JP3575074B2 - Digital musical signal processing method for electronic musical instruments - Google Patents

Description

とすると、除算回路の演算結果Ｎ（＝Ｘ／Ｐ）は、

となる。少数部（剰余分として＄６＝％０１１０） は切り捨てられる。さらに乗算回路５では、Ｎ＊Ｐ＝Ｘ′が実行され、

となる。すなわち、入力信号Ｘと出力信号Ｘ′との間には上記剰余分＄６＝％０１１０の誤差が生じている。入力されるディジタル波形信号は常時変動するものであるため、入力信号Ｘと出力信号Ｘ′との間の誤差も変動し、これによって波形に変化が生じる。
【００１１】
また、上記演算例では制御信号（除数）Ｐとして＄００１４を用いたが、制御信号Ｐとして１６ビット中の１ビットのみ“１”である値（たとえば＄００８０）を用いた場合には、“１”のたっているビットより下位ビットのＸの値を全て０にしてＸ′とする演算を行うことができる。すなわち、ビットシフトによる省略演算が可能になる。この場合、除算，乗算のうち、一方のみシフトしても両方シフトしてもどちらでもよい。これにより、波形歪みの度合いを大きく変化させることができる。また、このときに最下位の２ビット程度はそのまま保存しておき、中間のビットのみ非線形にすることもできる。さらに、上記演算では少数部分を切り捨て演算したが、切上げ演算や少数第一位のビットに応じて振り分ける（いわゆる四捨五入）ようにしてもよい。また、除算は逆数をとって乗算するという方式でもよい。信号を対数変換して乗除算を対数の加減算に置き換えて行い、最後に指数変換して出力を得るようにしてもよい。
【００１２】
このエフェクト回路は、固定少数点（整数）表現で除算を行うことにより入力信号と出力信号との間で下位ビットを非線形としたが、下位ビットを非線形とする方式はこれに限定されるものではない。たとえば、テーブルを用いて入力信号を変換し、下位ビットのみランダム化することも考えられる。また、入力信号の信号レベルが大きいときには荒くビットを変化させ、入力信号のレベルが小さいときには比較的細かくビットを変化させるようにしてもよい。なお、係数として制御信号Ｐを入力しているが、制御信号を別に入力せず、入力信号から制御信号を生成するようにしてもよい。たとえば、最も単純な方法としては入力信号を自乗して新たな値を生成する方式が考えられる。
【００１３】
さらに、制御信号Ｐは正の数に限定されるものではなく、ピッチベンドホイールなどのように正負の値を出力するコントローラなどから出力するようにしてもよい。この場合には、その絶対値をとって係数としてもよく、また、図１の回路であれば、制御信号Ｐが負数であっても、除算および乗算によって信号Ｘ′は正の数になるからである。いずれにしても、制御信号Ｐの値をリアルタイムに変動させることはコントローラ等によって容易にでき、さらに、エフェクト回路１は制御信号Ｐに応じてその演算内容を容易に変更できるため、このエフェクト回路１は効果のリアルタイム制御が極めて容易にできる。
【００１４】
このエフェクト回路１は、ハードウェアで構成しても、マイコン，ＤＳＰなどの処理装置およびソフトウェアで構成してもよい。
【００１５】
なお、制御信号Ｐを発生する操作子は、ホイール，スライダ，ペダル，ダイアル，ジョイスティック，マウスなどのほか、演奏者の身振り動作検出によるものなどどのようなものでもよい。また、操作によらなくても、任意の値、あるいは時変信号を制御信号Ｐとして発生してもよい。時変信号の発生は、電子楽器の技術では公知の振幅エンベロープ発生器の構成を適用することも可能である。なお、操作子の操作またはその操作対応信号の変化が急激で、そのままでは効果出力にクリックノイズが生じるおそれがある場合には、操作信号Ｐにフィルタ処理を施せばよい。
【００１６】
図１において、ディジタル楽音波形発生部２は、どのような方式で波形信号を発生するものでもよい。例としては、波形メモリの読出回路、ＦＭやＡＭなどの変調による音源回路、物理モデルによる音源回路などを適用することができる。その他、ＣＤ，ＤＡＴ，ＭＤなどのディジタルオーディオ再生装置の出力信号を入力するようにしてもよい。マイクロフォン入力をＡ／Ｄ変換した信号でもよい。
【００１７】
図２〜図４は上記実施例の変形例を示す図である。
【００１８】
図２では、ディザー発生部１０を設けるとともに、除算回路４と乗算回路５との間に加算器１１を挿入し、この加算器１１にディザー発生部１０が発生するディザー信号を入力している。加算器１１において、除算回路４が出力する中間値Ｎにディザーが付加される。これにより、入力信号Ｘのレベルが低いレベルのとき、この回路によって歪みを散らしノイズ成分が局所的に大きくなり過ぎないようにしている。
【００１９】
図３では、除算回路４と乗算回路５との間にフィルタ部１２を挿入している。フィルタ部１２は、たとえば、ローパスフィルタで構成することができ、この場合には、除算によって発生する折り返しノイズ成分等を除去して波形成分のみを取り出すことができる。また、フィルタ部１２としてはこれ以外にバンドパスフィルタ等を用いてもよい。このフィルタ部１２のカットオフ特性は、除算回路４，乗算回路５に入力される制御信号Ｐを用いてリアルタイムに制御するようにしてもよい。
【００２０】
図４の回路は、図１のエフェクト回路１と原音（ディジタル波形信号Ｘ）とをミキサ１５を用いて混合するようにした回路である。ミキサ１５は原音であるディジタル波形信号Ｘおよびエフェクト回路１で処理された信号Ｘ′を入力し、これらを混合して出力信号として出力する。これらの信号の混合比はＭＩＸＣｏｎｔｒｏｌ信号によって制御される。なお、このＭＩＸＣｏｎｔｒｏｌ信号として制御信号Ｐを用いてもよい。
【００２１】
図５は上記エフェクト回路をディレイ型音源に適用した例を示している。ディレイループは、加算器２２，エフェクト回路２３，フィルタ部２４およびディレイ部２５からなっている。加算器２２にはエネルギ信号（ＤＣ波形）が入力される。エネルギ信号は励振波形発生部２０が発生し、エフェクト回路２１を介して加算器２２に入力される。エフェクト回路２１は励振波形発生部２０が発生した波形信号の波形に変化を与え倍音成分を豊かにする。ディレイループはエフェクト回路２３およびフィルタ部２４で音色を制御し、ディレイ部２５で共振周波数（音高）を制御する。エフェクト回路２３は主として波形に歪みを与え、フィルタ部２４は主として倍音成分を制御する。出力信号はディレイループ中のどの点からでも取り出すことができる。なお、エフェクト回路２１，２３にはそれぞれ、制御信号としてＰ_１ ，Ｐ_２ が入力されている。
【００２２】
なお、この音源回路のパラメータを適当に設定することにより、いわゆる物理モデル音源を構成することができる。すなわち、フィルタ部２４およびディレイ部２５を自然楽器の共鳴部の伝達特性や共振特性を模倣するように設定し、励振波形発生部２０が出力するエネルギ信号を自然楽器を演奏する演奏操作のパワーに対応させることにより自然楽器の発音機構をシミュレートして楽音信号を形成することができる。基本的なディレイループ型音源は特公昭５８−４８１０９号公報に詳細に記載され、物理モデル音源（管楽器型）は特開平２−２９３８９８号公報に詳細に記載されている。
【００２３】
図６は前記エフェクト回路をＦＭ音源に適用した例を示している。このＦＭ音源は２オペレータのＦＭ音源である。第１のオペレータである変調波を発生する変調波発生回路３０は自己が発生した信号（変調波）をフィードバックして該自己の発生する信号を変調するいわゆる自己ＦＭ動作をしている。このフィードバック回路にエフェクト回路３１が挿入されている。また、この変調波はキャリア発生回路３３に供給されるが、変調波発生回路３０とキャリア発生回路３３との間にエフェクト回路３２が挿入されている。キャリア発生回路３３は、入力される変調波で変調しつつオペレータ（キャリア）を発生出力する。エフェクト回路３１，３２にはそれぞれ制御信号Ｐ_１ ，Ｐ_２ が入力されている。これにより、変調波発生回路３０に入力される自己ＦＭ信号およびキャリア発生回路３３に入力される変調信号とも複雑な波形となり、２オペレータであっても複雑な楽音波形信号を形成することができる。ＦＭ音源は特公昭５７−４３９２０号公報に詳細に記載され、フィードバックによる自己ＦＭ方式の音源は特公昭６１−２０８７５号公報に詳細に記載されている。
【００２４】
また、図１のエフェクト回路は上記音源回路以外に、残響装置などの効果装置にも適用することができる。この場合には、任意の信号経路に図１の回路を設ければよい。
【００２５】
なお、この発明の下位ビットのみ非線形な処理としては、固定小数点表現による除算と乗算を連続して行う処理などの、関数とその逆関数による連続演算を適用することができる。この発明の処理をＤＳＰやマイコンシステムで実行する場合、演算はＤＳＰやＣＰＵにとって極めて容易な処理であるため、非常に高速にこの処理を実行することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、入力したディジタル波形信号の下位ビットのみ非線形な演算を施すようにしたことにより、簡略な構成で信号の波形を大きく変化させることができる。また、リアルタイムに波形制御の態様を変化させることも簡略にできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例である効果回路のブロック図
【図２】同効果回路の変形例を示す図
【図３】同効果回路の変形例を示す図
【図４】同効果回路の変形例を示す図
【図５】同効果回路を用いた音源回路のブロック図
【図６】同効果回路を用いた音源回路のブロック図
【符号の説明】
１−エフェクト回路、２−ディジタル波形信号発生部、３−制御信号発生部
４−除算回路、５−乗算回路[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a digital waveform signal processing method for an electronic musical instrument, in which a digital waveform signal is distorted to change harmonic components.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as an effect circuit for distorting a waveform signal to change a harmonic component to change a tone color, for example, there is a distortion circuit. The distortion circuit uses an amplifier circuit with saturation characteristics, and increases the level of the input signal to about the maximum input level of the amplifier circuit and inputs it, thereby gently distorting the vicinity of the signal peak and increasing harmonic components. It changes the tone.
[0003]
In recent years, the digitization of the effect circuit has been progressing, and the digitized distortion has been put to practical use.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when trying to imitate an effect circuit using the characteristics of an analog circuit in a digital circuit, the processing becomes complicated, and the characteristics of the digital circuit cannot be used effectively.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a digital waveform signal processing method for an electronic musical instrument which can obtain a simple and high effect utilizing characteristics of a digital signal processing circuit.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a result obtained by inputting a digital waveform signal of a plurality of bits, dividing the input signal by a control signal in a fixed-point operation to discard fractions after the decimal point, and multiplying an intermediate value as an operation result by the control signal. Is output as an output signal.
The present invention is characterized in that a dither signal is added to the intermediate value.
The present invention is characterized in that the intermediate value is filtered.
[0007]
[Action]
According to the digital waveform signal processing method of the present invention, only the lower-order bits are subjected to non-linear processing with respect to the input multi-bit digital waveform signal. Nonlinear processing refers to processing in which a bit error occurs between an input signal and an output signal. By performing such processing, distortion can be given to details while maintaining the shape of the large frame of the waveform signal. As a specific non-linear process, the input signal is divided by a fixed-point expression using a certain coefficient P to discard fractions after the decimal point, and the value is multiplied again using the coefficient P to return a digit. As a result, there is a processing method in which an error corresponding to the truncation occurs in the lower bits. With such processing, the processing characteristics can be easily changed by changing the coefficient P, and it becomes extremely easy to change the characteristics in real time as compared with an analog effect circuit (for example, a distortion circuit).
[0008]
【Example】
FIG. 1 is a block diagram of an effect circuit according to an embodiment of the present invention. The effect circuit 1 includes a division circuit 4 and a multiplication circuit 5. The division circuit 4 and the multiplication circuit 5 are operation circuits of a fixed-point representation, and are connected in the order of the division circuit 4 → the multiplication circuit 5. The digital waveform signal X from the digital waveform signal generator 2 is input to the division circuit 4 and the multiplication circuit 5. The control signal P is input as a coefficient from the control signal generator 3 to the division circuit 4 and the multiplication circuit 5. The digital waveform signal X is an n-bit (for example, 16-bit) signal. The control signal P is an m-bit (m <n) digital signal.
[0009]
In the effect circuit 1, X is first input to the division circuit 4 as a dividend. The division circuit 4 divides X by P and outputs an intermediate value N. The number of bits of the intermediate value N is N bits (N <m + n). Since the division circuit 4 is a fixed-point circuit, the fractional part of the quotient below the significant digit is truncated, and only the numerical value within the range of the significant digit is treated as data. Further, the intermediate value N is input to the multiplication circuit 5. The multiplier of the multiplication circuit is the same control signal P as the divisor of the division circuit 4. The multiplied output of the multiplying circuit 5 is output from the effect circuit 1 as an output signal X '.
[0010]
Here, a calculation example is shown. In this operation example, the decimal point is fixed to the least significant digit, and an integer operation is performed. X and P are both 16 bits,

Then, the operation result N (= X / P) of the division circuit is

It becomes. The fractional part ($ 6 =% 0110 as a surplus) is truncated. Further, in the multiplication circuit 5, N * P = X 'is executed, and

It becomes. That is, an error of the excess ＄ 6 =% 0110 occurs between the input signal X and the output signal X ′. Since the input digital waveform signal constantly fluctuates, the error between the input signal X and the output signal X 'also fluctuates, thereby causing a change in the waveform.
[0011]
Further, in the above operation example, $ 0014 is used as the control signal (divisor) P. However, when a value in which only one of 16 bits is "1" (for example, $ 0080) is used as the control signal P, " An operation can be performed in which the value of X in the lower bits of the bit with 1 "is set to 0 and X 'is set. That is, an omitting operation by a bit shift can be performed. In this case, either one of division and multiplication may be shifted or both may be shifted. Thereby, the degree of the waveform distortion can be largely changed. At this time, the least significant two bits can be stored as they are, and only the intermediate bits can be made nonlinear. Further, in the above calculation, the fractional part is rounded down, but it may be rounded up or rounded off according to the bit of the first decimal place. In addition, the division may be performed by taking the reciprocal and multiplying. The signal may be logarithmically converted, multiplication / division may be replaced by logarithmic addition / subtraction, and finally exponential conversion may be performed to obtain an output.
[0012]
This effect circuit makes the lower bits non-linear between the input signal and the output signal by performing division in a fixed-point (integer) representation, but the method of making the lower bits non-linear is not limited to this. Absent. For example, it is conceivable to convert the input signal using a table and randomize only the lower bits. The bit may be changed roughly when the signal level of the input signal is high, and the bit may be changed relatively finely when the level of the input signal is low. Although the control signal P is input as a coefficient, the control signal may be generated from the input signal without separately inputting the control signal. For example, the simplest method is to generate a new value by squaring the input signal.
[0013]
Furthermore, the control signal P is not limited to a positive number, and may be output from a controller that outputs positive and negative values, such as a pitch bend wheel. In this case, the absolute value may be taken as a coefficient, and in the circuit of FIG. 1, even if the control signal P is a negative number, the signal X 'becomes positive by division and multiplication. It is. In any case, the value of the control signal P can be easily changed in real time by a controller or the like, and further, the effect circuit 1 can easily change the content of the operation according to the control signal P. Can make the real-time control of the effect extremely easy.
[0014]
The effect circuit 1 may be configured by hardware, or may be configured by a processing device such as a microcomputer and a DSP and software.
[0015]
The operator that generates the control signal P may be any element such as a wheel, a slider, a pedal, a dial, a joystick, a mouse, and the like that detects a gesture of a player. Further, an arbitrary value or a time-varying signal may be generated as the control signal P without depending on the operation. For generating the time-varying signal, a configuration of an amplitude envelope generator known in the art of electronic musical instruments can be applied. In the case where the operation of the operation element or the change of the operation corresponding signal is abrupt and there is a possibility that a click noise may be generated in the effect output as it is, the operation signal P may be filtered.
[0016]
In FIG. 1, the digital musical tone waveform generator 2 may generate a waveform signal by any method. For example, a readout circuit of a waveform memory, a sound source circuit based on modulation of FM or AM, a sound source circuit based on a physical model, and the like can be applied. Alternatively, an output signal of a digital audio reproducing device such as a CD, DAT, or MD may be input. A signal obtained by A / D conversion of the microphone input may be used.
[0017]
2 to 4 are views showing modified examples of the above embodiment.
[0018]
In FIG. 2, a dither generator 10 is provided, an adder 11 is inserted between the division circuit 4 and the multiplication circuit 5, and a dither signal generated by the dither generator 10 is input to the adder 11. In the adder 11, dither is added to the intermediate value N output from the division circuit 4. Thus, when the level of the input signal X is low, the circuit disperses the distortion so that the noise component does not become too large locally.
[0019]
In FIG. 3, a filter unit 12 is inserted between the division circuit 4 and the multiplication circuit 5. The filter unit 12 can be composed of, for example, a low-pass filter. In this case, it is possible to remove aliasing noise components and the like generated by division and extract only waveform components. In addition, a band-pass filter or the like may be used as the filter unit 12. The cutoff characteristic of the filter unit 12 may be controlled in real time using the control signal P input to the division circuit 4 and the multiplication circuit 5.
[0020]
The circuit of FIG. 4 is a circuit in which the effect circuit 1 of FIG. 1 and the original sound (digital waveform signal X) are mixed using the mixer 15. The mixer 15 inputs the digital waveform signal X which is the original sound and the signal X 'processed by the effect circuit 1, mixes these, and outputs as an output signal. The mixing ratio of these signals is controlled by the MIXControl signal. Note that the control signal P may be used as the MIXControl signal.
[0021]
FIG. 5 shows an example in which the above effect circuit is applied to a delay type sound source. The delay loop includes an adder 22, an effect circuit 23, a filter unit 24, and a delay unit 25. The energy signal (DC waveform) is input to the adder 22. The energy signal is generated by the excitation waveform generator 20 and input to the adder 22 via the effect circuit 21. The effect circuit 21 changes the waveform of the waveform signal generated by the excitation waveform generator 20 to enrich the overtone component. In the delay loop, the tone circuit is controlled by the effect circuit 23 and the filter unit 24, and the resonance frequency (pitch) is controlled by the delay unit 25. The effect circuit 23 mainly applies distortion to the waveform, and the filter section 24 mainly controls harmonic components. The output signal can be taken from any point in the delay loop. Note that P ₁ and P ₂ are input to the effect circuits 21 and 23 as control signals, respectively.
[0022]
A so-called physical model sound source can be configured by appropriately setting the parameters of the sound source circuit. That is, the filter unit 24 and the delay unit 25 are set so as to imitate the transfer characteristics and resonance characteristics of the resonance unit of the natural musical instrument, and the energy signal output from the excitation waveform generating unit 20 is used as the power of the performance operation for playing the natural musical instrument. By making it correspond, a tone signal can be formed by simulating the sounding mechanism of a natural musical instrument. A basic delay loop type sound source is described in detail in JP-B-58-48109, and a physical model sound source (wind instrument type) is described in detail in JP-A-2-293898.
[0023]
FIG. 6 shows an example in which the effect circuit is applied to an FM sound source. This FM sound source is an FM sound source of two operators. The modulation wave generation circuit 30 that generates a modulation wave, which is a first operator, performs a so-called self-FM operation in which a signal (modulation wave) generated by itself is fed back to modulate the signal generated by itself. An effect circuit 31 is inserted in this feedback circuit. The modulated wave is supplied to the carrier generating circuit 33, and an effect circuit 32 is inserted between the modulated wave generating circuit 30 and the carrier generating circuit 33. The carrier generation circuit 33 generates and outputs an operator (carrier) while modulating with an input modulated wave. Control signals P ₁ and P ₂ are input to the effect circuits 31 and 32, respectively. As a result, both the self-FM signal input to the modulation wave generation circuit 30 and the modulation signal input to the carrier generation circuit 33 have complicated waveforms, and even a two-operator can form a complicated tone waveform signal. The FM sound source is described in detail in JP-B-57-43920, and the sound source of the self-FM system by feedback is described in detail in JP-B-61-20875.
[0024]
Further, the effect circuit of FIG. 1 can be applied to an effect device such as a reverberation device in addition to the above sound source circuit. In this case, the circuit of FIG. 1 may be provided in an arbitrary signal path.
[0025]
In addition, as the non-linear processing of only the lower bits of the present invention, a continuous operation using a function and its inverse function, such as processing for continuously performing division and multiplication in fixed-point representation, can be applied. When the processing of the present invention is executed by a DSP or a microcomputer system, the processing is extremely easy for the DSP or the CPU, so that the processing can be executed at a very high speed.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the non-linear operation is performed only on the lower bits of the input digital waveform signal, so that the signal waveform can be largely changed with a simple configuration. Further, it is possible to easily change the mode of the waveform control in real time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an effect circuit according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a modification of the effect circuit. FIG. 3 is a diagram showing a modification of the effect circuit. FIG. 5 is a block diagram of a sound source circuit using the same effect circuit. FIG. 6 is a block diagram of a sound source circuit using the same effect circuit.
1-effect circuit, 2-digital waveform signal generator, 3-control signal generator 4-division circuit, 5-multiplier circuit

Claims (3)

A digital waveform signal of a plurality of bits is inputted, the input signal is divided by a control signal in a fixed-point operation to round down the decimal point, and a result obtained by multiplying an intermediate value which is the operation result by the control signal is output as an output signal. A digital waveform signal processing method for an electronic musical instrument, characterized by outputting. The digital waveform signal processing method according to claim 1 , wherein a dither signal is added to the intermediate value. 2. The digital waveform signal processing method according to claim 1 , wherein the intermediate value is filtered.

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