DE10009082A1

DE10009082A1 - Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform

Info

Publication number: DE10009082A1
Application number: DE10009082A
Authority: DE
Inventors: Tadao Kikumoto; Atsushi Hoshiai; Satoshi Kusakabe
Original assignee: Roland Corp
Current assignee: Roland Corp
Priority date: 1999-09-08
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-03-15
Also published as: US6201175B1; JP2001084000A

Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform anzugeben, welches eine auf der Zeitachse komprimierte oder expandierte Wellenform erzeugen kann, die beispielsweise einen Musikton von hoher Tonqualität darstellt. Ein Analogsignal A wird von einem A/D-Wandler 60 digitalisiert und somit eine Ursprungswellenform x(n) erzeugt. Ein DSP 20 speichert die Phaseninformationen und Amplitudeninformationen für jede Wellenformkomponente in einem RAM-Speicher 70. Eine Operation wird wiederholt durchgeführt, die darin besteht, daß die Amplitudeninformationen einer ganzzahligen Anzahl (größer oder gleich 1) von Periodenabschnitten des periodischen Verlaufs der von den gespeicherten Amplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert und angehängt bzw. ausgelassen werden, wodurch die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude für einen Zeitraum geregelt wird, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, wobei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird. Außerdem wird eine Operation wiederholt durchgeführt, die darin besteht, daß Frequenzinformationen, in die die Phaseninformationen umgewandelt wurden, redupliziert und angehängt bzw. ausgelassen werden, und somit die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenz geregelt wird. Aus den so geregelten Amplitudeninformationen und Frequenzinformationen wird Wellenform für jedes Frequenzband reproduziert und synthetisiert, und ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform, die auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert ist.

Aus dem Stand der Technik sind Geräte zur Wiedergabe einer Wellenform, z. B. eines Musiktones, die auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert ist, bekannt. Für ein solches Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform sind verschiedene Techniken vorgeschlagen worden. Im folgenden wird zunächst ein Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform basierend auf der Technik des CrossFading erläutert.

Fig. 12 veranschaulicht die Technik des CrossFading, mit der die Wellenform eines Musiktons auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert wird.

Das Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform mit der CrossFading- Technik speichert Wellenformdaten, die die Wellenform eines Musiktons ausdrücken, ein einem RAMSpeicher (der in der Zeichnung nicht dargestellt ist). Wenn die im RAMSpeicher gespeicherten Wellenformdaten ausgelesen werden, wird, wie in Fig. 12(a) dargestellt, die Wellenform komprimiert, indem bestimmte Segmente (im folgenden "Ausschnittssegmente" genannt) der Wellenformdaten übersprungen werden, oder, wie in Fig. 12(b) dargestellt, die Wellenform wird expandiert, indem bestimmte Segmente (im folgenden "Wiederholungssegmente" genannt) der Wellenformdaten mehrfach ausgelesen werden. Auf diese Art und Weise kann eine Änderung des Pitches der komprimierten bzw. expandierten Wellenform vermieden werden, so daß die Tonhöhe des Musiktons beibehalten werden kann. Um das Rauschen, das in der Nähe von Unstetigkeitspunkten, wie z. B. an der Nahtstelle zwischen einem Segment und dessen benachbarten Segment auftritt, zu unterdrücken, wird mit der CrossFadingTechnik in der Nähe solcher Unstetigkeitspunkte ein CrossFadingProzess durchgeführt.

Mit "CrossFadingProzess" ist hier ein Prozess gemeint, mit dem die Amplitude einer bis jetzt ausgelesenen Wellenform ("vorausgehende Wellenform") nach und nach vermindert wird, während die Amplitude einer Wellenform ("nachfolgende Wellenform"), die neu auszulesen begonnen wird, nach und nach vergrößert wird, so daß ein glatter Übergang von der vorausgehenden zur nachfolgenden Wellenform erfolgt.

Da jedoch mit dieser CrossFadingTechnik die Wellenformdaten, die die kontinuierliche Wellenform des Musiktones darstellen, beim Auslesen direkt übersprungen oder mehrfach ausgelesen werden, besteht das Problem, daß in der komprimierten bzw. expandierten Wellenform trotz des CrossFadingProzesses Fluktuationen und Ripple, z. B. aufgrund von Phasenverschiebungen, auftreten.

Um dieses Problem zu lösen, ist ein "Phasenvocoder" genanntes Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform vorgeschlagen worden. Im folgenden wird ein solcher Phasenvocoder der Reihe nach erläutert.

Im Phasenvocoder wird vor der Komprimierung bzw. Expandierung die ursprüngliche Wellenform, die den ursprünglichen Musikton ausdrückt, eingegeben. Der Phasenvocoder teilt dann die eingegebene ursprüngliche Wellenform in mehrere Frequenzbänder auf.

Fig. 13 zeigt die Frequenzbänder, in die ein Phasenvocoder die Wellenform aufteilt.

Die eingegebene Ursprungswellenform wird mit ihrer Grundfrequenz sowie deren zweifache, dreifache usw. Obertöne aufgeteilt in mehrere (hier: 100) Frequenzbänder (Band 0, 1, . . ., k, . . ., p, . . ., 99) mit den Mittenfrequenzen ω0, ω1, . . ., ωk, . . ., ωp, . . ., ω99, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. Ferner leitet der Phasenvocoder Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen ab, die die sich im zeitlichen Verlauf sukzessive ändernde Frequenz (im folgenden "Momentanfrequenz" genannt), sowie die sich im zeitlichen Verlauf sukzessive ändernde Amplitude der einzelnen Wellenformkomponenten der aufgeteilten Wellenformbänder darstellen. Die abgeleiteten Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen werden in einem Speicher gespeichert.

Bei der Wiedergäbe der Wellenform wird die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenz und Amplitude, die von den für die einzelnen Frequenzbändern abgeleiteten Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen dargestellt werden, geregelt.

Fig. 14 zeigt schematisch wie die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs mit einem Phasenvocoder geregelt wird.

Fig. 14(a) zeigt die Amplitudeneinhüllende und die Frequenzeinhüllende eines einzelnen Frequenzbandes, dargestellt mit den sich sukzessive im zeitlichen Verlauf verändernden Amplitudeninformationen und Frequenzinformationen. Um die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude und der Frequenz zu regeln, können, wie in Fig. 14(b) dargestellt, die Amplitudeninformationen und die Frequenzinformationen extrapoliert werden um die Einhüllende in die Länge zu ziehen, oder, wie in Fig. 14(c) dargestellt, die Amplitudeninformationen und die Frequenzinformationen ausgedünnt werden um die Einhüllende zusammenzudrücken, und zwar in dem Maße, in dem eine Expandierung bzw. Komprimierung durchgeführt werden soll. Nachdem die Amplitudeneinhüllende und die Frequenzeinhüllende für alle Frequenzbänder auf diese Weise geregelt worden ist, wird mit Hilfe eines frequenzfeinregelbaren Oszillators für die Mittenfrequenz jedes Frequenzbandes eine nach der Frequenzeinhüllenden im zeitlichen Verlauf feingeregelte Sinuswelle erzeugt, die Amplitude dieser Sinuswelle nach der Amplitudeneinhüllenden wird im zeitlichen Verlauf feingeregelt, wodurch der Phasenvocoder schließlich sämtliche wiedererzeugten Wellenformen synthetisieren kann. Auf diese Weise wird aus der eingegebenen Ursprungswellenform eine auf der Zeitachse expandierte bzw. komprimierte Wiedergabewellenform erzeugt.

Der Phasenvocoder teilt die ursprüngliche Wellenform in mehrere Frequenzbänder auf, regelt die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der sich mit dem zeitlichen Verlauf verändernden Frequenzen und Amplituden für jedes einzelne der aufgeteilten Frequenzbänder und reproduziert die zeitliche Änderung der Frequenz und Amplitude nach dieser Regelung, so daß eine Wiedergabewellenform erreicht wird, für die die Ursprungswellenform auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert ist. Somit können Rauschen und Fluktuationen aufgrund von Phasenverschiebungen besser reduziert werden als mit einem CrossFadingProzess, der die die Ursprungswellenform anzeigenden Wellenformdaten direkt überspringt oder mehrfach ausliest, wie bei einem auf der CrossFadingTechnik basierenden Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform.

Wenn jedoch im Phasenvocoder bei Akkorden oder bei Wellenformen mit langen Perioden, wie z. B. bei Voicesignalen oder Blechbläsern, das Komprimierungs bzw. Expandierungsverhältnis, welches das Verhältnis der Komprimierung bzw. Expandierung anzeigt, sehr von 1.0 (wobei weder Komprimierung noch Expandierung vorliegt) abweicht, so kann das Obertonverhältnis von Tönen, die von der auf der Zeitachse komprimierten bzw. expandierten Wellenform dargestellt werden, korrumpiert werden. Dieses Phänomen wird im folgenden näher erläutert.

Für den oben beschriebenen Phasenvocoder wurde, um das grundlegende Prinzip zu beschreiben, angenommen daß, wie in Fig. 13 dargestellt, die eingegebene Ursprungswellenform in ein Frequenzband, welches nur die Grundfrequenz enthält, ein Frequenzband, welches nur die doppelte Frequenz der Grundfrequenz enthält, usw. aufgeteilt wird, also in einzelne Frequenzbänder, die jeweils eine Frequenzkomponente der Ursprungswellenform enthalten. Eine solche Aufteilungsweise führt jedoch dazu, daß ausgesprochen viele Frequenzbänder benötigt werden, und somit auch ausgesprochen aufwendige Schaltkreise nötig werden, bzw. die Rechenzeiten ausgesprochen lang werden, so daß eine solche Vorgehensweise unrealistisch ist. Dagegen wird hier angenommen, daß die Frequenzbänder derart aufgeteilt werden, daß jedes Frequenzband mehrere Frequenzkomponenten der Ursprungswellenform enthält.

Fig. 15 zeigt mehrere Frequenzbänder, und Fig. 16 zeigt eine Ursprungswellenform in Form einer Pulsreihe, bevor sie in die Frequenzbänder in Fig. 15 aufgeteilt wurde. Ferner zeigt Fig. 17 die Wellenform in einem der in Fig. 15 abgebildeten Frequenzbänder.

Wie in Fig. 16 dargestellt, besteht die in den Phasenvocoder eingegebene Ursprungswellenform aus einer periodischen Pulsreihe mit vergleichsweise langer Periode. Die Anzahl der Frequenzbänder in Fig. 15 ist kleiner als die Anzahl der Frequenzbänder in Fig. 13, deshalb ist die Bandbreite der einzelnen Frequenzbänder breiter. Aus diesem Grunde existieren, wie in Fig. 15 ersichtlich ist, z. B. in Band k, das eines der Frequenzbänder darstellt, mehrere Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der der Grundperiode entsprechenden Grundfrequenz sind, und die mehrere benachbarte Obertöne darstellen. Die Wellenform in Band k entspricht der durchgezogenen Linie in Fig. 17, und wird zu einer mit der Grundperiode T amplitudenmodulierten Wellenform, wie von der gestrichelten Linie der Einhüllenden dargestellt.

Fig. 18 und 19 zeigen wie die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Wellenformkomponenten in Band k aus Fig. 17 geregelt wird, so daß die Änderung von Amplitude und Frequenz langsamer wird. Fig. 20 stellt die Wellenform dar, nachdem die Regelung so erfolgte, daß die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von Amplitude und Frequenz in Band k verlangsamt ist.

Die gestrichelte Linien a und b in Fig. 18 und 19 stellen die Einhüllenden dar, bevor die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude und der Frequenz in Band k geregelt wurde. Um zu regeln, daß die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude und der Frequenz in Band k langsamer wird, werden die Amplitudeninformationen und Frequenzinformationen der einzelnen Samplepunkte der beiden durch die gestrichelten Linien a und b dargestellten Einhüllenden auf der Zeitachse gleichmäßig extrapoliert und in die Länge gezogen, wie von den durchgezogenen Linien A und B dargestellt. Auf diese Weise wird eine Wellenform erhalten, die so geregelt ist, daß die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude und der Frequenz in Band k langsamer ist, wie in Fig. 20 dargestellt. Die Grundperiode T' der in Fig. 20 gezeigten Wellenform ist länger als die Grundperiode T der in Fig. 17 gezeigten Wellenform. Es besteht jedoch das Problem, daß wenn eine solche Wellenform für jedes Band wiedergegeben und synthetisiert wird, und somit eine auf der Zeitachse expandierte Wellenform erzeugt wird, dann werden die Obertonbeziehungen der Ursprungswellenform beschädigt, und die Tonqualität des Musiktones nimmt ab. Um dem vorzubeugen, muß die eingegebene Ursprungswellenform, wie in Fig. 13 gezeigt, in viele Frequenzbänder aufgespalten werden, nämlich in eine Grundfrequenz sowie Mittenfrequenzen, die einem ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz entsprechen. Wenn jedoch die Wellenform so in viele Frequenzbänder aufgeteilt wird, nimmt, wie bereits oben angemerkt, die vom Phasenvocoder zu verarbeitende Prozessmenge zu, die Leistungsfähigkeit der Schaltkreise muß vergrößert werden, und die Prozesszeiten werden länger, was die Realisierung des Geräts schwieriger macht.

Mit einem konventionellen Phasenvocoder wie oben beschrieben, wird jedoch auch hin und wieder die Wiedergabe eines Originaltones (im folgenden auch "1 : 1-Wiedergabe" genannt) durchgeführt. Eine solche 1 : 1-Wiedergabe wird durchgeführt, indem für jedes einzelne Band in das die Ursprungswellenform aufgeteilt wurde die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenz und der Amplitude sowie die Tonhöheninformationen geregelt werden, ohne auf der Zeitachse eine Komprimierung oder Expandierung durchzuführen. Dabei werden jedoch die Phaseninformationen nicht berücksichtigt, weshalb das Problem besteht, daß in einer solchen 1 : 1-Wiedergabe eine Wellenform wiedergegeben wird, deren Phase nicht mit der Phase der Wellenform des Originaltones übereinstimmt, wodurch die Klangfarbe verschlechtert und die Räumlichkeit eines Stereosignales verloren geht.

Die vorliegende Erfindung wurde mit Hinblick auf die Probleme im Stand der Technik entwickelt, und hat zur Aufgabe ein Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform anzugeben, welches eine auf der Zeitachse komprimierte oder expandierte Wellenform erzeugen kann, die beispielsweise einen Musikton von hoher Tonqualität darstellt.

Ein erstes erfindungsgemäßes Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform zur Lösung der obigen Aufgabe ist gekennzeichnet durch
eine Speichervorrichtung zum Speichern von Phaseninformationen und Amplitudeninformationen, die den zeitlichen Verlauf von Phase und Amplitude von Wellenformkomponenten in Frequenzbändern anzeigen, in die eine Ursprungswellenform aufgeteilt worden ist;
eine Vorrichtung zur Umwandlung von Phaseninformationen in Frequenzinformationen;
eine Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der von den Phaseninformationen und Amplitudeninformationen dargestellten Frequenz und Amplitude;
eine Vorrichtung zur Wellenformwiedergabe, welche eine Wellenform erzeugt, wobei die Ursprungswellenform auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert ist, indem eine Wellenform wiedergegeben wird, bei der der zeitliche Verlauf der Frequenz und der Amplitude reproduziert wird, nachdem die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs geregelt wurde.

Das erste erfindungsgemäße Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform speichert die Phaseninformationen und die Amplitudeninformationen in den Wellenformkomponenten einer Ursprungswellenform, und erzeugt eine Wellenform, wobei die Ursprungswellenform auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert ist, indem es die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenz und der Amplitude, die von den gespeicherten Phaseninformationen und Amplitudeninformationen angezeigt werden, regelt, und die resultierende Wellenform wiedergibt.

Somit kann das erste erfindungsgemäße Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform, für den Fall einer 1 : 1-Wiedergabe in dem der Originalton reproduziert wird, die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenzen und Amplituden, die von den Phaseninformationen und den Amplitudeninformationen angezeigt werden, so regeln, daß die Ursprungswellenform in den einzelnen Frequenzbändern, in die sie aufgeteilt wurde, nicht auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert wird. Folglich wird eine Wellenform mit derselben Phase wie die durch den Originalton ausgedrückte Phase wiedergegeben. Und es kann, verglichen mit konventionellen Techniken, bei denen eine Wellenform mit einer anderen Phase als der durch den Originalton ausgedrückten Phase wiedergegeben wird, eine auf der Zeitachse komprimierte oder expandierte Wellenform erhalten werden, die z. B. einen Musikton von hoher Qualität ausdrückt, ohne daß Probleme der Art auftreten, daß sich die Tonfarbe verschlechtert oder die Räumlichkeit von Stereosignalen verloren geht.

Es ist vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs eine Operation wiederholt durchführt, die darin besteht, daß die Amplitudeninformationen einer ganzzahligen Anzahl (größer oder gleich 1) von Periodenabschnitten des periodischen Verlaufs der von den Amplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert und angehängt, bzw. ausgelassen werden, wodurch die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude für einen Zeitraum geregelt wird, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, wobei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird.

Wenn so die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von Amplituden für einen Zeitraum geregelt wird, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, und dabei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird, wird die Grundperiode nicht zusammengedrückt bzw. in die Länge gezogen, und eine Beschädigung des Obertonverhältnisses der Ursprungswellenform kann vermieden und die Tonqualität eines solchen Musiktones kann verbessert werden, selbst wenn in einem bestimmten Frequenzband mehrere Frequenzen vorhanden sind, die benachbarte Obertöne darstellen.

Es ist vorteilhaft, wenn während die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude geregelt wird, indem die in Bezug auf die Amplitude durchgeführte vorgenannte Operation wiederholt wird, die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von durch Phaseninformationen dargestellten Frequenzen regelt, indem eine Operation wiederholt durchgeführt wird, die darin besteht, daß die Phaseninformationen oder die Frequenzinformationen, in die die Phaseninformationen umgewandelt wurden, die den reduplizierten und angehängten bzw. ausgelassenen Amplitudeninformationen entsprechen, ebenfalls redupliziert und angehängt, bzw. ausgelassen werden.

Durch solch wiederholtes Reduplizieren und Anhängen bzw. Auslassen von Phaseninformationen oder Frequenzinformationen, in die die Phaseninformationen umgewandelt wurden, die den reduplizierten und angehängten bzw. ausgelassenen Amplitudeninformationen entsprechen, kann die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs auch für die von den Phaseninformationen dargestellten Frequenzinformationen mit hoher Präzision geregelt werden.

Ein zweites erfindungsgemäßes Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform zur Lösung der obigen Aufgabe ist gekennzeichnet durch
eine Speichervorrichtung zum Speichern von Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen, die den zeitlichen Verlauf von Frequenz und Amplitude von Wellenformkomponenten in Frequenzbändern anzeigen, in die eine Ursprungswellenform aufgeteilt worden ist;
eine Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der von den Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen dargestellten Frequenz und Amplitude;
eine Vorrichtung zur Wellenformwiedergabe, welche eine Wellenform erzeugt, wobei die Ursprungswellenform auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert ist, indem eine Wellenform wiedergegeben wird, bei der der zeitliche Verlauf der Frequenz und der Amplitude reproduziert wird, nachdem die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs geregelt wurde,
wobei die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs eine Operation wiederholt durchführt, die darin besteht, daß die Amplitudeninformationen einer ganzzahligen Anzahl (größer oder gleich 1) von Periodenabschnitten des periodischen Verlaufs der von den Amplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert und angehängt, bzw. ausgelassen werden, wodurch die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude für einen Zeitraum geregelt wird, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, wobei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird.

Das zweite erfindungsgemäße Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform regelt die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von Amplituden für einen Zeitraum, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, wobei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird. Somit wird die Grundperiode der Wellenformkomponenten in den Frequenzbändern nicht zusammengedrückt bzw. in die Länge gezogen, und eine Beschädigung des Obertonverhältnisses der Ursprungswellenform kann vermieden und die Tonqualität eines solchen Musiktones kann verbessert werden, selbst wenn in einem bestimmten Frequenzband mehrere benachbarte Obertöne vorhanden sind.

Durch solch wiederholtes Reduplizieren und Anhängen bzw. Auslassen von Frequenzinformationen, die den reduplizierten und angehängten bzw. ausgelassenen Amplitudeninformationen entsprechen, kann die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs auch für die Frequenzinformationen mit hoher Präzision geregelt werden.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Schaltkreises eines Gerätes zur Wiedergabe einer Wellenform nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, daß die Funktionen des zweiten RAMSpeichers und des DSP aus Fig. 1 als separate Funktionsblöcke darstellt,

Fig. 3 zeigt die Verarbeitung der Wellenform in einem der Kanäle, aus dem das in Fig. 2 abgebildete Analysemodul besteht,

Fig. 4 zeigt wie mit der ZeitFrequenz- Umwandlungsprozessvorrichtung 220_k des Umwandlungsmoduls 220 in Fig. 2, die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs in Band k derart geregelt wird, daß sich der Verlauf der Amplitude verlangsamt,

Fig. 5 zeigt wie mit der ZeitFrequenz- Umwandlungsprozessvorrichtung 220_k des Umwandlungsmoduls 220 in Fig. 2, die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs in Band k derart geregelt wird, daß sich der Verlauf der Frequenz verlangsamt,

Fig. 6 veranschaulicht den Frequenzumwandlungsprozess der ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtung zur Veränderung der Tonhöhe,

Fig. 7 illustriert die Segmentmarker, die vorgesehen werden, um die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude in Band k zu regeln,

Fig. 8 zeigt wie eine glatte Amplitudeneinhüllende erzielt werden kann, indem die benachbarten Teile nach dem Auslassen oder Anhängen eines Ausschnittssegmentes extrapoliert werden,

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, daß die Funktionen des RAM- Speichers und des DSP, aus denen das Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht, als separate Funktionsblöcke darstellt,

Fig. 10 zeigt die Verarbeitung der Wellenform in einem der Kanäle, aus denen das in Fig. 9 abgebildete Analysemodul besteht,

Fig. 11 veranschaulicht den Frequenzumwandlungsprozess mit der ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtung aus Fig. 9 zur Veränderung der Tonhöhe,

Fig. 12 veranschaulicht die Technik des CrossFading, mit der die Wellenform eines Musiktons auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert wird,

Fig. 13 zeigt die Frequenzbänder, in die ein Phasenvocoder die Wellenform aufteilt,

Fig. 14 zeigt schematisch wie die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs mit einem Phasenvocoder geregelt wird,

Fig. 15 zeigt mehrere Frequenzbänder,

Fig. 16 zeigt eine Ursprungswellenform in Form einer Pulsreihe, bevor sie in die Frequenzbänder in Fig. 15 aufgeteilt wird,

Fig. 17 zeigt die Wellenform in einem der in Fig. 15 dargestellten Frequenzbänder,

Fig. 18 zeigt wie die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Wellenformkomponenten in Band k aus Fig. 17 geregelt wird, so daß die Änderung der Amplitude langsamer wird,

Fig. 19 zeigt wie die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Wellenformkomponenten in Band k aus Fig. 17 geregelt wird, so daß die Änderung der Frequenz langsamer wird,

Fig. 20 stellt die Wellenform dar, nachdem die Regelung so erfolgte, daß die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von Amplitude und Frequenz in Band k langsamer wird.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgestellt.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Schaltkreises eines Gerätes zur Wiedergabe einer Wellenform nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

Dieses Gerät 100 zur Wiedergabe einer Wellenform besteht aus einer CPU 10 und einem DSP (digital signal processor) 20, der von der CPU 10 gesteuert wird. Der DSP 20 erzeugt eine komprimierte bzw. expandierte Wellenform, wie im folgenden erläutert wird.

Ferner enthält das Gerät 100 zur Wiedergabe einer Wellenform einen ROMSpeicher 30, einen ersten RAMSpeicher 40 und eine Bedienelementgruppe 50. Der ROMSpeicher 30 speichert Programme, die die CPU 10 und den DSP 20 steuern. Das Programm für den DSP 20 wird über die CPU 10 in den DSP 20 geladen. Der erste RAMSpeicher 40 dient als Arbeitsspeicher für die CPU 10. Die Bedienelementgruppe 50, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, enthält einen (in der Zeichnung nicht abgebildeten) Komprimierungs/ExpandierungsverhältnisSchalter, mit dem das Komprimierungs bzw. Expandierungsverhältnis eingestellt wird, sowie einen (in der Zeichnung nicht abgebildeten) Wiedergabeschalter, mit dem die je nach eingestelltem Komprimierungs bzw. Expandierungsverhältnis erzeugten Wellenformen synthetisiert und wiedergegeben werden.

Ferner enthält das Gerät 100 zur Wiedergabe einer Wellenform einen A/DWandler 60, einen zweiten RAMSpeicher 70 und einen D/AWandler 80. Der A/DWandler 60 digitalisiert ein eingegebenes AnalogSignal A und erzeugt daraus die digitale Grundwellenform x(n), die dem DSP 20 zugeführt wird. Der zweite RAMSpeicher 70 speichert die, wie später erläutert, vom DSP 20 erzeugten Phaseninformationen und Amplitudeninformationen. Der D/AWandler 80 wandelt die vom DSP 20 ausgegebene und komprimierte bzw. expandierte Wellenform y(n) in ein AnalogSignal B um, das ausgegeben wird.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, daß die Funktionen des zweiten RAM- Speichers und des DSP aus Fig. 1 als separate Funktionsblöcke darstellt.

Der DSP 20 in Fig. 2 enthält ein Analysemodul 210, ein Umwandlungsmodul 220 und ein Synthesemodul 230. Durch das Betätigen des (in der Zeichnung nicht abgebildeten) Komprimierungs/ExpandierungsverhältnisSchalters in der Bedienelementgruppe 50 des Geräts 100 zur Wiedergabe einer Wellenform aus Fig. 1 wird das gewünschte Komprimierungs bzw. Expandierungsverhältnis eingestellt. Durch Drücken des (in der Zeichnung nicht abgebildeten) Wiedergabe Schalters erfolgt der Befehl zur Wellenformwiedergabe, und die Ursprungswellenform x(n), die den originalen Musikton vor der Komprimierung bzw. Expandierung darstellt, wird in das Analysemodul 210 des Geräts 100 zur Wiedergabe einer Wellenform eingegeben. Hierbei ist n eine Nummer, die zu jedem Datum, das einen Momentanwert der sukzessive im Zeitverlauf eingegebenen Ursprungswellenform darstellt, zugeordnet ist. Das Analysemodul 210 besteht aus den Kanälen 210_0, 210_1 , . . ., 210_k, . . ., 210_p. Im Analysemodul 210 wird die eingegebene Ursprungswellenform x(n) wie in Fig. 15 dargestellt derart in Frequenzbänder (Band 0, 1, . . ., k, . . ., p) aufgeteilt, daß in jedem Frequenzband mehrere Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind und die benachbarte Obertöne darstellen, vorliegen. Aus den Wellenformkomponenten in den aufgeteilten Frequenzbändern werden dann die Phaseninformationen und Amplitudeninformationen, die die sich sukzessive im zeitlichen Verlauf ändernden Phasen und Amplituden darstellen, abgeleitet, und an den RAMSpeicher 70 ausgegeben. Im folgenden wird das Analysemodul 210 noch detaillierter anhand von Fig. 3 erläutert.

Fig. 3 zeigt die Verarbeitung der Wellenform in einem der Kanäle, aus dem das in Fig. 2 abgebildete Analysemodul besteht.

Fig. 3 zeigt exemplarisch für alle Kanäle, wie die Verarbeitung der Wellenform in Kanal 210_k von statten geht. In Kanal 210_k wird die eingegebene Ursprungswellenform x(n) mit den nten Daten (cos(ωkn), sin(ωkn)) der Mittenfrequenz ωk des dem Kanal 210_k entsprechenden Frequenzbandes (Band k) multipliziert und in Real und Imaginärteil umgewandelt. Das erhaltene Signal wird in einem Analysefenster W(n) mit einer Zeitbreite, die der Impulsantwortzeit eines äquivalenten Analogtiefpassfilters entspricht, herausgeschnitten. Falls Xcos < 0 wird arctan(Xsin/Xcos) gebildet und falls Xcos < 0 wird arctan(Xsin/Xcos) + gebildet, um die Phaseninformationen abzuleiten. Gleichzeitig wird die Wurzel der Quadratsumme von Xcos und Xsin gezogen, um die Amplitudeninformationen abzuleiten. Diese Berechnung wird wiederholt während n für die nten Daten (cos(ωkn), sin(ωkn)) der Mittenfrequenz ωk sowie für das Analysefenster W(n) sukzessive erhöht wird, also sukzessive fortschreitend über die Zeit. Auf diese Weise werden in den Kanälen 210_0, 210_1, . . ., 210_k, . . ., 210_p des Analysemoduls 210 die im zeitlichen Verlauf sich sukzessive ändernden Phaseninformationen und Amplitudeninformationen abgeleitet. Die abgeleiteten Phaseninformationen und Amplitudeninformationen werden im RAM- Speicher 70 aus Fig. 2 gespeichert.

Die im RAMSpeicher 70 gespeicherten Phaseninformationen und Amplitudeninformationen werden dann an das Umwandlungsmodul 220 gegeben. Das Umwandlungsmodul 220 besteht, wie in Fig. 2 dargestellt, aus den ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., 220_p. Die ZeitFrequenz- Umwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., 220_p konvertieren die Phaseninformationen für jedes Frequenzband in Frequenzinformationen. Außerdem regeln die ZeitFrequenz- Umwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., 220_p für jedes Frequenzband die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von Amplituden für einen Zeitraum, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, wobei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird, indem die Amplitudeninformationen in einer ganzzahligen Anzahl (größer oder gleich 1) von Periodenabschnitten des periodischen Verlaufs der von den Arnplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert und angehängt, bzw. ausgelassen wird, und diese Operation regelmäßig wiederholt wird. Ferner wird auch die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenz geregelt, indem auch die von den Phaseninformationen angezeigten Frequenzen, die den Amplitudeninformationen entsprechen, bzw. die Frequenzinformationen, in die die Phaseninformationen umgewandelt wurden, wiederholt reproduziert und angehängt bzw. weggelassen werden.

Fig. 4 und 5 zeigen wie mit der ZeitFrequenz- Umwandlungsprozessvorrichtung 220_k des Umwandlungsmoduls 220 die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplituden und Frequenzen in Band k derart geregelt werden, daß sich der Verlauf der Amplituden und Frequenzen verlangsamt.

Die dünnen Linien a bzw. b in den Fig. 4 und 5 sind die Einhüllenden der Amplitude sowie der von den Phaseninformationen angezeigten Frequenzen in Band k, vor dem Regeln der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs. Dabei stellt Fig. 5 die bisherigen Phaseninformationen dar, wobei, um das Verständnis zu erleichtern, die Phaseninformationen als Frequenzinformationen dargestellt sind. Um derart zu regeln, daß die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude in Band k langsamer wird, werden die Amplitudeninformationen in einem als dünne Linie a dargestellten Periodenabschnitt aus dem periodischen Verlauf der von den Amplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert, und wie mit der dicken Linie A dargestellt angehängt. Auch für die von den Phaseninformationen dargestellten Frequenzinformationen werden die Frequenzinformationen, in die die Phaseninformationen, die den reduplizierten und angehängten Amplitudeninformationen entsprechen, umgewandelt wurden, redupliziert, und wie mit der dicken Linie B dargestellt angehängt. Auf diese Weise wird die Amplitudeneinhüllende in Band k, ebenso wie die Frequenzeinhüllende in die Länge gezogen, und zwar unter Beibehaltung der Periode der periodischen Änderung der Amplitude. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und es besteht auch die Möglichkeit, die Amplitudeneinhüllende in Band k noch weiter in die Länge zu ziehen oder zusammenzudrücken, indem die Amplitudeninformationen von zwei oder mehr kompletten Periodenabschnitten reproduziert und angehängt oder aber ausgelassen werden, bzw. für die Frequenz, die Frequenzeinhüllende in Band k noch weiter in die Länge zu ziehen oder zusammenzudrücken, indem die den reproduzierten und angehängten oder aber ausgelassenen Amplitudeninformationen entsprechenden Frequenzinformationen reproduziert und angehängt oder aber ausgelassen werden.

Um die Tonhöhe zu verändern wird mit den ZeitFrequenz- Umwandlungsprozessvorrichtungen vor dem Regeln der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenz der folgende Frequenzumwandlungsprozess durchgeführt.

Fig. 6 veranschaulicht den Frequenzumwandlungsprozess der Zeit- FrequenzUmwandlungsprozessvorrichtung zur Veränderung der Tonhöhe.

Die ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtung verfügt über eine Auslesevorrichtung, in die die Amplitudeninformationen und Phaseninformationen aus dem RAMSpeicher 70 gegeben werden. Mit dieser Auslesevorrichtung werden, wie in den oben beschriebenen Fig. 4 und 5 bzw. der nachfolgend beschriebenen Fig. 7 gezeigt, der Prozess zur Wiederholung und Verlängerung durchgeführt, mit dem die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs geregelt wird. Um mit der Zeit- FrequenzUmwandlungsprozessvorrichtung den Frequenzumwandlungsprozess zur Änderung der Tonhöhe durchzuführen, werden die von der Auslesevorrichtung ausgegebenen Phaseninformationen differenziert und somit die Frequenzinformationen abgeleitet. Da diese Frequenzinformationen nur der Abweichung im Frequenzband der betreffenden ZeitFrequenz- Umwandlungsprozessvorrichtung entsprechen, addiert die Zeit- FrequenzUmwandlungsprozessvorrichtung die Mittenfrequenzinformationen zu diesen Frequenzinformationen um Frequenzinformationen zu erhalten, die die Mittenfrequenz des jeweiligen Bandes berücksichtigen. Dann wird mit einem vorher eingestellten Frequenzumwandlungsverhältnis multipliziert, und somit die neuen Frequenzinformationen erhalten. Mit diesen neuen Frequenzinformationen kann eine Frequenzeinhüllende mit veränderter Tonhöhe erzeugt werden, für die die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs wie unter Bezugnahme auf Fig. 5 erklärt geregelt wurde.

Fig. 7 illustriert die Segmentmarker, die vorgesehen werden, um die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude in Band k zu regeln.

Um die Segmentmarker für die Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude in der Amplitudeneinhüllenden in Band k zu setzen, werden aus den im RAMSpeicher 70 gespeicherten Amplitudeninformationen im Voraus alle Punkte berechnet, in denen ein Segmentmarker gesetzt wird, und die Daten, die diese Punkte anzeigen, zusammen mit den Amplitudeninformationen im RAM- Speicher 70 gespeichert. Danach, wenn die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude in Band k geregelt wird, werden diese Daten ausgelesen, und die Amplitudeneinhüllende in Band k zusammengedrückt, indem die Wellenform in Ausschnittssegmenten wie in Fig. 7(a) gezeigt ausgelassen wird, bzw. gestreckt, indem die Wellenform in Ausschnittssegmenten wie in Fig. 7(b) gezeigt redupliziert und angehängt wird. In dieser Ausführungsform werden die Amplitudeninformationen eines oder mehrerer kompletter Periodenabschnitten des periodischen Verlaufs der von den Amplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert bzw. ausgelassen, aber es handelt sich dabei nicht um das Wiederholen einer kompletten Wellenform, so daß es vorkommt, daß die Wellenform des reduplizierten bzw. ausgelassenen Teiles sich nicht nahtlos fortsetzt. In den Fig. 7(a) und 7(b) wird jedoch eine glatte Amplitudeneinhüllende erzielt, indem für ausgelassene bzw. hinzugefügte Ausschnittssegmente mit den jeweils benachbarten Teilen ein CrossFadingProzess durchgeführt wird.

Nachfolgend wird eine Methode zum Erlangen einer glatten Amplitudeneinhüllenden beschrieben, die anstelle des CrossFading- Prozesses vorgenommen werden kann.

Fig. 8 zeigt wie eine glatte Amplitudeneinhüllende erzielt werden kann, indem die benachbarten Teile nach dem Auslassen oder Anhängen eines Ausschnittssegmentes extrapoliert werden.

In Fig. 8 sind die Segmente a und b nach dem Auslassen bzw. Anhängen eines Ausschnittssegmentes dargestellt. Die benachbarten Teile der Segmente a und b werden mit einer Extrapolationsvorrichtung (nicht abgebildet) extrapoliert, und mit der gestrichelten Linie c verbunden, so daß eine glatte Amplitudeneinhüllende erreicht wird.

Auf diese Weise werden Amplitudeninformationen, Frequenzinformationen und Phaseninformationen, die den zeitlichen Verlauf der Amplitude und der Frequenz darstellen, vom in Fig. 2 abgebildeten Umwandlungsmodul 220 in das Synthesemodul 230 gegeben, nachdem die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs für jedes Band geregelt wurde. Ferner werden in das Synthesemodul 230 aus einem nichtgestellten Schaltkreisteil des DSP 20 Phasenresetsignale gegeben. Wie in Fig. 2 dargestellt, besteht das Synthesemodul 230 aus einem Paar Kosinusgenerator 230_0 und Modulator 231_0, einem Paar Kosinusgenerator 230_1 und Modulator 231_1, . . ., einem Paar Kosinusgenerator 230_k und Modulator 231_k, . . ., und einem Paar Kosinusgenerator 230_p und Modulator 231_p. Den Kosinusgeneratoren 230_0, 230_1, . . ., 230_k, . . ., und 230_p wird jeweils ein Phasenresetsignal, sowie die Frequenzinformationen und Phaseninformationen von den ZeitFrequenz- Umwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., und 220_p zugeführt. Wenn in die Kosinusgeneratoren 230_0, 230_1, . . ., 230_k, . . ., und 230_p ein Phasenresetsignal eingegeben wird, wird die gehaltene Phase zurückgesetzt, die Phaseninformationen der Zeit- FrequenzUmwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., bzw. 220_p übergenommen, und der Drehanteil kn der Mittenfrequenz zu diesem Wert addiert. Es sollte angemerkt werden, daß das Phasenresetsignal nur einmal bei Beginn der Wiedergabe eingegeben Wird. Weiterhin erzeugen die Kosinusgeneratoren 230_0, 230_1, . . ., 230_k, . . ., und 230_p Kosinuswellen, wobei die Mittenfrequenzen der einzelnen Frequenzbänder sich zeitlich im Einklang mit den durch die Frequenzinformationen angezeigten Frequenzeinhüllenden verändert. Diese Kosinuswellen werden jeweils den entsprechenden Modulatoren 231_0, 231_1, . . ., 231_k, . . ., und 231_p zugeführt. Außerdem werden den Modulatoren 231_0, 231_1, . . ., 231_k, . . ., und 231_p auch die jeweiligen Amplitudeninformationen aus den ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., und 220_p zugeführt. Die Modulatoren 231_0, 231_1, . . ., 231_k, . . ., und 231_p modulieren die Kosinuswellen aus den Kosinusgeneratoren 230_0, 230_1, . . ., 230_k, . . ., und 230_p mit den von den Amplitudeninformationen angezeigten Amplituden aus den ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., und 220_p. Auf diese Art und Weise wird eine Wellenform reproduziert, wobei für jedes Band der zeitliche Verlauf der Frequenz und Amplitude nach der Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs reproduziert wird. Daraufhin werden im Synthesemodul 230 diese reproduzierten Wellenformen synthetisiert. Somit wird aus einer Ursprungswellenform x(n) eine Wellenform y(n) erzeugt, die auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert ist. Da die Kosinusgeneratoren 230_0, 230_1, . . ., 230_k, . . ., und 230_p die dem Wiedergabezeitpunkt entsprechenden Phaseninformationen erhalten, kann bei der Wiedergabe der durch Komprimierung bzw. Expandierung auf der Zeitachse erhaltenen Wellenform, auch wenn der Anfang der Ursprungswellenform nicht wiedergegeben wird sondern die Wellenform ab einem mittleren Stück der Urprungswellenform wiedergegeben wird, die Wellenform mit derselben Phase wiedergegeben werden, die diesem mittleren Stück entspricht.

Mit den oben beschriebenen Prozessen erzeugt das Gerät 100 zur Wiedergabe einer Wellenform nach der ersten Ausführungsform eine Wellenform y(n), wobei im Vergleich mit einem Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform, das auf der CrossFadingTechnik beruht, also einen CrossFadingProzess durchführt und Wellenformdaten der Ursprungswellenform direkt überspringt oder mehrfach ausliest, Fluktuationen und Ripple aufgrund der Phasenverschiebungen, die in der Nähe von Unstetigkeitspunkten auftreten, verringert werden können.

Ferner kann das Gerät 100 zur Wiedergabe einer Wellenform dieser ersten Ausführungsform, für den Fall einer 1 : 1 Wiedergabe in dem der Originalton reproduziert wird, die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenzen und Amplituden, die von den Phaseninformationen und den Amplitudeninformationen angezeigt werden, so geregelt werden, daß die Ursprungswellenform in den einzelnen Frequenzbändern, in die sie aufgeteilt wurde, nicht auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert wird. Folglich wird eine Wellenform mit derselben Phase wie die durch den Originalton ausgedrückte Phase wiedergegeben. Und es kann, verglichen mit konventionellen Techniken, bei denen eine Wellenform mit einer anderen Phase als der durch den Originalton ausgedrückten Phase wiedergegeben wird, eine auf der Zeitachse komprimierte oder expandierte Wellenform erhalten werden, die z. B. einen Musikton von hoher Qualität ausdrückt, ohne daß Probleme der Art auftreten, daß sich die Tonfarbe verschlechtert oder die Räumlichkeit von Stereosignalen verloren geht.

Da das Gerät 100 zur Wiedergabe einer Wellenform dieser ersten Ausführungsform die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von Amplituden für einen Zeitraum regeln kann, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, und dabei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird, wird die Grundperiode nicht zusammengedrückt bzw. in die Länge gezogen, und eine Beschädigung des Obertonverhältnisses der Ursprungswellenform kann vermieden werden, selbst wenn in einem bestimmten Frequenzband mehrere Frequenzen vorhanden sind, die benachbarte Obertöne darstellen und ganzzahlige Vielfache der der Grundperiode entsprechenden Grundfrequenz sind. Folglich kann die Tonqualität z. B. des Musiktons, den die auf der Zeitachse komprimierte oder expandierte Wellenform darstellt, verbessert werden.

Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform eines Geräts zur Wiedergabe einer Wellenform nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Schaltkreises eines Gerätes zur Wiedergabe einer Wellenform nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, ist identisch mit dem in Fig. 1 gezeigten Blockdiagramm der Konfiguration eines Schaltkreises eines Gerätes zur Wiedergabe einer Wellenform, so daß hier von einer nochmaligen Erläuterung abgesehen wird.

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, daß die Funktionen des RAMSpeichers und des DSP aus denen das Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform nach der zweiten Ausführungsform besteht als separate Funktionsblöcke darstellt.

Der DSP 20 in Fig. 9 enthält ein Analysemodul 210, ein Umwandlungsmodul 220 und ein Synthesemodul 230. Durch das Betätigen des Komprimierungs/ExpandierungsverhältnisSchalters in der Bedienelementgruppe des Geräts zur Wiedergabe einer Wellenform wird das gewünschte Komprimierungs bzw. Expandierungsverhältnis eingestellt. Durch Drücken des WiedergabeSchalters erfolgt der Befehl zur Wellenformwiedergabe, und die Ursprungswellenform x(n), die den originalen Musikton vor der Komprimierung bzw. Expandierung darstellt, wird in das Analysemodul 210 des Geräts 100 zur Wiedergabe einer Wellenform eingegeben. Hierbei ist n eine Nummer, die jedem Datum, das einen Momentanwert der zeitlich sukzessive eingegebenen Ursprungswellenform darstellt, zugeordnet ist. Das Analysemodul 210 besteht aus den Kanälen 210_0, 210_1, . . ., 210_k, . . ., 210_p. Im Analysemodul 210 wird die eingegebene Ursprungswellenform x(n) wie in Fig. 15 dargestellt derart in Frequenzbänder (Band 0, 1, . . ., k, . . ., p) aufgeteilt, daß in jedem Frequenzband mehrere Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind und die benachbarte Obertöne darstellen, vorliegen. Aus den Wellenformkomponenten in den aufgeteilten Frequenzbändern werden dann die Frequenzinformationen und Arnplitudeninformationen, die die sukzessive im zeitlichen Verlauf sich ändernden Frequenzen und Amplituden darstellen, abgeleitet, und an den RAMSpeicher 70 ausgegeben. Im folgenden wird das Analysemodul 210 noch detaillierter anhand von Fig. 10 erläutert.

Fig. 10 zeigt die Verarbeitung der Wellenform in einem der Kanäle, aus denen das in Fig. 9 abgebildete Analysemodul besteht.

Fig. 10 zeigt exemplarisch für alle Kanäle wie die Verarbeitung der Wellenform in Kanal 210_k vonstatten geht. In Kanal 210_k wird die eingegebene Ursprungswellenform x(n) mit den nten Daten (cos(ωn), sin(ωκn)) der Mittenfrequenz ωk des dem Kanal 210_k entsprechenden Frequenzbandes (Band k) multipliziert und in Real und Imaginärteil umgewandelt. Das erhaltene Signal wird in einem Analysefenster W(n) mit der Zeitbreite, die der Impulsantwortzeit eines äquivalenten Analogtiefpassfilters entspricht, herausgeschnitten. Die Frequenzinformationen werden mittels Phasendifferenzierung abgeleitet, während die Amplitudeninformationen mittels Bestimmen der Quadratsumme und Ziehen der Quadratwurzel derselben abgeleitet werden. Diese Berechnung wird wiederholt, während n für die nten Daten (cos(ωkn), sin(ωkn)) der Mittenfrequenz ωk sowie für das Analysefenster W(n) sukzessive erhöht wird, also sukzessive fortschreitend über die Zeit. Auf diese Weise werden in den Kanälen 210_0, 210_1, . . ., 210_k, . . ., 210_p des Analysemoduls 210 die sich im zeitlichen Verlauf ändernden Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen abgeleitet. Die abgeleiteten Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen werden im RAM- Speicher 70 von Fig. 9 gespeichert.

Die im RAMSpeicher 70 gespeicherten Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen werden dann in das Umwandlungsmodul 220 gegeben. Das Umwandlungsmodul 220 besteht, wie in Fig. 9 dargestellt, aus den ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., 220_p.

Die ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., 220_p regeln für jedes Frequenzband die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von Amplituden für einen Zeitraum, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, wobei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird, indem die Amplitudeninformationen in einer ganzzahligen Anzahl (größer oder gleich 1) von Periodenabschnitten des periodischen Verlaufs der von den Amplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert und angehängt, bzw. ausgelassen wird, und diese Operation regelmäßig wiederholt wird. Ferner wird auch die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenz geregelt, indem auch die Frequenzinformationen, die den reproduzierten und angehängten Amplitudeninformationen entsprechen, wiederholt reproduziert und angehängt bzw. weggelassen werden.

Um mit der ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtung 220_k des Umwandlungsmoduls 220 die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude in Band k so regeln, daß sie langsamer wird, werden, wie bereits für Fig. 4 beschrieben, die Amplitudeninformationen eines als dünne Linie a dargestellten Periodenabschnitts aus dem periodischen Verlauf der von den Amplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert, und wie mit der dicken Linie A dargestellt angehängt. Auch für die Frequenz werden, wie bereits für Fig. 5 beschrieben, die Frequenzinformationen, die den reduplizierten und angehängten Amplitudeninformationen entsprechen, redupliziert, und wie mit der dicken Linie B dargestellt angehängt. Auf diese Weise wird die Amplitudeneinhüllende in Band k, ebenso wie die Frequenzeinhüllende in die Länge gezogen, und zwar unter Beibehaltung der Periode der periodischen Änderung der Amplitude. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und es besteht auch die Möglichkeit, die Amplitudeneinhüllende in Band k noch weiter in die Länge zu ziehen oder zusammenzudrücken indem die Amplitudeninformationen von zwei oder mehr kompletten Periodenabschnitten reproduziert und angehängt oder aber ausgelassen werden, bzw. für die Frequenz, die Frequenzeinhüllende in Band k noch weiter in die Länge zu ziehen oder zusammenzudrücken indem die den reproduzierten und angehängten oder aber ausgelassenen Amplitudeninformationen entsprechenden Frequenzinformationen reproduziert und angehängt oder aber ausgelassen werden.

Um die Tonhöhe zu verändern wird mit der ZeitFrequenz- Umwandlungsprozessvorrichtung vor dem Regeln der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenz der folgende Frequenzumwandlungsprozess durchgeführt.

Fig. 11 veranschaulicht den Frequenzumwandlungsprozess mit der ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtung aus Fig. 9 zur Veränderung der Tonhöhe.

Die Frequenzinformationen werden aus dem RAMSpeicher 70 in die ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtung gegeben. Da diese Frequenzinformationen nur der Abweichung im Frequenzband der betreffenden ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtung entsprechen, addiert die ZeitFrequenzUmwandlungsprozessvorrichtung die Mittenfrequenzinformationen des Bandes zu diesen Frequenzinformationen hinzu, um Frequenzinformationen zu erhalten, die die Mittenfrequenz des jeweiligen Bandes berücksichtigen. Dann wird mit dem vorher eingestellten Frequenzumwandlungsverhältnis multipliziert, und somit die neuen Frequenzinformationen erhalten. Mit diesen neuen Frequenzinformationen kann eine Frequenzeinhüllende mit veränderter Tonhöhe erzeugt werden, bei der die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenz wie unter Bezugnahme auf Fig. 5 erklärt geregelt wurde.

Auf diese Weise werden Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen, die den zeitlichen Verlauf der Amplitude und der Frequenz darstellen, vom in Fig. 9 abgebildeten Umwandlungsmodul 220 in das Synthesemodul 230 gegeben, nachdem die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs für jedes Band geregelt wurde. Wie in Fig. 9 dargestellt, besteht das Synthesemodul 230 aus einem Paar Kosinusgenerator 230_0 und Modulator 231_0 einem Paar Kosinusgenerator 230_1 und Modulator 231_1, . . ., einem Paar Kosinusgenerator 230_k und Modulator 231_k, . . ., und einem Paar Kosinusgenerator 230_p und Modulator 231_p. Den Kosinusgeneratoren 230_0, 230_1 . . ., 230_k, . . ., und 230_p werden jeweils die Frequenzinformationen von den ZeitFrequenz- Umwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., und 220_p zugeführt. Die Kosinusgeneratoren 230_0, 230_1, . . ., 230_k, . . ., und 230_p erzeugen Kosinuswellen, wobei die Mittenfrequenzen der einzelnen Frequenzbänder sich zeitlich im Einklang mit den durch die Frequenzinformationen angezeigten Frequenzeinhüllenden verändert. Diese Kosinuswellen werden jeweils in die entsprechenden Modulatoren 231_0, 231_1, . . ., 231_k, . . ., und 231_p gegeben. Außerdem werden in die Modulatoren 231_0, 231_1, . . ., 231_k, und 231_p auch die jeweiligen Amplitudeninformationen aus den ZeitFrequenz- Umwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., und 220_p zugeführt. Die Modulatoren 231_0, 231_1, . . ., 231_k, . . ., und 231_p modulieren die Kosinuswellen aus den Kosinusgeneratoren 230_0, 230_1, . . ., 230_k, . . ., und 230_p mit den von den Amplitudeninformationen angezeigten Amplituden aus den Zeit- FrequenzUmwandlungsprozessvorrichtungen 220_0, 220_1, . . ., 220_k, . . ., und 220_p. Auf diese Art und Weise wird eine Wellenform reproduziert, wobei für jedes Band der zeitliche Verlauf der Frequenz und Amplitude nach der Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs reproduziert wird. Daraufhin werden im Synthesemodul 230 diese reproduzierten Wellenformen synthetisiert. Somit wird aus einer Ursprungswellenform x(n) eine Wellenform y(n) erzeugt, die auf der Zeitachse kompromiert oder expandiert ist.

Mit den oben beschriebenen Prozessen erzeugt das Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform der zweiten Ausführungsform eine Wellenform y(n), wobei im Vergleich mit einem Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform, das auf der CrossFadingTechnik beruht, also einen CrossFadingProzess durchführt und Wellenformdaten der Ursprungswellenform direkt überspringt oder mehrfach ausliest, Fluktuationen und Ripple aufgrund der in der Nähe der Unstetigkeitspunkte auftretenden Phasenverschiebungen verringert werden können. Ferner kann, im Vergleich zu der Technik in einem konventionellen Gerät zur Wiedergabe einer Wellenform, dem sogenannten Phasenvocoder, die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Frequenzen und Amplituden für einen Zeitraum geregelt werden, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, wobei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird.

Somit wird die Grundperiode nicht zusammengedrückt bzw. in die Länge gezogen, und eine Beschädigung des Obertonverhältnisses der Ursprungswellenform kann vermieden werden, selbst wenn in einem bestimmten Frequenzband mehrere Frequenzen vorhanden sind, die benachbarte Obertöne darstellen und ganzzahlige Vielfache der der Grundperiode entsprechenden Grundfrequenz sind. Folglich kann die Tonqualität z. B. des Musiktons, den die auf der Zeitachse komprimierte oder expandierte Wellenform darstellt, verbessert werden.

Die erste und die zweite Ausführungsform wurden anhand von Beispielen erläutert, die über einen Komprimierungs/ExpandierungsverhältnisSchalter und einen WiedergabeSchalter in der Bedienelementgruppe verfügen. Die vorliegende Erfindung kann jedoch ebenso auf Geräte angewandt werden, die neben diesen Schaltern auch eine Tastatur und ein Modulationsrad verfügen, und bei denen Analyseparameter und Tondaten der analysierten Bänder z. B. über die Tastatur eingegeben werden, wodurch Tonhöhe und -dauer verändert wird und somit eine augenblickliche Erzeugung eines Musiktones erfolgt.

Claims

1. Gerät zur elektronischen Wiedergabe einer Wellenform, gekennzeichnet durch
eine Speichervorrichtung zum Speichern von Phaseninformationen und Amplitudeninformationen, die den zeitlichen Verlauf von Phase und Amplitude von Wellenformkomponenten in Frequenzbändern anzeigen, in die eine Ursprungswellenform aufgeteilt worden ist;
eine Vorrichtung zur Umwandlung von Phaseninformationen in Frequenzinformationen;
eine Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der von den Phaseninformationen und Amplitudeninformationen dargestellten Frequenz und Amplitude;
eine Vorrichtung zur Wellenformwiedergabe, welche eine Wellenform erzeugt, wobei die Ursprungswellenform auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert ist, indem eine Wellenform wiedergegeben wird, bei der der zeitliche Verlauf der Frequenz und der Amplitude reproduziert wird, nachdem die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs geregelt wurde.

2. Gerät zur elektronischen Wiedergabe einer Wellenform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs eine Operation wiederholt durchführt, die darin besteht, daß die Amplitudeninformationen einer ganzzahligen Anzahl (≧ 1) von Periodenabschnitten des periodischen Verlaufs der von den Amplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert und angehängt bzw. ausgelassen werden, wodurch die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude für einen Zeitraum geregelt wird, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, wobei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird.

3. Gerät zur elektronischen Wiedergabe einer Wellenform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, während die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude geregelt wird, indem die in Bezug auf die Amplitude durchgeführte vorgenannte Operation wiederholt wird, die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von durch Phaseninformationen dargestellten Frequenzen regelt, indem eine Operation wiederholt durchgeführt wird, die darin besteht, daß die Phaseninformationen oder die Frequenzinformationen, in die die Phaseninformationen umgewandelt wurden, die den reduplizierten und angehängten bzw. ausgelassenen Amplitudeninformationen entsprechen, ebenfalls redupliziert und angehängt bzw. ausgelassen werden.

4. Gerät zur elektronischen Wiedergabe einer Wellenform, gekennzeichnet durch
eine Speichervorrichtung zum Speichern von Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen, die den zeitlichen Verlauf von Frequenz und Amplitude von Wellenformkomponenten in Frequenzbändern anzeigen, in die eine Ursprungswellenform aufgeteilt worden ist;
eine Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der von den Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen dargestellten Frequenz und Amplitude;
eine Vorrichtung zur Wellenformwiedergabe, welche eine Wellenform erzeugt, wobei die Ursprungswellenform auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert ist, indem eine Wellenform wiedergegeben wird, bei der der zeitliche Verlauf der Frequenz und der Amplitude reproduziert wird, nachdem die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs geregelt wurde,
wobei die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs einer Operation wiederholt durchgeführt, die darin besteht, daß die Amplitudeninformationen einer ganzzahligen Anzahl (1) von Periodenabschnitten des periodischen Verlaufs der von den Amplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert und angehängt bzw. ausgelassen werden, wodurch die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude für einen Zeitraum geregelt wird, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, wobei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird.

5. Gerät zur elektronischen Wiedergabe einer Wellenform nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, daß, während die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude geregelt wird, indem die in Bezug auf die Amplitude durchgeführte vorgenannte Operation wiederholt wird, die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von durch Phaseninformationen dargestellten Frequenzen regelt, indem eine Operation wiederholt durchgeführt wird, die darin besteht, daß die Phaseninformationen oder die Frequenzinformationen, in die die Phaseninformationen umgewandelt wurde, die den reduplizierten und angehängten bzw. ausgelassenen Amplitudeninformationen entsprechen, ebenfalls redupliziert und angehängt bzw. ausgelassen werden.

6. Verfahren zum Ermitteln und zur elektronischen Wiedergabe einer Wellenform,
bei dem Phaseninformationen und Amplitudeninformationen, die den zeitlichen Verlauf von Phase und Amplitude von Wellenformkomponenten in Frequenzbändern anzeigen, in die eine Ursprungswellenform aufgeteilt worden ist, gespeichert werden,
bei dem die Phaseninformationen in Frequenzinformationen umgewandelt werden,
bei dem die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der von den Phaseninformationen und Amplitudeninformationen dargestellten Frequenz und Amplitude geregelt wird,
bei dem die Wellenform wiedergegeben wird, wobei die Ursprungswellenform auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert ist, indem eine Wellenform wiedergegeben wird, bei der der zeitliche Verlauf der Frequenz und der Amplitude reproduziert wird, nachdem die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs geregelt wurde.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
bei dem zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs eine Operation wiederholt durchgeführt wird, die darin besteht, daß die Amplitudenihformationen einer ganzzahligen Anzahl (≧ 1) von Periodenabschnitten des periodischen Verlaufs der von den Amplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert und angehängt bzw. ausgelassen werden, wodurch die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude für einen Zeitraum geregelt wird, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, wobei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem, während die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude geregelt wird, indem die in Bezug auf die Amplitude durchgeführte vorgenannte Operation wiederholt wird, die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von durch Phaseninformationen dargestellten Frequenzen geregelt wird, indem eine Operation wiederholt durchgeführt wird, die darin besteht, daß die Phaseninformationen oder die Frequenzinformationen, in die die Phaseninformationen umgewandelt wurden, die den reduplizierten und angehängten bzw. ausgelassenen Amplitudeninformationen entsprechen, ebenfalls redupliziert und angehängt bzw. ausgelassen werden.

9. Verfahren zum Ermitteln und zur elektrischen Wiedergabe einer Wellenform,
bei dem Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen, die den zeitlichen Verlauf von Frequenz und Amplitude von Wellenformkomponenten in Frequenzbändern anzeigen, in die eine Ursprungswellenform aufgeteilt worden ist, gespeichert werden,
bei dem die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der von den Frequenzinformationen und Amplitudeninformationen dargestellten Frequenz und Amplitude geregelt wird,
bei dem die Wellenform wiedergegeben wird, wobei die Ursprungswellenform auf der Zeitachse komprimiert bzw. expandiert ist, indem eine Wellenform wiedergegeben wird, bei der der zeitliche Verlauf der Frequenz und der Amplitude reproduziert wird, nachdem die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs geregelt wurde,
bei dem zur Regelung der Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs eine Operation wiederholt durchgeführt wird, die darin besteht, daß die Amplitudeninformationen einer ganzzahligen Anzahl (≧ 1) von Periodenabschnitten des periodischen Verlaufs der von den Amplitudeninformationen dargestellten Amplitude redupliziert und angehängt bzw. ausgelassen werden, wodurch die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude für einen Zeitraum geregelt wird, der länger ist als die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude, wobei die Periode des periodischen Verlaufs der Amplitude beibehalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem, während die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs der Amplitude geregelt wird, indem die in Bezug auf die Amplitude durchgeführte vorgenannte Operation wiederholt wird, die Geschwindigkeit des zeitlichen Verlaufs von durch Phaseninformationen dargestellten Frequenzen geregelt wird, indem eine Operation wiederholt durchgeführt wird, die darin besteht, daß die Phaseninformationen oder die Frequenzinformationen, in die die Phaseninformationen umgewandelt wurde, die den reduplizierten und angehängten bzw. ausgelassenen Amplitudeninformationen entsprechen, ebenfalls redupliziert und angehängt bzw. ausgelassen werden.