das amplitudenmodulierte Signal (S) und das Synthesizerausgangssignal (A) auf eine höhere Abtastrate F2, insbesondere 32kHz, umgesetzt werden.Method according to one of claims 3 or 4, wherein the amplitude modulated signal (S) and the synthesizer output signal (A) to a higher sampling rate F2, in particular 32kHz. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem eine gemeinsame Abtastratenumsetzung (5) für die Umsetzungen auf die höhere Abtastrate F2 verwendet wird, wobei gleichzeitig das Synthesizerausgangssignal (A) auf Frequenzen von OHz bis zur Nyquist-Frequenz der geringen Abtastrate F1 umgesetzt wird, und das amplitudenmodulierte Signal (S) auf Frequenzen von der Nyquist-Frequenz der geringen Abtastrate F1 bis zur Nyquist-Frequenz der höheren Abtastrate F2 umgesetzt wird. A method according to claim 5, wherein a common sample rate conversion (5) for the implementations on the higher Sampling rate F2 is used, at the same time the synthesizer output signal (A) on frequencies from OHz to Nyquist frequency of the low sampling rate F1 implemented and the amplitude-modulated signal (S) on frequencies from the Nyquist frequency of the low sampling rate F1 implemented up to the Nyquist frequency of the higher sampling rate F2 becomes. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das hochfrequente Signal (S) als Rauschen realisiert wird.Method according to one of the preceding claims, in which realizes the high-frequency signal (S) as noise becomes. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das hochfrequente Signal (S) mit einer geringen Abtastrate, insbesondere 16kHz, berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, in the high-frequency signal (S) with a low sampling rate, in particular 16 kHz, is calculated. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das hochfrequente Signal (S) als Tongemisch oder als einzelner Ton, insbesondere als Sinusschwingung, realisiert wird.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the high-frequency signal (S) as a sound mix or as a single Sound, especially as a sine wave, is realized. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leistung der in dem Synthesizerausgangssignal (A) vorhandenen hochfrequenten Anteile gemessen wird.Method according to one of the preceding claims, in which the power of the in the synthesizer output signal (A) existing high-frequency components is measured. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Leistung der in dem Synthesizerausgangssignal (A) vorhandenen hochfrequenten Anteile im Bereich zwischen 4kHz und 8kHz gemessen wird.The method of claim 10, wherein the performance of the in the high-frequency synthesizer output signal (A) Shares measured in the range between 4 kHz and 8 kHz becomes. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem die Leistung der in dem Synthesizerausgangssignal (A) vorhandenen hochfrequenten Anteile für die Berechnung der Lautstärke des hochfrequenten Signals (S) verwendet wird.Method according to one of claims 10 or 11, in which the power of those present in the synthesizer output signal (A) high frequency components for the calculation of the Volume of the high-frequency signal (S) is used. Mobiles Endgerät, insbesondere Mobilfunkendgerät, welches geeignet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu verwenden.A mobile terminal, in particular a mobile terminal, which is suitable, a method according to any one of the preceding To use claims.
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