DE29680173U1

DE29680173U1 - Vorrichtung zur Änderung der Klangfarbe und/oder Tonhöhe von Tonsignalen

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Publication number: DE29680173U1
Application number: DE29680173U
Authority: DE
Original assignee: IVL Technologies Ltd
Current assignee: IVL Technologies Ltd
Priority date: 1995-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2006-01-19

Description

IVL Technologies Ltd.

Zeichen'; A 2694

·d Vorrichtung zur Änderung der Klangfarbe und/oder Tonhöhe von Tonsignalen

Technisches Gebiet der Erfindung·

Die Erfindung betrifft allgemein elektronische Toneffekte und insbesondere musikalische Effekte, welche die Klangfarbe und/oder Tonhöhe von Tonsignalen verschieben.

Ausqangssituation der Erfindung

In jedem periodischen musikalischen Ton gibt es eine Grundfrequenz sowie zahlreiche Oberschwingungen, die dem Ton den Charakter oder die Klangfarbe geben. Es ist die besondere Kombination der Oberschwingungsfrequenzen mit der Grundfrequenz, die beispielsweise eine Gitarre und eine Violine, die den gleichen Ton spielen, völlig verschieden klingen läßt. Die Beziehung zwischen der Größe bzw. Amplitude der Grundfrequenzkomponente und den Amplituden der Oberschwingungen, die von einem Instrument oder einer Stimme erzeugt werden, wird als spektrale Hüllkurve bezeichnet. Bei einem Musikinstrument, wie z. B. einer Gitarre, einer Flöte oder einem Saxophon, expandiert und kontrahiert die spektrale Hüllkurve mehr oder weniger proportional zur Verschiebung der Höhe des Tons nach oben oder unten.

Elektronische Tonhöhenschieber sind Musikeffekte, die einen Eingangston empfangen und einen Ausgangston von anderer Tonhöhe erzeugen. Derartige Effekte werden häufig benutzt, um einen einzelnen Musiker wie mehrere klingen zu lassen. Für Musikinstrumente kann man die Höhe eines Tons verschieben, indem man den Klang vom Instrument abtastet und aufzeichnet und die abgetasteten und aufgezeichneten Klänge mit einer höheren oder niedrigeren Rate bzw. Frequenz als der beim Aufzeichnen der Proben verwendeten abspielt. Die nach diesem Verfahren erzeugten Ausgangstöne klingen ziemlich natürlich, da die spektrale Hüllkurve der tonhohenverschobenen Klänge nachahmt, wie die

spektrale Hüllkurve der von dem Instrument erzeugten Klänge mit der Tonhöhe variiert.

Im Gegensatz zu Tönen, die von Musikinstrumenten erzeugt werden, variiert die spektrale Hüllkurve von Vokal- bzw. Gesangstönen oder -klängen nicht proportional zur Änderung der Tonhöhe des Vokaltons. Die relativen Amplituden der Einzelfrequenzen, aus denen sich diese spektrale Hüllkurve zusammensetzt, können sich jedoch ändern. Die Verschiebung der Tonhöhe eines Vokaltons durch Abtasten eines Tons, wie er gesungen oder gesprochen wird, und Wiedergabe der Abtastwerte mit anderer Geschwindigkeit klingt nicht natürlich, da der Prozeß die Gestalt der spektralen Hüllkurve im Verhältnis zum Grad der Tonhöhenverschiebung verändert. Um die Tonhöhe eines Vokalklangs realistisch zu verschieben, ist ein Verfahren erforderlieh, das die Grundfrequenz verändert, während es die Gesamtform der spektralen Hüllkurve nur geringfügig verändert.

Eine Vorrichtung, die in Echtzeit die Tonhöhe von Vokaltönen verschiebt, um Harmonien zu erzeugen, wird in unserer älteren US-A-5 231 671 (dem Patent '671") beschrieben. Das

in dem Patent '671 beschriebene Verfahren zur Tonhöhenverschiebung wurde nach einer Veröffentlichung von Lent, K. , "An Efficient Method for Pitch Shifting Digitally Sampled Sounds" (Rationelles Verfahren zur Tonhöhenverschiebung von digital abgetasteten Klängen), Computer Music Journal 13, 4 (1989) (dem "Lent-Verfahren") angepaßt. Das Lent-Verfahren gestattet die Tonhöhenverschiebung eines digital abgetasteten Klangs ohne Veränderung der spektralen Hüllkurve. Kurz gesagt, das Lent-Verfahren kann zur Verschiebung der Tonhöhe eines Vokaltons durch Reproduzieren bzw. Nachbilden von Teilen eines gespeicherten Eingangssignals mit einer höheren oder niedrigeren Rate als der Grundfrequenz des Eingangstons verwendet werden. Dieses Verfahren zur Tonhöhenverschiebung von Vokaltönen arbeitet zwar gut, aber die höhenverschobenen Töne klingen nicht völlig natürlich, da die spektrale Hüllkurve bei der Höhenänderung der Töne fixiert bleibt.

Wie oben beschrieben, gibt es zwei Verfahren zur elektronischen Tonhöhenverschiebung eines Tons. Das erste Verfahren, das als Wiederabtastung bezeichnet wird, modifiziert die

spektrale Hüllkurve im Verhältnis zum Grad der Tonhöhenverschiebung. Das zweite oder Lent-Verfahren behält die spektrale Hüllkurve mehr oder weniger bei, ungeachtet des Tonhöhenverschiebungsgrades. Keines dieser beiden Verfahren gestattet es, die spektrale Hüllkurve auf kontrollierbare Weise zu variieren. Daher gibt es einen Bedarf für ein Verfahren zur Veränderung der spektralen Hüllkurve eines Musiktons, das nicht von der Höhe eines Tons abhängt. Mit einem derartigen Verfahren können realistischere Harmonien erzeugt werden. Außerdem ist es durch Verändern der Klangfarbe des Tons mit oder ohne Veränderung der Ausgangstonhöhe möglich, ein Instrument wie ein anderes oder die Stimme einer Person wie die einer anderen klingen zu lassen.

Zusammenfassung der Erfindung

Zur Verschiebung der Klangfarbe sowohl von Vokaltönen als auch von Tönen, die von Musikinstrumenten erzeugt werden, verwendet die vorliegende Erfindung eine neuartige Kombination aus einer Tonhöhenverschiebung durch Änderung der Abtastrate eines Signals und der Tonhöhenverschiebung nach dem Lent-Verfahren. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Eingangssignal mit einer ersten Rate abgetastet, und die resultierende Digitaldarstellung wird in einem Speicherpuffer gespeichert. Das gespeicherte digitale Eingangssignal wird dann erneut mit einer zweiten, vom Anwender festgelegten Rate abgetastet. Das wiederabgetastete Eingangssignal wird dann in einem zweiten Speicherpuffer gespeichert. Die Tonhöhenverschiebung des wiederabgetasteten Eingangssignals erfolgt dann durch Skalieren des wiederabgetasteten Eingangssignals mit einer Fensterfunktion bei einer Rate, die gleich der Grundfreguenz des gewünschten Ausgangstons ist. Wenn nur die Klangfarbe und nicht die Höhe eines Tons verschoben werden soll, dann ist die Rate, mit der das wiederabgetastete Eingangssignal mit der Fensterfunktion skaliert wird, die gleiche wie die Grundfrequenz des Eingangstons. Wird eine Änderung sowohl der Tonhöhe eines Tons als auch seiner Klangfarbe gewünscht, dann unterscheidet sich die Rate, mit der das wiederabgetastete Eingangssignal mit der

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Fensterfunktion skaliert·-wird, von^der—Grundfrequenz des Eingangstons .

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Effektgenerator offenbart, der die Klangfarbe und/oder die Tonhöhe eines Eingangstonsignals so verändern kann, daß sie zu einer auf einem MIDI-Kanal empfangenen Tonhöhe paßt. Der Effektgenerator wird vorzugsweise zusammen mit einer MIDI-Karaoke-Anlage eingesetzt, die einen Strom von Melodie- oder Harmonietönen an den Effektgenerator liefert. Der Effektgenerator liest die Töne aus dem MIDI-Kanal ein und ordnet dem Ton automatisch einen Klangfarbenverschiebungsgrad zu. Die Zuordnung kann durch Vergleich der Tonhöhe des Harmonietons mit einem oder mehreren Schwellwerten oder mit der Tonhöhe eines Eingangstonsignals erfolgen, das von einem Anwender der Karaoke-Anlage empfangen wird. Der jedem Ton zugeordnete Klangfarbenverschiebungsgrad kann die Harmonietöne anders als das Eingangstonsignal klingen lassen oder kann nachahmen, wie sich das Eingangstonsignal bei einer Erhöhung oder Erniedrigung der Tonhöhe ändern würde.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorstehenden Ausführungsformen und viele der damit verbundenen Vorteile der Erfindung lassen sich anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich machen und damit leichter einschätzen. Dabei zeigen:

Fig. 1A-1D graphische Darstellungen der Spektren von Vokalsignalen, die zeigen, wie sich die spektralen Hüllkurven als Ergebnis sowohl von bekannten Klangfarben-ZTonhöhenverschiebungsverfahren als auch von erfindungsgemäßen Klangfarben-/Tonhöhenverschiebungsverfahren verändern;

Fig. 2A ein Ablaufdiagramm der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführten Schritte zur Verschiebung der Klangfarbe und/oder der Tonhöhe eines Eingangstons;

Fig. 2B ein Ablaufdiagramm der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführten Schritte zur Erzeugung von klangfarbenverschobenen Harmonietönen aus einem Eingangsvokalton;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Musikeffektgenerators zur Erzeugung von Vokalharmonien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 4A und Fig. 4B Diagramme und entsprechende graphisehe Speicherdarstellungen,, die zeigen, wie ein Eingangsvokalsignal gemäß einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wiederabgetastet wird;

Fig. 5 ein Blockschaltbild, das die Funktionen darstellt, die durch einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren programmierten Digitalsignalprozessor ausgeführt werden;

Fig. 6 ein Blockschaltbild, das die Funktionen darstellt, die durch eine Fenstertongeneratoreinheit innerhalb des Digitalsignalprozessors ausgeführt werden;

Fig. 7A und 7B graphische Darstellungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschieben der Tonhöhe eines digital abgetasteten Vokalsignals;

Fig. 8A und 8B zeigen, wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Hamming-Fenster erzeugt und im Speicher abgelegt wird; und

Fig. 9A und 9B zeigen Blockschaltbilder von Musikeffekten, die den auf einen Ton angewandten Klangfarbenverschiebungsgrad dynamisch auswählen.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels Die vorliegende Erfindung schafft ein System zum Verschieben der Klangfarbe eines Tons auf eine Weise, die realistischer klingt als durch bekannte Systeme erzeugte Klangfarbenverschiebungen. In seiner einfachsten Form kann das Verfahren zum Verschieben der Klangfarbe eines Tons, aber nicht der Höhe eines Tons verwendet werden. Zum Beispiel kann das Verfahren benutzt werden, um ein von einem Mann gesungenes oder gesprochenes Vokalsignal so klingen zu lassen, als ob es von einer Frau gesungen oder gesprochen würde. Außer der Verschiebung der Klangfarbe eines Tons kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, um Tonhöhe und Klangfarbe eines Tons zu verändern. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um einen von einer Frau gesungenen Ton wie einen von einem Mann gesungenen anderen Ton klingen zu lassen.

Schließlich wird das gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet, um aus einem Eingangston klangfarbenverschobene Harmonietöne zu erzeugen. Die folgende Beschreibung bezieht sich zwar hauptsächlich auf die Erzeugung von Harmonietönen aus einem Eingangsvokalton, man wird aber erkennen, daß der Ton kein Vokalton zu sein braucht, sondern von einer beliebigen Quelle erzeugt werden kann, und daß der Ausgangston nicht von der Eingangs tonhöhe verschieden oder mit dieser harmonisch zu sein braucht.

In Fig. 1A-1D wird verglichen, wie sich die spektrale Hüllkurve eines Vokaltons ändert, wenn die Höhe des Tons nach bekannten Verfahren bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verändert wird. Fig. IA zeigt ein Frequenzspektrum 30a, das für einen typischen Vokalton repräsentativ ist. Die Gesamtform des Spektrums ist durch einen oder mehrere Formanten oder Peaks 32a definiert. Der Charakter oder die Klangfarbe des Vokaltons ist durch die relative Amplitude und Lage der Grundfrequenz des Tons und der Oberschwingungen definiert (dargestellt durch die Pfeile 34a) .

Um die Höhe eines Vokaltons realistisch zu verschieben, muß die Grundfrequenz eines Tons verschoben werden, während die Formanten des Spektrums nahe bei denjenigen des ursprünglichen Vokaltons gehalten werden. Fig. IB zeigt ein Spektrum 30b eines tonhöhenverschobenen Vokaltons, der um eine Quinte unter dem Ton liegt, der zu dem in Fig. IA dargestellten Spektrum gehört. Der zu dem Spektrum 30b gehörige Ton wurde durch Erniedrigung der Wiedergaberate des abgetasteten ursprünglichen Vokaltons erzeugt. Wie zu sehen ist, wird die gesamte, durch die Formanten 32b sowie die durch die einzelnen Oberschwingungen bzw. Obertöne 34b definierte spektrale Hüllkurve komprimiert und zu einer niedrigeren Frequenz verschoben. Das Ergebnis der Verschiebung der Formanten läßt den tonhöhenverschobenen Vokalton unnatürlich klingen.

Fig. IC zeigt ein Spektrum 30c eines tonhöhenverschobenen Vokaltons, der um eine Quinte unter dem Ton liegt, welcher zu dem in Fig. IA dargestellten Spektrum gehört und der nach dem in dem Patent '671 dargelegten Verfahren erzeugt wurde. Der zu dem Spektrum 30c gehörende tonhöhenverschobene

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Vokalton wurde durch Nachbilden eines Teils des Eingangsvokaltons mit einer niedrigeren Rate als der Grundfrequenz des ursprünglichen Eingangsvokaltons erzeugt. Im Spektrum 30c haben sich nur die Frequenzen der Obertöne 34c verändert, wie in dem Patent ' 671 beschrieben. Die Gesamtform des Spektrums bleibt die gleiche wie bei dem in Fig. IA dargestellten Spektrum. Der zu dem Spektrum 30c gehörende tonhöhenverschobene Vokalton klingt natürlicher als der tonhöhenverschobene Vokalton, der durch den Ton erzeugt wird, welcher zu dem in Fig. IB dargestellten Spektrum 30b gehört. Der tonhöhenverschobene Vokalton klingt jedoch nicht völlig natürlich. Tonhöhenverschobene Vokaltöne, die nach dem in dem Patent '671
beschriebenen Verfahren erzeugt werden, weisen gewöhnlich Klangfarben auf, die dem Eingangsvokalsignal sehr ähnlich sind, aus dem sie erzeugt werden. Daher klingen alle tonhohenverschobenen Vokaltöne wie veränderte Variationen des Originals.

Um die Klangfarbe eines Tons auf eine realistisch klingende Weise zu ändern, verwendet die vorliegende Erfindung eine neuartige Kombination aus einer Tonhohenverschiebung mit Wiederabtastung, wodurch die Wiedergabegeschwindigkeit des Vokaltons verändert wird, und dem in dem Patent '671 beschriebenen Verfahren. Das Ergebnis ist ein tonhöhenverschobener Ton, den man tiefer und männlicher oder höher und weiblieher klingen lassen kann.

Fig. ID zeigt ein Spektrum 3Od eines erfindungsgemäß erzeugten, tonhohenverschobenen Vokaltons mit einer Frequenz, die um eine Quinte unter dem Eingangsvokalton liegt, der zu dem in Fig. IA dargestellten Spektrum gehört. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, erhält man den tonhohenverschobenen Vokalton, der dem Spektrum 30d entspricht, durch Wiederabtasten des zuvor gespeicherten Eingangsvokaltons mit einer Rate, die etwas niedriger ist als die ursprüngliche Abtastrate, und Speichern der wiederabgetasteten Daten in einem Speicherpuffer. Ein Teil der wiederabgetasteten Daten wird dann mit einer Rate nachgebildet, die gleich der Grundfrequenz der Quinte unter der Tonhöhe des Eingangstons ist. Wie sich erkennen läßt, ist das Spektrum 30d geringfügig komprimiert,

aber dem ursprünglichen_SjDektrum 3Q^Jätolich. Das Ergebnis ist ein tonhöhenverschobener Vokalton, der natürlich klingt, aber nicht wie eine nachgebildete Version des ursprünglichen Eingangstons .

Die Hauptschritte der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung eines klangfarben- und/oder tonhöhenverschobenen Ausgangssignals aus einem Eingangssignal sind in dem in Fig. 2A gezeigten Ablaufdiagramm dargestellt. Das Verfahren beginnt mit dem Schritt 50, wo ein Eingangssignal durch einen Analog-Digital-Wandler mit einer ersten Rate abgetastet wird. Das Eingangssignal kann von einem Musikinstrument erzeugt werden, wie z. B. von einer Flöte, Gitarre usw., kann ein von einem Anwender gesprochener oder gesungener Ton sein oder durch eine digitale Quelle erzeugt werden, wie z. B. durch einen Synthesizer. Nach dem Abtasten des Eingangssignals wird im Schritt 52 die entsprechende digitale Darstellung des Eingangssignals in einem Digitalspeicher abgespeichert. Als nächstes wird das gespeicherte Eingangssignal mit einer zweiten Rate wiederabgetastet, die sich von der ersten Rate unterscheidet, mit der das Eingangssignal ursprünglich abgetastet wurde. Die Wiederabtastrate kann auf einen bestimmten Prozentwert festgelegt werden, der größer oder kleiner ist als die ursprüngliche Abtastrate. Als Alternative kann die Abtastrate vom Anwender gewählt werden.

Die wiederabgetasteten Daten werden im Schritt 56 in einem Digitalspeicher abgespeichert. Schließlich wird im Schritt 58 das klangfarbenverschobene Ausgangssignal erzeugt, indem ein Teil der wiederabgetasteten Daten mit einer Rate nachgebildet wird, die gleich der Grundfrequenz des gewünsch-0 ten Ausgangssignals ist. Wenn zum Beispiel eine Änderung der Klangfarbe eines Eingangssignals gewünscht wird, dann ist die Rate, mit welcher der Teil der wiederabgetasteten Daten nachgebildet wird, gleich der Grundfrequenz des Eingangssignals. Als Alternative kann eine Änderung der Klangfarbe und der Tonhöhe des Eingangssignals gewünscht werden, in welchem Fall die Rate, mit welcher der Teil der wiederabgetasteten Daten nachgebildet wird, nicht gleich der Grundfrequenz des Eingangssignals ist. Schließlich wird für den Fall, in welchem das er-

findungsgemäße Verfahren in Harmonieeffektgeneratoren eingesetzt wird, die Nachbildungsrate des Teils der wiederabgetasteten Daten auf"eine Gründfrequenz eingestellt, die in harmonischer Beziehung zur Grundfrequenz des Eingangssignals steht.

Bei der derzeitigen Ausführung der Erfindung wird das Klangfarbenverschiebungsverfahren verwendet, um aus Eingangsvokaltönen, die von einem Anwender gesungen werden, Harmonietöne zu erzeugen. Daher bezieht sich zwar die nachstehende Be-Schreibung auf die Erzeugung von klangfarbenverschobenen, vokalen Harmonietönen, man wird aber erkennen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch verwendet werden kann, um nur die Klangfarbe eines Eingangssignals zu verändern oder um die Klangfarbe und die Tonhöhe eines Eingangssignals auf eine Weise zu verändern, die in keiner harmonischen Beziehung zur Tonhöhe des Eingangssignals steht.

Fig. 2B zeigt ein Ablaufdiagramm der Hauptschritte, die bei der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen von klangfarbenverschobenen Vokalharmonien ausgeführt werden. Das Verfahren beginnt mit dem Schritt 60, in dem der analoge Eingangsvokalton mit einer ersten Rate abgetastet und digitalisiert wird. Im Schritt 62 werden die digitalen Abtastwerte in einem ersten Speicherpuffer gespeichert. Im Schritt 64 werden die gespeicherten Abtastwerte analysiert, um die Tonhöhe des Eingangsvokaltons zu bestimmen. Nach der Bestimmung der Tonhöhe werden im Schritt 66 die zusammen mit dem Eingangssignalton zu erzeugenden Harmonietöne ausgewählt. Die speziellen, für einen gegebenen Eingangston erzeugten Harmonietöne können vorprogrammiert werden, durch einen Anwender individuell ausgewählt werden oder von einer äußeren Quelle empfangen werden, wie z. B. einem Synthesizer, einem Sequenzer oder einer externen Speichervorrichtung, etwa einer Computerfestplatte, einer Laserplatte usw.

Nach der Auswahl der Harmonietöne wird im Schritt 68 die von einem Anwender gewählte prozentuale Erhöhung oder Verminderung der Abtastrate ermittelt. Die Abtastrate kann erhöht werden, um den Harmonietönen eine mehr weibliche Klangfarbe zu

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geben, oder sie kann vermindert werden, um Harmonietöne mit einem mehr männlichen Klang zu erzeugen.

Im Schritt 70 wird der im Schritt 62 gespeicherte Eingangsvokalton mit der neuen, vom Anwender gewählten Rate wiederabgetastet. Die wiederabgetasteten Daten werden in einem zweiten Speicherpuffer gespeichert. Wenn zum Beispiel der Anwender sich entschieden hat, die Abtastrate zu verringern, dann befinden sich im zweiten Speicherpuffer weniger Datenabtastwerte, wodurch sich der zum Speichern des digitalisierten Eingangsvokaltons erforderliche Speicherumfang verringert. Entsprechend werden, wenn der Anwender eine Erhöhung der Abtastrate gewählt hat, die Daten des ersten Puffers mit einer höheren Rate wiederabgetastet als bei der ursprünglichen Datenabtastung, wodurch mehr Abtastwerte erforderlich sind und der Speicherumfang, der zum Speichern des digitalisierten Eingangsvokaltons im zweiten Puffer erforderlich ist, sich erhöht. Wenn die Daten mehr Speicherplatz belegen, wird die Höhe des Tons erniedrigt, vorausgesetzt daß die Rate, mit der die Abtastwerte aus dem Speicher ausgelesen werden, die gleiche bleibt.

Im Schritt 72 werden die wiederabgetasteten Daten in einem zweiten Speicherpuffer gespeichert. Schließlich werden im Schritt 74 die Harmonietöne erzeugt, indem Teile des wiederabgetasteten Eingangsvokaltons mit Raten nachgebildet werden, die gleich den Grundfrequenzen der im Schritt 66 gewählten Harmonietöne sind.

Wie aus Fig. 3 erkennbar, empfängt ein Musikeffektgenerator 100, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren klangfarbenverschobene Harmonietöne erzeugt, einen von einem Anwender gesungenen Eingangsvokalton 105. Im allgemeinen weist der Effektgenerator einen Mikroprozessor oder eine Zentraleinheit (CPU) 138 auf, der (die) über eine Schnittstelle mit einem Digitalsignalprozessor (DSP) 180 und einem Direktzugriffsspeicher (RAM) 121 gekoppelt ist, um eine Anzahl von Harmonietönen 105a, 105b, 105c und 105d zu erzeugen, die mit dem Eingangsvokalton kombiniert werden, um ein mehrstimmiges Ausgangssignal zu erzeugen, wie nachstehend ausführlich beschrieben wird.

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Der Mikroprozessor 138 schließt seinen eigenen Festwertspeicher (ROM) 140 und seinen eigenen Direktzugriffsspeicher (RAM) 144 ein. Mit dem Mikroprozessor ist ein Satz Eingabesteuerungen 148 gekoppelt, um einem Anwender zu ermöglichen, die Betriebsparameter des Musikeffektgenerators zu variieren. Zu diesen Parametern gehört die Auswahl, welche Harmonietöne zu einem gegebenen Eingangston erzeugt werden, sowie die Verteilung der Harmonietöne zwischen einem rechten und einem linken Stereokanal.

Von dem Mikroprozessor wird ein Satz von Sichtanzeigen 150 betrieben. Die Sichtanzeigegeräte zeigen visuell an, wie der Effektgenerator arbeitet und welche Optionen vom Anwender gewählt worden sind. Mit dem Mikroprozessor sind ein oder mehrere MIDI-Kanäle 154 gekoppelt, um zu ermöglichen, daß der Effektgenerator MIDI-Daten von anderen MIDI-kompatiblen Instrumenten oder Effekten empfängt. Die Details eines MIDI-Kanals sind dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt und brauchen daher nicht ausführlicher diskutiert zu werden.

Schließlich weist der Effektgenerator ein Paar "Geschlechtsverschiebungs"-Steuerungen 156 auf. Die Geschlechtsverschiebungs-Steuerungen gestatten einem Anwender, den Grad der Tonhöhenverschiebung mittels Wiederabtastung auszuwählen, der auf jeden erzeugten Harmonieton angewandt wird. Die Arbeitsweise der Geschlechtsverschiebungs-Steuerungen wird weiter unten ausführlicher diskutiert.

Der Digitalsignalprozessor 180 ist ein spezialisierter Computerchip, der die verschiedensten Funktionen ausführt. Der Programmcode für den Betrieb des Digitalsignalprozessors ist in einem ROM 141 gespeichert, der Teil des mit dem Mikroprozessor gekoppelten ROM 140 ist. Nach dem Einschalten des Effektgenerators lädt der Mikroprozessor 138 das entsprechende Computerprogramm in den Digitalsignalprozessor, um nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Harmonietöne zu erzeugen.

Der Effektgenerator 100 weist ein Mikrofon 110 auf, das den Eingangsvokalton vom Anwender empfängt und ihn in ein entsprechendes analoges elektrisches Vokalsignal umwandelt. Das Eingangsvokalsignal wird auch als "trockenes" Tonsignal bezeichnet. Das Eingangvokalsignal wird einem Tiefpaßfilter 114

zugeführt, der etwaige hochfrequente Störgeräusche entfernt. Das gefilterte Eingangsvokalsignal wird zu einem Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 118 übertragen, der das Eingangsvokalsignal periodisch abtastet und es in eine digitale Form umwandelt. Jedesmal wenn der A/D-Wandler einen neuen Abtastwert bereithält, unterbricht er den Digitalsignalprozessor (DSP) 180 und veranlaßt, daß der Digitalsignalprozessor den Abtastwert liest und ihn in einem ersten Speicherpuffer 122 speichert, der Teil des Direktzugriffsspeichers des Effektgenerators ist.

Sobald das Eingangsvokalsignal abgetastet und im ersten Speicherpuffer 122 gespeichert worden ist, führt der Digitalsignalprozessor 180 eine Tonhöhenerkennungsroutine 188 aus, welche die im Speicherpuffer 122 gespeicherten Daten analysiert und ihre Tonhöhe bestimmt. Das zur Bestimmung der Tonhöhe eines Tons verwendete Verfahren wird ausführlich in unserem US-Patert4 688 464 beschrieben, das hier durch Bezugnahme einbezogen wird. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung sind Begriffe "Tonhöhe" und "Grundfrequenz" eines Tons austauschbar. Aus der Tonhöhe des Eingangsvokaltons wird die Periode des Tons berechnet.

Herkömmlicherweise ist die Periode eines Tons einfach der reziproke Wert seiner Grundfrequenz, ausgedrückt in Sekunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Periode jedoch in Form der Anzahl von Speicherplätzen berechnet und gespeichert, die zum Speichern einer vollen Schwingungsperiode des Eingangssignals erforderlich sind. Zum Beispiel belegt eine volle Schwingungsperiode des Tons A von 440 Hz 109 Speicherplätze, wenn sie mit 48 kHz abgetastet wird (1/440 · 48000) . Daher wird die Periode von A 440 Hz als der Wert 109 gespeichert. Außer der Bestimmung der Tonhöhe und der Periode eines Tons berechnet der Digitalsignalprozessor auch eine Periodenmarkierung, die einen Zeiger auf einen Platz im Speicher darstellt, wo eine neue Schwingungsperiode des Eingangsvokalsignals beginnt. Anfänglich wird die Periodenmarkierung so gesetzt, daß sie auf den Anfang des Speicherpuffers zeigt, in dem das Eingangsvokalsignal gespeichert ist. Nachfolgende Periodenmarkierungen werden berechnet, indem die An-

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zahl der Datenabtastwerte in einer einzelnen Schwingungsperiode des Eingangsvokalsignals (d. h. in einer Periode) zu der früheren Periodenmarkierung addiert wird. Die Periodenmarkierung wird aktualisiert7*"~winn ein "ScHFeibzeiger, der auf den nächsten verfügbaren Speicherplatz abzüglich einer kleinen Verzögerung zeigt, die Stelle überschreitet, auf welche die neue Periodenmarkierung zeigen wird. Die Periodenmarkierungen werden vom Digitalprozessor 180 zur Erzeugung der Harmonietöne verwendet, wie weiter unten beschrieben wird.

Die Ergebnisse der Tonhöhenerkennungsroutine 188, d. h. ein Signal für die Tonhöhe des im ersten Puffer 122 gespeicherten Eingangsvokalsignals, werden dem Mikroprozessor 138 zugeführt. Im ROM 140 des Mikroprozessors befindet sich eine Nachschlagetabelle, welche die Tonhöhe eines Eingangsvokalsignals zu einem MIDI-Ton in Beziehung setzt. In dem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jedem MIDI-Ton eine Zahl zwischen 0 und 127 zugeordnet. Zum Beispiel entspricht der Ton A von 440 Hz der MIDI-Tonzahl 69. Wenn ein Eingangssignal nicht die exakte Tonhöhe aufweist, dann kann der Ton entweder auf den nächsten MIDI-Ton gerundet oder es kann ihm eine gebrochene Zahl zugeordnet werden. Zum Beispiel kann einem Ton, der gegenüber A 440 Hz leicht erniedrigt ist, durch den Mikroprozessor eine Zahl von beispielsweise 68,887 zugeordnet werden.

Sobald der Mikroprozessor dem Eingangsvokalsignal einen Ton zugeordnet hat, bestimmt der Mikroprozessor, welche Harmonietöne zu erzeugen sind. Die jeweils erzeugten Harmonietöne können individuell vom Anwender programmiert oder nach einer oder mehreren vordefinierten Harmonie-"Regeln" ausgewählt werden. Zum Beispiel kann ein Anwender den Mikroprozessor so programmieren, daß er vier Harmonietöne erzeugt, die um eine Terz über dem Eingangston, eine Quinte über dem Eingangston, eine Septime über dem Eingangston und eine Terz unter dem Eingangston liegen. Als Alternative kann der Anwender eine Regel wählen, wie z. B. eine "Akkordharmonieregel", die stets Harmonietöne erzeugt, die Akkordtöne über und unter der Eingangsmelodielinie sind. Wie man erkennen wird, gibt der Anwender für die Benutzung einer Regel, wie z. B. der Akkordharmonieregel,

die zu singenden Akkorde ein und läßt dadurch den Mikroprozessor die richtigen Akkordtöne bestimmen. Die vordefinierten Harmonieregeln sind im ROM 140 gespeichert und werden vom Anwender mit den Eingabesteuerungen 148 gesteuert.

Eine andere Möglichkeit zur Auswahl der zu erzeugenden Harmonietöne ist die Verwendung des MIDI-Kanals 154. Unter Verwendung des Kanals kann der Mikroprozessor eine Anzeige empfangen, welche Harmonietöne von einer externen Quelle zu erzeugen sind. Diese Töne können von einem Synthesizer, einem Sequenzer oder irgendeinem anderen MIDI-kompatiblen Gerät empfangen werden. Der Effektgenerator 100 verschiebt das Eingangvokal signal auf eine Tonhöhe, die gleich der Tonhöhe der empfangenen Harmonietöne ist. Als Alternative können die Anweisungen, welche Harmonietöne zu erzeugen sind, in einem Computer oder als Teilcode auf einer Laserplatte gespeichert werden. Die Laserplatte kann mit einer Karaoke-Anlage oder einer anderen unterhaltungselektronischen Anlage betrieben werden, so daß, wenn ein Anwender die Worte eines Karaoke-Liedes singt, die Karaoke-Anlage an den Musikeffektgenerator 100 eine Anzeige übermittelt, welche Harmonietöne zu erzeugen sind.

Sobald die Harmonietöne bestimmt worden sind, führt der Digitalsignalprozessor 180 ein Wiederabtastungs-Unterprogramm 192 aus, welches das im Speicherpuffer 122 gespeicherte Eingangsvokalsignal mit einer Rate wiederabtastet, die durch die Stellung der Geschlechtsverschiebungs-Steuerungen 156 festgelegt wird. Die wiederabgetasteten Daten werden in zwei Speicherpuffern 128 gespeichert, die mit jeder Geschlechtsverschiebungs-Steuerung verbunden sind. Durch Abtasten mit einer niedrigeren Rate wird die Klangfarbe der Harmonietöne weiblieher. Wenn andernfalls die Abtastrate erhöht wird, dann klingen die Harmonietöne männlicher.

Fig. 4A zeigt, wie die gespeicherten Eingangsvokaldaten durch den Digitalsignalprozessor abgetastet werden, um die spektrale Hüllkurve zu komprimieren und das Eingangsvokalsignal männlicher klingen zu lassen. Das analoge Eingangsvokalsignal 105 wird durch den A/D-Wandler 118 in mehreren gleichen Zeitintervallen 0, 1, 2, 3, ..., 11 abgetastet. Jede Abtastung hat einen entsprechenden Wert a, b, c, ..., 1. Die Abtastwerte

werden im Speicherpuffer 122 sequentiell als Elemente eines Kreisfeldes gespeichert. Das Kreisfeld weist einen Schreibzeiger (wp) auf, der stets auf den nächsten verfügbaren Speicherplatz zeigt, der mit neuen Abtastwerten aufzufüllen ist. Außerdem berechnet der Digitalsignalprozessor auch die letzte Periodenmarkierung (pm) 122b, welche anzeigt, wo im Speicherpuffer eine neue Schwingungsperiode des Eingangsvokalsignals beginnt. Wie man erkennen wird, definiert die Anzahl der Abtastwerte zwischen der letzten Periodenmarkierung 122b und einer vorhergehenden Periodenmarkierung 122a eine Schwingungsperiode des Eingangsvokalsignals.

Um den spektralen Inhalt des Eingangsvokalsignals zu komprimieren, wird das gespeicherte Signal wiederabgetastet und in einem der beiden Speicherpuffer 128 (dargestellt in Fig. 3) mit einer etwas höheren Rate als bei der ursprünglichen Abtastung gespeichert. Die Abtastrate wird durch Einstellen der Geschlechtsverschiebungs-Steuerungen 156 festgelegt. Bei dem in Fig. 4A gezeigten Beispiel wird das Eingangsvokalsignal um 2 5 Prozent verlangsamt. Dies wird erreicht, indem die im Speicherpuffer 122 gespeicherten Daten innerhalb einer Zeitspanne, die gleich dem 0,75-fachen der ursprünglichen Abtastperiode ist, wiederabgetastet werden. Zum Beispiel werden die Abtastwerte a¹, b¹, c¹, d', ... zu den Zeitpunkten 0; 0,75; 1,5; 2,25 usw. erfaßt und im zweiten Speicherpuffer 128 gespeichert.

Zur Berechnung der Datenwerte in Zeitpunkten zwischen den Abtastwerten, die im ersten Speicherpuffer 122 gespeichert sind, wird ein Interpolationsverfahren benutzt. In dem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine lineare Interpolation verwendet. Um beispielsweise die Daten für einen Abtastwert zum Zeitpunkt 0,75 einzusetzen, liest der Digitalsignalprozessor den zum Zeitpunkt 1 erhaltenen Abtastwert aus dem Speicherpuffer 122, multipliziert ihn mit 0,75 und addiert das 0,25-fache des Abtastwertes, der zum Zeitpunkt 0 gewonnen wurde. Bei dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zwar die lineare Interpolation verwendet, es könnten aber andere, genauere Interpolationsverfahren benutzt werden, wie z. B. Spline-Kurven, vorausgesetzt,

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daß im Digitalsignalprozessor 180 eine ausreichende Rechenleistung vorhanden ist.

Sobald die Daten wiederabgetastet und im zweiten Speicherpuffer 128 gespeichert worden sind, berechnet der Digital-Signalprozessor eine Periodenmarkierung 128b so, daß sie auf den Speicherplatz im Speicherpuffer 128 zeigt, wo eine neue Schwingungsperiode des wiederabgetasteten Eingangsvokalsignals beginnt. Die Periodenmarkierung 128b wird berechnet, indem die Periodenmarkierung 122b mit der prozentualen Änderung der Abtastrate multipliziert wird. So wird die neue Periodenmarkierung 128b durch Multiplizieren der Periodenmarkierung 122b mit 1,33 (1/0,75) und Addieren des Ergebnisses zur vorhergehenden Periodenmarkierung 128a im zweiten Speicherpuffer 128 berechnet. Wie durch einen Vergleich der beiden in Fig. 4A dargestellten Speicherpuffer 122 und 128 zu erkennen ist, wird durch eine Erhöhung der Abtastrate des Eingangsvokalsignals die Gesamtzahl der Abtastwerte erhöht, die zum Halten einer vollen Schwingungsperiode des Eingangsvokalsignals erforderlich sind. Beispielsweise ist die Anzahl der Abtastwerte zwisehen den beiden Periodenmarkierungen 122a und 122b im Speicherpuffer 122 gleich zwölf. Durch Erhöhen der Abtastrate um 33 Prozent erhöht sich die Anzahl der Abtastwerte, die zum Halten einer gesamten Schwingungsperiode des Eingangsvokalsignals erforderlich sind, d. h. die Anzahl der Abtastwerte zwisehen den Periodenmarkierungen 128a und 128b, auf 16.

Fig. 4B zeigt, wie das Eingangsvokalsignal durch den Digitalsignalprozessor mit einer Rate wiederabgetastet wird, die niedriger ist als die Rate, mit der das Eingangsvokalsignal ursprünglich durch den A/D-Wandler 118 abgetastet und im Speicherpuffer 122 gespeichert wurde. Wiederum wird das analoge Eingangsvokalsignal 105 in mehreren gleichen Zeitintervallen 0, 1, 2, 3, ..., 11 abgetastet. Jede Abtastung hat einen entsprechenden Wert a, b, c, ..., 1, der im ersten Speicherpuffer 122 gespeichert wird. Die Periodenmarkierung 122b wird so berechnet, daß sie auf den Speicherplatz zeigt, der den Anfang einer neuen Schwingungsperiode im Eingangsvokalsignal markiert.

In Fig. 4B ist eine Verlängerung der Abtastperiode um 25 Prozent dargestellt. Daher wird das Eingangsvokalsignal zu den Zeitpunkten 0; 1,2"5"JT 2, 5; 3,75iöJüwv", multipliziert mit dem ursprünglichen Abtastintervall, wiederabgetastet. Jede Abtastung hat einen neuen Wert a', b', c', ..., i'. Wenn das Abtastintervall nicht genau mit einem Intervall der früher gespeicherten Abtastwerte zusammenfällt, wird eine Interpolation benutzt, um einen Wert für die wiederabgetasteten Daten zu bestimmen. Um beispielsweise den Wert für eine Abtastung d^! zum Zeitpunkt 3,75 zu berechnen, berechnet der Digitalsignalprozessor die Summe aus dem 0,75-fachen des Abtastwertes, der zum Zeitpunkt 4 gewonnen wurde, und dem 0,25-fachen des Abtastwertes, der zum Zeitpunkt 3 gewonnen wurde, usw..

Wiederum führt der Digitalsignalprozessor, sobald die Daten wiederabgetastet und im zweiten Speicherpuffer 128 gespeichert worden sind, auf die oben beschriebene Weise eine Neuberechnung der letzten Periodenmarkierung 128b für die wiederabgetasteten Daten aus. Wie aus Fig. 4B erkennbar, ist die Anzahl der Abtastwerte zwischen den Periodenmarkierungen 122a und 122b des ursprünglichen Eingangsvokalsignals gleich 12. Wenn die Abtastperiode um 25 Prozent verlängert wird, existieren zwischen den Periodenmarkierungen 128a und 128b nur 9,6 Abtastwerte. Daher hat sich die Gesamtzahl der Abtastwerte, die zum Speichern einer vollständigen Schwingungsperiode des Einangsvokalsignals erforderlich sind, um 20 Prozent verringert.

In dem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Anwender die Abtastrate um +/- 33 % erhöhen oder verringern. Es könnte eine größere oder kleinere Ver-Schiebung der Wiederabtastung erreicht werden. Für Vokalanwendungen ist jedoch festgestellt worden, daß man die am realistischsten klingenden Klangfarbenverschiebungen erhält, wenn die Abtastrate auf einen Bereich zwischen -18 und +18 % eingestellt wird.

Sobald ein Eingangsvokalsignal mit einer durch die Geschlechtsverschiebungs-Steuerungen angezeigten Rate wiederabgetastet und in den Datenpuffern 128 gespeichert worden ist, führt der Digitalsignalprozessor 180 eine Neuberechnung der

Periode der wiederabgetasteten Daten aus. Zum Beispiel kann der Anwender einen Ton A bei 440 Hz singen, der eine Periode von 2,27 Millisekunde^~^rXTÖ9 Abtastwerte bei 48 kHz) hat, und eine der Geschlechtssteuerungen auf +10% eingestellt haben. Bei der Wiederabtastung mit der neuen Rate beträgt die Periode des wiederabgetasteten Vokalsignals 2,043 Millisekunden (98 Abtastwerte bei 48 kHz) . Diese neue Periode wird von einer Fenstererzeugungsroutine 196 verwendet und an eine Tonhöhenverschiebungsroutine 200 übergeben (dargestellt in Fig. 3), die vom Digitalsignalprozessor zur Erzeugung der Harmonietöne ausgeführt werden.

Wie aus Fig. 7 erkennbar, arbeitet die Tonhöhenverschiebungsroutine so, daß sie einen Teil des wiederabgetasteten Eingangsvokalsignals 400, das im Speicherpuffer gespeichert ist, mit einer Fensterfunktion 402 skaliert, um die Größe der Abtastwerte am Beginn und am Ende des Teils zu verringern und den Wert der Abtastwerte in der Mitte des Abschnitts beizubehalten. Die Fensterfunktion 402 ist eine stetige, glockenförmige Funktion, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Hamming-Fenster ist. Das Ergebnis einer punktweisen Multiplikation der Fensterfunktion 402 mit dem Teil des wiederabgetasteten Vokalsignals 400 ist ein Signalsegment 406. Wie zu erkennen ist, enthält das wiederabgetastete Vokalsignal 400 eine Reihe von Peaks 401a, 401b, 401c usw. Das Signalsegment 406 enthält eine volle Schwingungsperiode (d. h. einen Peak) der wiederabgetasteten Daten, weist aber einen Anfang und ein Ende von relativ geringer Amplitude auf.

Wie aus Fig. 7B erkennbar, wird ein Harmonieton 408 erzeugt, indem eine Reihe von Signalsegmenten 406a, 406b, 406c und 406d miteinander verkettet bzw. aneinandergefügt werden. Durch einen Vergleich des Harmonietons 408 mit dem wiederabgetasteten Vokalsignal 400 (dargestellt in Fig. 7A) ist erkennbar, daß der Harmonieton im Vergleich zu den wiederabgetasteten Daten die halbe Anzahl von Peaks 408a, 408b, 408c aufweist. Daher liegt der Harmonieton 408 um eine Oktave niedriger als das wiederabgetastete Vokalsignal. Wie sich erkennen läßt, ist die Tonhöhe des zu erzeugenden Harmonietons von der

Rate abhängig, mit der die Signalsegmente, die man durch Skalieren des wiederabgetasteten Vokalsignals durch die Fensterfunktion erhält, aneinandergefügt werden. Wie in dem Patent
231 671 und in dem Artikel von Lent beschrieben, erfordert die Tonhöhenverschiebung eines Tons auf einen höheren Wert als eine Oktave unter der ursprünglichen Tonhöhe, daß einander überlappende Signalsegmente zusammengefügt werden. Wie man erkennen wird, ist der Grund für die Verringerung der Amplitude der Abtastwerte am Anfang und am Ende des Signalsegments, daß große Schwankungen in dem Harmonieton als Ergebnis des Aneinanderfügens überlappender Signalsegmente verhindert werden sollen.

Fig. 8A und 8B zeigen, wie der Digitalsignalprozessor die Hamming-Fenster berechnet, die beim Erzeugen der Harmonietöne verwendet werden. Die oben beschriebene Fenstererzeugungsroutine 196 speichert mathematische Darstellungen von vier Hamming-Fenstern in vier Speicherpuffern 134a, 134b, 134c und 134d (Fig. 5) . Jeder Speicherpuffer 134a, 134b, 134c und 134d ist mit einem von vier Harmoniegeneratoren 220, 230, 240 und 250 verbunden (Fig. 5) . Im ROM 140 befindet sich ein Speicherpuffer 141, der ein Standard-Hamming-Fenster in 256 Speicherplätzen speichert. Die in dem Puffer gespeicherten Werte der Daten a, b, c, d usw. werden nach der überhöhten Kosinusformel berechnet:

(1 - cos(2tfX/256) )

wobei &khgr; jeden im Puffer gespeicherten Abtastwert darstellt. Zum Erzeugen einer Fensterfunktion innerhalb eines der Speicherpuffer 134, die zur Erzeugung der Harmonietöne verwendet wird, wird zunächst die Länge des Fensters bestimmt, und dann wird das Fenster mit neuen Datenpunkten a¹, b¹, c¹ usw. gefüllt, indem die Werte des in dem Speicherpuffer 141 gespeicherten Hamming-Fensters interpoliert werden.

Fig. 8B zeigt ein Ablauf diagramm der Schritte, die durch die Fenstererzeugungsroutine 196 (Fig. 3) ausgeführt werden. Beginnend mit dem Schritt 420 wird ermittelt, welches wiederabgetastete Eingangsvokalsignal zur Erzeugung des Harmonietons zu verwenden ist. Zum Beispiel nehmen wir an, daß ein Anwender die Geschlechtssteuerungen auf +10% und -10% einge-

stellt hat. Bei Verwendung des Musikeffekts 100 wählt der Anwender aus, welches wiederabgetastete Eingangsvokalsignal zur Erzeugung eines Harmonietons verwendet wird. Der Anwender kann spezifizieren, daß das Eingangsvokalsignal, welches mit einer Rate von +10% wiederabgetastet wird, zur Erzeugung eines ersten Harmonietons verwendet wird, und daß das mit einer Rate von -10% wiederabgetastete Eingangsvokalsignal zur Erzeugung der anderen Harmonietöne verwendet wird, usw. Sobald der Digitalsignalprozessor ermittelt hat, welches wiederabgetastete Eingangsvokalsignal bei der Erzeugung der Harmonietöne verwendet werden soll, wird im Schritt 422 die Länge der Fensterfunktion anfänglich auf die doppelte Periode des dazugehörigen wiederabgetasteten Eingangssignals (ausgedrückt in Abtastwerten) eingestellt. Als nächstes wird im Schritt 424 die Tonhöhe des zu erzeugenden Harmonietons mit der Tonhöhe des wiederabgetasteten Eingangssignals verglichen. Ist die Tonhöhe des Harmonietons höher als die Tonhöhe des wiederabgetasteten Eingangstons, dann geht der Digitalsignalprozessor zum Schritt 426 über. Im Schritt 426 ermittelt der Digitalsignalprozessor die Anzahl der Halbtöne (x), um die der Harmonieton über einem positiven Schwellwert liegt. In dem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der positive Schwellwert auf null Halbtöne eingestellt. Im Schritt 428 wird die Länge des Speicherpuffers, der das zur Erzeugung des Harmonietons verwendete Hamming-Fenster speichert, durch Multiplizieren der im Schritt 422 berechneten Länge mit den Ergebnissen der Formel

₂-X/12

reduziert, wobei &khgr; die Anzahl der Halbtöne ist, um welche der Harmonieton über dem positiven Schwellwert liegt. Wenn z. B. der Harmonieton fünf Halbtöne über dem Schwellwert liegt, dann wird die Länge des Speicherpuffers um einen Faktor von 0,75 reduziert.

Wenn die Tonhöhe des zu erzeugenden Harmonietons unter der Tonhöhe des wiederabgetasteten Eingangstons liegt, dann kann die Länge des Fensters erweitert werden. Im Schritt 430 bestimmt der Digitalsignalprozessor die Anzahl der Halbtöne

(x) , um welche der Harmonieton unter einem negativen Schwell-

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wert liegt. Im gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbexspiel liegt der negative Schwellwert 24 Halbtöne unter der Tonhöhe des Eingangstons. Wenn der Harmonieton unter dem Schwellwert liegt, wird die Länge des Speicherpuffers, der die Fensterfunktion hält, um einen Betrag vergrößert, der gleich den Ergebnissen der Formel

2+X/12

ist, wobei &khgr; die Anzahl der Halbtöne unter dem Schwellwert ist. Wenn beispielsweise der zu erzeugende Harmonieton 29 Halbtöne unter dem Eingangston liegt, dann ist &khgr; = 5, und die Länge des Speicherpuffers, der die Fensterfunktion hält, wird um einen Faktor von 1,33 erhöht.

Im Schritt 434 wird ermittelt, ob die Länge der Fensterfunktion um einen Betrag erhöht worden ist, der größer ist als der zum Speichern der Fensterfunktion verfügbare Speicherumfang. Wenn ja, dann wird die Länge der Fensterfunktion auf den maximalen Speicherumfang eingestellt, der zum Speichern der Fensterfunktion verfügbar ist.

Wenn der zu erzeugende Harmonieton nicht unter dem negativen Schwellwert liegt, dann bleibt die Länge der Fensterfunktion die gleiche wie im Schritt 422 berechnet.

Nach dem Berechnen der Länge des Speicherpuffers, der die Fensterfunktion hält, wird der Speicherpuffer 134 mit den Werten der Fensterdaten gefüllt. Dies wird ausgeführt, indem im Schritt 438 ein Verhältnis der Länge des Puffers 141 (die derzeit gleich 256 ist) zu der in den Schritten 428 oder 432 ermittelten Länge des Puffers bestimmt wird. Dieses Verhältnis wird im Schritt 440 zur Interpolation der Fensterdaten verwendet. Wenn z. B. der neue Puffer eine Länge von 284 Abtastwerten hat, dann wird der Puffer 134 vervollständigt, indem die Daten in den Punkten 0; 0,9; 1,8; 2,7 auf die gleiche Weise interpoliert werden, wie das Eingangsvokalsignal wiederabgetastet wird, wie in Fig. 4A, 4B dargestellt und weiter oben beschrieben.

Ein Anwender kann auch ein Lautstärkeverhältnis für jeden erzeugten Harmonieton spezifizieren. Dieses Lautstärkeverhältnis beeinflußt die Amplitude der im Speicherpuffer 134 gespeicherten Abtastwerte. Wenn der Anwender die volle Laut-

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stärke für die Harmonietöne wünscht, wird das Verhältnis auf eins gesetzt. Wünscht der Anwender die halbe Lautstärke, dann wird das Verhältnis auf 0,5 gesetzt. Das Lautstärkeverhältnis wird im Schritt 440 bestimmt, und im Schritt 442 wird jeder Wert in den Speicherpuffern 134 mit dem Lautstärkeverhältnis multipliziert.

Indem wir uns wieder Fig. 3 zuwenden, erkennen wir, daß der Ausgabewert der Tonhöhenverschiebungsroutine einem Summationsblock 210 zugeführt wird, wo der Ausgabewert zu dem im Speicherpuffer 122 gespeicherten trockenen Tonsignal addiert wird. Die Kombination aus dem trockenen Tonsignal und Harmoniesignalen wird einem Digital-Analog-Wandler 215 zugeführt, der ein mehrstimmiges Analogsignal erzeugt, das die Kombination aus dem Eingangston und den Harmonietönen ist. Wie in dem Patent '671 beschrieben, werden die Ausgangsharmonietöne nicht erzeugt, wenn die Tonhöhenerkennungsroutine feststellt, daß ein Anwender einen Zischlaut gesungen hat. Zischlaute sind Laute wie "s", "ch", "sh" usw. Damit die Harmonietöne realistisch klingen, wird die Tonhöhe dieser Signale nicht verschoben. Wenn die Tonhöhenerkennungsroutine feststellt, daß der Anwender einen Zischlaut gesungen hat, dann stellt der Mikroprozessor alle zu erzeugenden Harmonien auf die gleiche Tonhöhe wie das Eingangsvokalsignal ein. Folglich haben die Harmonietöne alle die gleiche Tonhöhe wie das Eingangsvokalsignal, klingen aber wegen der Klangfarbenverschiebung, die infolge der kombinierten Operation aus Wiederabtastung und Ausführung der Tonhöhenverschiebungsroutine 200 auftritt, ein wenig anders als das Eingangssignal.

Um natürlicher klingende Harmonien zu erzeugen, als man unter Anwendung bekannter Tonhöhenverschiebungsverfahren erhalten könnte, bildet die vorliegende Erfindung einen Teil des wiederabgetasteten Eingangsvokalsignals nach, das als Ergebnis der Wiederabtastung bereits in der Tonhöhe und in der Klangfarbe verschoben ist. Aus Fig. 5 ist erkennbar, daß die vom Digitalsignalprozessor 180 ausgeführte Tonhöhenverschiebungsroutine 200 unter Verwendung der Reihe von Harmoniegeneratoren 220, 230, 240 und 250 ausgeführt wird. Jeder Harmoniegenerator erzeugt einen Harmonieton, der mit dem im Speicher-

puffer 122 gespeicherten trockenen Tonsignal gemischt wird. Die zu erzeugenden Harmonietöne werden dem Digitalsignalprozessor auf einer Zuleitung 162 zugeführt und in einer Nachschlagetabelle 2 60 gespeichert. Die Nachschlagetabelle innerhalb des Digitalsignalprozessors dient zur Bestimmung der Grundfrequenz für jeden der Harmonietöne.

Jeder Harmoniegenerator innerhalb des Digitalsignalprozessors erzeugt einen der in der Nachschlagetabelle 260 gespeicherten Harmonietöne. Wie oben beschrieben, skalieren die Harmoniegeneratoren eines der wiederabgetasteten Eingangsvokalsignale mit dem Hamming-Fenster, das in dem mit dem Harmoniegenerator verbundenen Speicherpuffer 134a, 134b, 134c oder 134d gespeichert ist, mit einer Rate, die gleich der Grundfrequenz des zu erzeugenden Harmonietons ist.

Das trockene Tonsignal und das Ausgangssignal jedes der Harmoniegeneratoren 220, 230, 240 und 250 werden dem Summationsblock 210 zugeführt, der die Signale zwischen linken und rechten Kanälen aufteilt. Zum Beispiel wird das Ausgangssignal des Harmoniegenerators 220 einem Mischer 224 zugeführt. Der Mischer gestattet dem Anwender, die erzeugte Harmonie entweder zu einem linken oder zu einem rechten Tonkanal oder zu einer Mischung aus dem linken und dem rechten Tonkanal zu lenken. Auf ähnliche Weise werden die Ausgangssignale der Harmoniegeneratoren 230, 240 und 250 entsprechenden Mischern 234, 244 und 254 zugeführt. Jeder der Mischer speist einen Summationsblock 270, der alle Harmoniesignale für den linken Kanal kombiniert. Entsprechend speist jeder der Mischer 224, 234, 244 und 254 einen Summationsblock 272, der alle Harmoniesignale für den rechten Tonkanal kombiniert.

Der Digitalsignalprozessor liest außerdem das trockene Tonsignal aus dem Speicherpuffer 122 aus und legt es an einen Mischer 284 an, der vom Anwender so betrieben werden kann, daß er das trockene Tonsignal zu irgendeiner Kombination aus dem linken und/oder rechten Tonkanal lenkt.

Der Digitalsignalprozessor 180 ist zwar mit vier Harmoniegeneratoren dargestellt, aber der Fachmann wird erkennen, daß je nach dem verfügbaren Speicherplatz und der Verarbei-

tungsgeschwindigkeit des Digitalsignalprozessors mehr oder weniger Harmoniegeneratoren bereitgestellt werden könnten.

In Fig. 6 sind die Details der Funktionen dargestellt, die von jedem der Harmoniegeneratoren ausgeführt werden. Jeder der Harmoniegeneratorea^sehließt meJxcexe Fenstertongeneratoren 300, 310, 320 und 3 30 ein. Jeder Fenstertongenerator arbeitet so, daß er das wiederabgetastete Eingangsvokalsignal gemäß der obigen Beschreibung durch das Hamming-Fenster skaliert. Ein Zeitgeber 340 innerhalb des Fenstertongenerators wird mit einem Wert gespeist, der gleich der Grundfrequenz des zu erzeugenden Harmonietons ist. Die Grundfrequenz wird aus der Nachschlagetabelle 260 (in Fig. 5 dargestellt) ermittelt, welche jeden Harmonieton in Beziehung zu seiner entsprechenden Grundfrequenz setzt. Wenn der Zeitgeber 340 auf null zurückzählt, wird ein Signal an einen Fenstertongenerator-Zuordnungsblock 350 übermittelt, der nach einem der Fenstertongeneratoren 300, 310, 320 oder 330 sucht, um den Skalierungsprozeß zu beginnen. Wenn beispielsweise der Fenstertongenerator 3 00 nicht in Gebrauch ist, dann wird ein Puff er zeiger 302 zuerst mit dem Wert der Periodenmarkierung geladen, der die Stelle im Pufferspeicher 128 markiert, wo eine vollständige Schwingungsperiode des wiederabgetasteten Eingangsvokalsignals anfängt, das bei der Erzeugung des Harmoniesignals verwendet werden soll. Als nächstes wird ein Fensterzeiger 304 mit einem Zeiger auf den Anfang des mit dem Harmoniegenerator verbundenen Speicherpuffers 134a, 134b, 134c oder 134d geladen (Fig. 5) . Schließlich wird ein Zähler 306 mit der Anzahl der Abtastwerte geladen, die zum Speichern der ausgewählten Fensterfunktion verwendet werden. Die Anzahl der Abtastwerte in der Fensterfunktion wird durch den Digitalsignalprozessor in die Harmoniegeneratoren eingespeist und in einem Speicherplatz 370 zur Verwendung durch alle Fenstertongeneratoren gespeichert.

Nach dem Initialisieren des Pufferzeigers 302, des Fensterzeigers 3 04 und des Zählers 3 06 beginnt dann der Fenstertongenerator eine punktweise Multiplikation des im zugehörigen Speicherpuffer 128 gespeicherten Eingangsvokalsignals mit dem im zugehörigen Speicherpuffer gespeicherten Hamming-Fenster. Das Ergebnis der Multiplikation wird einem Summationsblock 372

zugeführt, der die Ausgabesignale von allen Fenstertongeneratoren 300, 310, 320 und 330 addiert. Nach Beendigung der Multiplikation werden die Zeiger 302 und 304 weitergesetzt und der Zähler 3 08 wird dekrementiert.: Wenn der Zähler 3 06 null erreicht und alle Multiplikationen ausgeführt worden sind, signalisiert der Fenstertongenerator dem Fenstertongenerator-Zuordnungsblock 350, daß er wieder zur Verwendung verfügbar ist. Die Fenstertongeneratoren 310, 320 und 33 0 arbeiten auf die gleiche Weise wie der Fenstertongenerator 300.

Der Zeitgeber 340, die im Speicherplatz 262 gespeicherten Periodenmarkierungen (Fig. 5) , die im Speicherplatz 370 gespeicherte Punktezahl in der Fensterfunktion und die in den Speicherplätzen 134 gespeicherten Hamming-Fenster werden sämtlich dynamisch aktualisiert, während der Anwender der andere Töne in das Mikrofon singt.

Wie oben beschrieben, wird für Harmonietöne mit einer Tonhöhe unter der Tonhöhe des Eingangsvokalsignals das Hamming-Fenster so berechnet, daß seine Länge mindestens gleich der doppelten Periode des Eingangssignals ist, das zur Erzeugung des Harmoniesignals verwendet wird. Daher wird zur Erzeugung eines Harmoniesignals, das eine Oktave tiefer als das Eingangsvokalsignal liegt, nur ein Fenstertongenerator benötigt. Um jedoch Harmonietöne mit einer höheren Tonhöhe als derjenigen des Eingangsvokaltons zu erzeugen, wird die Länge des Hamming-Fensters verkürzt. Daher sind zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das über der Tonhöhe des wiederabgetasteten Eingangsvokalsignals liegt, nur zwei Fenstertongeneratoren erforderlich.

Der oben beschriebene Musikeffektgenerator wendet auf einen tonhöhenverschobenen Ton einen festen Klangfarbenverschiebungsgrad an. Es ist jedoch möglich, den Klangfarbenverschiebungsgrad zu variieren, um die Wirklichkeitsnähe eines digital verarbeiteten Tons weiter zu verbessern.

Wie oben angedeutet, kann der erfindungsgemäße Musikeffektgenerator zusammen mit einer Karaoke-Anlage mit zuvor aufgezeichneter Melodie- und/oder Harmoniespur eingesetzt werden. Als Alternative können die Melodie- oder Harmonietöne von einem Keyboard oder von einem Computer empfangen werden. Typi-

scherweise werden die vorher aufgezeichneten Melodie- oder Harmonietöne über einen MIDI-Kanal zum Effektgenerator übertragen. Wenn nur eine Harmoniestimme erzeugt wird, dann kann der Effektgenerator die gewünschten Harmonietöne aus dem MIDI-Anschluß auslesen, den auf einen Ton anzuwendenden Klangfarbenverschiebungsgrad nachschlagen und den Harmonieton durch Nachbildung von Teilen des wiederabgetasteten Eingangstons auf die früher beschriebene Weise erzeugen. Wenn jedoch mehr als eine Harmoniestimme erzeugt werden soll, dann ist es gewöhnlieh erforderlich, die Töne für jede Stimme auf ihren eigenen MIDI-Kanal zu übertragen.

In den meisten Fällen verfügt das MIDI-Steuergerät, das die Harmonietöne liefert, nicht über genügend freie Kanäle, um für jede Stimme einen freien Kanal benutzen zu können. Ein einzelner MIDI-Kanal könnte benutzt werden, um jeden zu erzeugenden Melodie- oder Harmonieton zu definieren. Es gibt jedoch kein praktisches Verfahren, den Effektgenerator darüber zu informieren, wie stark die Klangfarbe eines individuellen Melodie- oder Harmonietons verschoben werden sollte. Vorstellbar wäre möglicherweise, die MIDI-Datei, welche die Harmonie- oder Melodietöne beschreibt, mit einer jedem Ton vorausgehenden MIDI-Meldung zu codieren, die definiert, wie stark die Klangfarbe verschoben werden soll. Eine solche Datei wäre jedoch schwer zu konstruieren und könnte nicht in Echtzeit konstruiert werden, wenn die Melodie-/Harmonietöne während des Gesanges des Anwenders durch ein Keyboard codiert würden. Daher wird ein Effektgenerator benötigt, der die Melodie- oder Harmonietöne auf einem einzigen MIDI-Kanal empfangen und den Tönen, welche die verschiedenen Stimmen bilden, unterschiedliche Klangfarbenverschiebungsgrade zuordnen kann.

Ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 9A dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden alle Melodie- oder Harmonietöne, die ein gegebenes Lied begleiten sollen, auf einem einzigen MIDI-Kanal codiert. Der Effektgenerator ist so programmiert, daß er die Töne liest und den Tönen in Echtzeit dynamisch den Klangfarbenverschiebungsgrad zuordnet. Die zur Realisierung dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung benötigte Hardware ist die

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gleiche, wie in Fig. 3 dargestellt und oben beschrieben. Der Digitalsignalprozessor 180 ist jedoch ein wenig anders programmiert .

Der Effektgenerator 500 empfängt einen Strom von MeIodie- oder Harmonietönen auf einem einzigen MIDI-Kanal 505 von einer MIDI-Karaoke-Anlage, einem Keyboard oder einem Computersystem, während der Anwender singt. Die Melodie- oder Harmonietöne werden durch den Digitalsignalprozessor gelesen, und im Verarbeitungsblock 515 wird ihnen automatisch ein Klangfarbenverschiebungsgrad zugeordnet. Der automatische Klangfarbenzuordnungsblock 515 wird implementiert, indem der Digitalsignalprozessor so programmiert wird, daß die Tonhöhe des zu erzeugenden Melodie- oder Harmonietons mit einem oder mehreren Tonhöhenschwellwerten verglichen wird.

In Abhängigkeit von der Lage der Tonhöhe eines Melodieoder Harmonietons relativ zu den Schwellwerten wird die Klangfarbe des Tons entsprechend einer bestimmten vordefinierten oder vorprogrammierten Regel eingestellt. Wenn z. B. zwei Schwellwerte existieren, dann können Töne, deren Tonhöhe höher liegt als beide Schwellwerte, mit einer Rate von -10% wiederabgetastet werden, während Harmonietöne zwischen den Schwellwerten mit einer Rate von -2% und Harmonietöne, die tiefer als beide Schwellwerte liegen, mit einer Rate von +5% wiederabgetastet werden können, usw. Natürlich kann der Klangfarbenverschiebungsgrad für Töne über oder unter der einen oder den mehreren Tonhöhenschwellwerten der gleiche sein. Alternativ kann der Musikeffektgenerator so programmiert werden, daß auf die Töne keine Klangfarbenverschiebung angewandt wird. Der eine oder die mehreren Tonhöhenschwellwerte können vordefiniert oder für jedes Lied programmiert werden, indem der eine oder die mehreren Schwellwerttöne als MIDI-Meldungen am Anfang der MIDI-Datei eingefügt werden, die das Lied begleitet.

Als Alternative zum Vergleich der Tonhöhe der Melodieoder Harmonietöne mit einem Tonhöhenschwellwert kann der automatische Klangfarbenzuordnungsblock 515 implementiert werden, indem der Digitalsignalprozessor so programmiert wird, daß er die Tonhöhe des Harmonietons mit der Tonhöhe eines gewünschten Melodietons vergleicht, der in einer getrennten MIDI-Datei ge-

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speichert ist und auf dem MIDI-Kanal 510 zum Effektgenerator übertragen wird. Durch Lesen der gewünschten Melodietöne kann der Effektgenerator im voraus einen erwarteten Klangfarbenverschiebungsgrad ermitteln, der zur Erzeugung des Harmonietons erforderlich ist (angenommen, daß der Sänger annähernd richtig singt). Der Effektgenerator kann dann den Klangfarbenverschiebungsgrad für jeden Harmonieton in Abhängigkeit von dem erwarteten Tonhöhenverschiebungsgrad modifizieren.

Als weitere Alternative kann der automatische Klangfarbenzuordnungsblock 515 implementiert werden, indem der Digitalsignalprozessor so programmiert wird, daß er die Tonhöhe der Harmonietöne mit der Tonhöhe des Eingangsvokaltons vergleicht, um festzustellen, ob der Harmonieton über oder unter der Melodielinie liegt. Die Klangfarbe des Harmonietons kann in Abhängigkeit vom Tonhöhenunterschied zwischen der Tonhöhe des Harmonietons und derjenigen des Eingangsvokaltons modifiziert werden. Da die erzeugten Harmonietöne Klangfarben aufweisen, die von der des Eingangsvokaltons abweichen, klingen sie nicht wie tonhöhenverschobene Versionen des Eingangstons, wodurch, sich die Wirklichkeitsnähe des zusammengesetzten Klangs verbessert.

Ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Effektgenerators ist in Fig. 9B dargestellt. Hier wird die Klangfarbe eines Harmonietons nicht so modifiziert, daß sich die Harmoniestimmen von der Eingangsstimme unterscheiden, sondern so, daß die Stimmänderungen eines Sängers beim Singen von höheren oder tieferen Tönen nachgeahmt werden. Der Musikeffektgenerator 520 empfängt ein Eingangsvokalsignal von einem Sänger und analysiert das Signal, um seine Tonhöhe zu bestimmen. Der Effektgenerator empfängt auf einem MIDI-Kanal 53 0 einen Strom von gewünschten Melodie- oder Harmonietönen, welche die Tonhöhe anzeigen, auf die das Eingangsvokalsignal verschoben werden soll. Der Digitalsignalprozessor innerhalb des Effektgenerators ordnet einem zu erzeugenden Ton, wie er durch den Block 540 dargestellt wird, dynamisch einen Klangfarbenverschiebungsgrad zu. Vorzugsweise vergleicht der Digitalsignalprozessor die Tonhöhe des gewünschten Tons

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mit der Tonhöhe des Eingangsvokalsignals, um die Größe der Klangfarbenverschiebung auszuwählen, die auf den tonhöhenverschobenen Ausgangston angewandt werden soll. Zum Beispiel kann der Klangfarbenverschiebungsgrad linear mit der Tonhöhendifferenz zwischen dem Eingangsvokalsignal und dem gewünschten Harmonie- oder Melodieton variieren. Alternativ kann eine Stufenfunktion verwendet werden, wodurch sich die Klangfarbe nicht ändert, bis die Tonhöhe des gewünschten Tons von derjenigen des Eingangsvokalsignals um mehr als einen bestimmten, vorher festgesetzten Betrag abweicht. Sobald der Klangfarbenverschiebungsgrad bestimmt worden ist, wird das digitalisierte Eingangsvokalsignal wiederabgetastet, und der Ausgangston wird erzeugt, indem Teile des wiederabgetasteten Eingangstons mit einer Rate nachgebildet werden, die gleich der Grundfrequenz des gewünschten Ausgangstons ist, wie oben beschrieben.

Um eine realistische Klangfarbenverschiebung zu erreichen, welche die physikalischen Änderungen nachahmt, die im Stimmtrakt eines Sängers vor sich gehen, sollte für Töne mit höheren Tonhöhen als derjenigen des Eingangsvokaltons die Wiederabtastrate niedriger sein als die ursprüngliche Abtastrate. Umgekehrt sollte für Töne mit einer niedrigeren Tonhöhe als der des Eingangsvokaltons die Wiederabtastrate höher sein als die ursprüngliche Abtastrate. Als Alternative zur Änderung der Klangfarbe eines Tons auf der Basis des erforderlichen Tonhöhenverschiebungsgrades kann die Klangfarbe auch auf der Basis von Lautstärkeänderungen des Eingangsvokalsignals variiert werden. Der Digitalsignalprozessor analysiert die Größe bzw. Amplitude des digitalisierten Eingangsvokalsignals und wählt in Abhängigkeit von der Amplitude einen Klangfarbenverschiebungsgrad aus. Ferner könnte die Klangfarbe in Abhängigkeit von der Dauer des gesungenen Eingangsvokalsignals verändert werden. Sobald der Effektgenerator die Tonhöhe des Eingangsvokalsignals bestimmt hat, startet der Digitalsignalprozessor einen internen Zeitgeber, der die Zeitdauer verfolgt, über welche die Tonhöhe innerhalb bestimmter vordefinierter Grenzen bleibt. Der Klangfarbenverschiebungsgrad wird in Abhängigkeit von der Zeitdauer gewählt, die vom Zeitgeber registriert wird. Wie der Fachmann einschätzen wird, könnten viele verschiedene

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Kriterien zur Steuerung des auf den Ton anzuwendenden Klangfarbenverschiebungsgrades benutzt werden.

Bei Verwendung des in Fig. 9B dargestellten Effektgenerators klingt das zusammengesetzte Ausgangssignal realistischer, weil die Töne die Art der natürlichen Klangfarbenänderung des Tons in der Stimme eines Sängers bei Veränderung der Tonhöhe eines gesungenen Tons simulieren.

Die vorliegende Erfindung ist zwar im Bezug auf Vokalharmoniegeneratoren beschrieben worden, findet aber auch andere Anwendungen. Ein Beispiel ist ein Stimmenverzerrer bzw. Stimmenmaskierer, bei dem ein Anwender in ein Mikrofon spricht und ein Ausgangssignal mit einer anderen Klangfarbe und/oder Tonhöhe erzeugt wird. Wenn das Ausgangssignal eine Frequenz hätte, die eine Oktave tiefer liegt als das Eingangssignal, dann könnte ein Gerät gebaut werden, bei dem der beim Wiederabtasten von Daten verwendete Klangfarbenverschiebungsgrad fixiert ist und das nur einen Fenstertongenerator benötigt. Ein solches Gerät wäre für den Gesetzesvollzug brauchbar, um die Stimme von Zeugen unkenntlich zu machen, oder als Teil eines Anrufbeantworters, um die Stimme des Teilnehmers zu tarnen. Als Alternative könnte die vorliegende Erfindung von Rundfunksprechern benutzt werden, die ihre Stimme tiefer klingen lassen möchten. Außerdem läßt sich die vorliegende Erfindung bei Eingangstönen verwenden, die von Musikinstrumenten empfangen werden. Das Ergebnis der Klangfarbenverschiebung in Kombination mit einer Tonhöhenverschiebung läßt ein Instrument wie ein anderes klingen.

Außerdem verwendet das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung zunächst die Tonhöhenverschiebung mittels Wiederabtastung, gefolgt von der Tonhöhenverschiebung nach dem Lent-Verfahren. Man wird erkennen, daß auch der umgekehrte Prozeß angewandt werden könnte, wodurch die unter Verwendung des Lent-Verfahrens erzeugten Ausgangssignale in einem Speicherpuffer gespeichert und mit einer neuen Rate wiederabgetastet werden, um die Tonhöhe weiter zu verschieben. Jedes der Verfahren, das von Lent und die Tonhöhenverschiebung durch Wiederabtastung, arbeiten auf die früher beschriebene Weise. Beim Ausführen der Schritte in umgekehrter Reihenfolge sind

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zwei wichtige Punkte zu bedenken. Erstens steuert das Ausgangssignal des Tonhöhenschiebers, der nach dem Lent-Verfahren arbeitet, nicht mehr direkt die Grundfrequenz des Gesamtausgangssignals. Daher muß die als Ergebnis der Wiederabtastung auftretende Tonhöhenverschiebung kompensiert werden. Wenn z. B. die Klangfarbenverschiebungssteuerung so eingestellt wurde, daß die Stimme eines Sängers weiblicher klingt, dann könnte der Wiederabtastungs-Tonhöhenschieber die Tonhöhe um beispielsweise 12% nach oben verstellen. Wenn die Erzeugung eines klangfarbenverschobenen Ausgangssignals bei einer Frequenz von 440 Hz gewünscht würde, dann müßte der nach dem Lent-Verfahren arbeitende Tonhöhenschieber so eingestellt werden, daß er ein Signal mit einer Grundfrequenz von 440/1,12 = 392,86 Hz ausgibt. Im allgemeinen lautet die Beziehung:
TSF = LF*PSR

mit:

TSF = Frequenz der Grundtonhöhe des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals;

LF = Frequenz der Grundtonhöhe des Ausgangssignals des Tonhöhenschiebers, der nach dem Lent-Verfahren

arbeitet; und

PSR = Tonhöhenverschiebungsverhältnis des Wiederabtastungs-Tonhöhenschiebers. Dies ist das Verhältnis (Eingangs-Abtastrate)/(Abtastrate bei der Wiederabtastung).

Der zweite wichtige Punkt ist, daß die Taktquelle für den Harmoniezeitgeber 340, wie in Fig. 6 dargestellt, eine andere ist. Wenn der Tonhöhenschieber nach dem Lent-Verfahren der letzte Schritt im Prozeß ist, dann wird dieser Zeitgeber mit der Abtastrate des Systems dekrementiert, z. B. mit 44,1 kHz in einem System, das Tonsignale von CD-Qualität liefert. Dadurch wird garantiert, daß der Tonhöhenschieber nach dem Lent-Verfahren einen kontinuierlichen Strom von tonhöhenverschobenen Tonsignalen mit dieser Rate liefern kann. Wenn der Tonhöhenschieber nach dem Lent-Verfahren sein Ausgangssignal, statt direkt an den Ausgang, an den Wiederabtastungs-Tonhöhenschieber übergibt, dann wird der Zeitgeber 340 mit der Wiederabtastungsrate getaktet. Dadurch wird sichergestellt, daß die

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beiden Verfahren synchron arbeiten. Wenn die Wiederabtastung mit einer höheren Rate erfolgt, wie in Fig. 4A, dann muß das Lent-Verfahren nachgebildete Tonhöhen-Perioden mit einer höheren Rate erzeugen, um den Wiederabtastungs-Tonhöhenschieber kontinuierlich mit Daten zu versorgen. Entsprechend braucht das Lent-Verfahren, wenn die Wiederabtastung mit niedrigerer Rate erfolgt, wie in Fig. 4B, nachgebildete Tonhöhen-Perioden nur mit einer niedrigeren Rate zu erzeugen, um den Wiederabtastungs-Tonhöhenschieber kontinuierlich mit Daten zu versorgen.

Es ist zwar das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschrieben worden, man wird aber erkennen, daß daran verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Daher soll der Schutzumfang der Erfindung allein von den nachstehenden Ansprüchen bestimmt werden.

Claims

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/erfahren und Vorrichtung zur ·; *.,| ^ . --.,_{t s} .,&ldquor;, ,

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Neue Schutzansprüche

!.Vorrichtung zum Erzeugen eines klangfarbenverschobenen Ausgangssignals aus einem Eingangssignal, mit den Einrichtungen zum:

Empfang einer Digitaldarstellung eines Eingangssignals, das mit einer ersten Rate abgetastet worden ist;

Wiederabtasten der Digitaldarstellung des Eingangssignals mit einer zweiten Rate, die sich von der ersten Rate unterscheidet; und

Erzeugen einer Digitaldarstellung des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals durch periodisches Extrahieren eines Segments des wiederabgetasteten Eingangssignals und Nachbilden der extrahierten Segmente mit einer Rate, die gleich der Grundfrequenz des Ausgangssignals ist.

2. Vorrichtung zum Erzeugen eines klangfarben- und tonhöhenverschobenen Ausgangssignals aus einem Eingangssignal, mit den folgenden Einrichtungen zum:

Empfang einer Digitaldarstellung eines Eingangssignals, das mit einer ersten Rate abgetastet worden ist;

Erzeugen einer Digitaldarstellung eines tonhöhenverschobenen Ausgangssignals durch periodisches Extrahieren eines Segments des Eingangssignals und Nachbilden der extrahierten Segmente mit einer Rate, die gleich der Grundfrequenz des tonhöhenverschobenen Ausgangssignals ist; und

Erzeugen einer Digitaldarstellung des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals durch Wiederabtasten der Digitaldarstellung des tonhöhenverschobenen Ausgangssignals mit einer zweiten Rate, die sich von der ersten Rate unterscheidet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit -der weiteren Einrichtung zum Anlegen der Digitaldarstellung des klangfarbenverschobenen
Ausgangssignals an einen Digital-Analog-Wandler, um die Digitaldarstellung des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals in eine Analogdarstellung des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals umzuwandeln.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Eingangssignal eine Grundfrequenz aufweist, und wobei das klangverscho-

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bene Ausgangssignal eine Grundfrequenz aufweist, die gleich der Grundfrequenz des Eingangssignals ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Eingangssignal eine Grundfrequenz aufweist, und wobei das klangfarbenverschobene Ausgangssignal eine Grundfrequenz aufweist, die sich von der Grundfrequenz des Eingangssignals unterscheidet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung

zum Empfang einer Digitaldarstellung des Eingangssignals die folgenden Einrichtungen aufweist zum:

Empfang einer Analogdarstellung des Eingangssignals; und

Anlegen der Analogdarstellung des Eingangssignals an einen Analog-Digital-Wandler zum Umwandeln der Analogdarstellung des Eingangssignals in eine Digitaldarstellung des Einqangssignals.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Eingangssignal ein von einem Musikinstrument erzeugter Ton ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Eingangssignal ein Vokalton ist.

9. Vorrichtung _Zum Erzeugen eines klangfarbenverschobenen Ausgangsvokalsignals aus einem Eingangsvokalsignal, mit den folgenden Einrichtungen zum:

Empfang einer Digitaldarstellung des Eingangsvokalsignals, das mit einer ersten Rate abgetastet worden ist, und Wiederabtasten der Digitaldarstellung des Eingangsvokalsignals mit einer zweiten Abtastrate, die sich von der ersten Abtastrate unterscheidet, um ein wiederabgetastetes Eingangsvokalsignal zu erzeugen; und

Erzeugen einer Digitaldarstellung des klangfarbenverschobenen Ausgangsvokalsignals durch periodisches Extrahieren eines Segments des·wiederabgetasteten Eingangsvokalsignals mit einer Fensterfunktion und Nachbilden der extrahierten Segmente mit einer Rate, die gleich der Grundfrequenz des Ausgangsvokalsignals ist.

¹⁰· Vorrichtung _zum Erzeugen eines klangfarben- und tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals aus einem Eingangsvokalsignal, mit den folgenden Einrichtungen zum:

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&diams;·

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Empfang einer Digitaldarstellung des Eingangsvokalsignals, das mit einer ersten Rate abgetastet worden ist, und Erzeugen einer Digitaldarstellung des tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals durch periodisches Extrahieren eines Segments des Eingangsvokalsignals mit einer Fensterfunktion und Nachbilden der extrahierten Segmente mit einer Rate, die gleich der Grundfrequenz des Ausgangsvokalsignals ist; und

Erzeugen einer Digitaldarstellung des klangfarbenverschobenen Ausgangsvokalsignals durch Wiederabtasten der Digitaldarstellung des tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals mit einer zweiten Abtastrate, die sich von der ersten Abtastrate unterscheidet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die

Einrichtung zum Empfang einer Digitaldarstellung des Eingangsvokalsignals die folgenden Einrichtungen aufweist zum:

Empfang einer Analogdarstellung des Eingangsvokalsignals; und

Anlegen der Analogdarstellung des Eingangsvokalsignals an einen Analog-Digital-Wandler zum Umwandeln der Analogdarstellung des Eingangsvokalsignals in eine Digitaldarstellung des Eingangsvokalsignals.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 mit den weiteren

Einrichtungen zum: Anlegen der Digitaldarstellung des klangfarbenverschobenen
Ausgangsvokalsignals an einen Digital-Analog-Wandler zum Umwandeln der Digitaldarstellung des klangfarbenverschobenen Ausgangsvokalsignals in eine Analogdarstellung des klangfarbenverschobenen Ausgangsvokalsignals.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Eingangsvokal signal eine Grundfrequenz aufweist, und wobei das klangfarbenverschobene Ausgangsvokalsignal eine Grundfrequenz aufweist, die gleich der Grundfrequenz des Eingangsvokalsignals ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Eingangsvokalsignal eine Grundfrequenz aufweist, und wobei das klangfarbenverschobene Ausgangsvokalsignal eine Grundfrequenz aufweist, die sich von der Grundfrequenz des Eingangsvokalsignals unterscheidet.

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15. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Eingangsvokalsignal und das klangfarbenverschobene Ausgangsvokalsignal eine Grundfrequenz aufweisen, und wobei die Einrichtung zur Extraktion
eines Segments des wiederabgetasteten Eingangsvokalsignals ferner die folgenden Einrichtungen aufweist zum:

Erzeugen einer Fensterfunktion mit einer Dauer, die von einer Differenz zwischen der Grundfrequenz des Eingangsvokalsignals und der Grundfrequenz des klangfarbenverschobenen Ausgangs vokal signals abhängig ist; und

Multiplizieren der Fensterfunktion mit der Digitaldarstellung des wiederabgetasteten Eingangsvokalsignals.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Eingangsvokalsignal und das tonhöhenverschobene Ausgangsvokalsignal eine Grundfrequenz aufweisen, und wobei die Einrichtung zur Extraktion

eines Segments des Eingangsvokalsignals ferner die folgenden

Einrichtungen aufweist zum:

Erzeugen einer Fensterfunktion mit einer Dauer, die von einer Differenz zwischen der Grundfrequenz des Eingangsvokalsignals und der Grundfrequenz des tonhöhenverschobenen AusgangsvokalsignaIs abhängig ist; und

Multiplizieren der Fensterfunktion mit der Digitaldarstellung des tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals.

17. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Digitaldarstellung des Eingangsvokalsignals vor dem Wiederabtasten in einem Digitalspeicher gespeichert wird, und wobei die Digitaldarstellung des Eingangsvokalsignals eine Anzahl von Schwingungsperioden aufweist, deren jede eine Anzahl von Speicherplätzen belegt, wobei der Schritt zum Wiederabtasten der Digitaldarstellung des Eingangsvokalsignals ferner die folgenden Einrichtungen aufweist zum:

Speichern des wiederabgetasteten Eingangsvokalsignals in einer größeren Anzahl von Speicherplätzen pro Schwingungsperiode, als durch die Digitaldarstellung des Eingangsvokalsignals belegt werden, wenn die zweite Abtastrate höher ist als die erste Abtastrate; und

Speichern des wiederabgetasteten Eingangsvokalsignals in einer geringeren Anzahl von Speicherplätzen pro Schwingungsperiode, als durch die Digitaldarstellung des Eingangsvo-

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kalsignals belegt werden, wenn die zweite Abtastrate niedriger ist als die erste Abtastrate.

18. Vorrichtlang nach Anspruch 10, wobei die Digitaldarstellung des tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals vor dem Wiederabtasten in einem Digitalspeicher gespeichert wird, und wobei die Digitaldarstellung des tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals eine Anzahl von Schwingungsperioden aufweist, deren jede eine Anzahl von Speicherplätzen belegt, wobei die Einrichtung zum Wiederabtasten der Digitaldarstellung des

tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals ferner die folgenden Einrichtungen aufweist zum:

Speichern des wiederabgetasteten tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals in einer größeren Anzahl von Speicherplätzen pro Schwingungsperiode, als durch die Digitaldarstellung des tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals belegt werden, wenn die zweite Abtastrate höher ist als die erste Abtastrate; und

Speichern des wiederabgetasteten tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals in einer geringeren Anzahl von Speicherplatzen pro Schwingungsperiode, als durch die Digitaldarstellung des tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals belegt werden, wenn die zweite Abtastrate niedriger ist als die erste Abtastrate.

19. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zum

Wiederabtasten des Eingangsvokalsignals ein Interpolieren der Digitaldarstellung des Eingangsvokalsignals ausführt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Einrichtung zum Interpolieren der Digitaldarstellung des Eingangsvokalsignals unter Verwendung einer linearen Interpolation -arbeitet.

21. Vorrichtung nach Anspruch 10, die Einrichtung zum
Wiederabtasten des tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals durch Interpolieren der Digitaldarstellung des tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals arbeitet.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Einrichtung zum Interpolieren der Digitaldarstellung des tonhöhenverschobenen Ausgangsvokalsignals unter Verwendung einer linearen Interpolation arbeitet.

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23. Vorrichtung zum Erzeugen eines klangfarbenverschobenen Ausgangssignal aus einem Eingangssignal, welche aufweist:

einen Digitalspeicher;

einen Digitalsignalprozessor zum Empfang einer Digitaldarstellung des mit einer ersten Rate abgetasteten Eingangssignals und zum Speichern der Digitaldarstellung des Eingangssignals im Digitalspeicher;

eine Einrichtung zum Wiederabtasten der Digitaldarstellung des im Digitalspeicher gespeicherten Eingangssignals mit einer zweiten Rate, die sich von der ersten Rate unterscheidet, und zum Speichern des wiederabgetasteten Eingangssignals im Digitalspeicher; und

einen Tonhöhenschieber zum Erzeugen einer Digitaldarstellung des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals durch periodisches Extrahieren eines Segments des wiederabgetasteten Eingangssignals und Nachbilden der extrahierten Segmente mit einer Rate, die gleich der Grundfrequenz des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, die ferner aufweist:

ein Mikrofon zum Umwandeln des Eingangssignals in ein entsprechendes elektrisches Eingangssignal; und

einen Analog-Digital-Wandler zum Abtasten des elektrischen Eingangssignals mit der ersten Rate und zum Umwandeln des elektrischen Eingangssignals in die Digitaldarstellung des Eingangssignals.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, die ferner aufweist:
einen Digital-Analog-Wandler zum Umwandeln der Digitaldarstellung des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals in eine Analogdarstellung des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals.

26. Vorrichtung nach Anspruch 23, die ferner eine Steuerung zum Variieren der zweiten Rate aufweist, mit der das Eingangssignal wiederabgetastet wird.

27. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der Tonhöhenschieber ein Segment des wiederabgetasteten Eingangssignals durch Skalieren des wiederabgetasteten Eingangssignals mit einer Fensterfunktion extrahiert.

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28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Tonhöhenschieber das wiederabgetastete Eingangssignal mit der Fensterfunktion mit einer Rate skaliert, die in harmonischer Beziehung zur Grundfrequenz des Eingangssignals steht.

29. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei das Eingangssignal eine Grundfrequenz aufweist und das klangfarbenverschobene Ausgangssignal eine Grundfrequenz aufweist, und wobei der Tonhöhenschieber ferner aufweist:

eine Einrichtung zum Einstellen einer Dauer der Fensterfunktion auf der Basis einer Differenz zwischen der Grundfrequenz des Eingangssignals und der Grundfrequenz des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Einrichtung zum Einstellen der Dauer der Fensterfunktion die Dauer der Fensterfunktion verkürzt, wenn die Grundfrequenz des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals höher ist als die Grundfrequenz des Eingangssignals, und die Dauer der Fensterfunktion verlängert, wenn die Grundfrequenz des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals niedriger ist als die Grundfrequenz des Eingangssignals.

31. System zum Erzeugen eines klangfarbenverschobenen und/oder tonhöhenverschobenen Ausgangssignals aus einem Eingangssignal, wobei das System aufweist:

eine Einrichtung zum Empfang einer Digitaldarstellung des Eingangssignals, das mit einer ersten Rate abgetastet worden ist;

eine Einrichtung zum Empfang eines ersten Bezugstons, der eine erste gewünschte Grundfrequenz des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals definiert;

einen Komparator, der eine Analyse des Bezugstons ausführt und in Abhängigkeit von der Analyse eine Wiederabtastrate auswählt;

einen Digitalsignalprozessor, der die Digitaldarstellung des Eingangssignals mit der gewählten Wiederabtastrate wiederabtastet; und

einen Tonhöhenschieber zum Erzeugen des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals durch periodisches Extrahieren eines Segments des wiederabgetasteten Eingangssignals und Nachbilden

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der Segmente mit einer Rate, die gleich der Grundfrequenz des Bezugstons ist.

32. System nach Anspruch 31, wobei der Komparator den Bezugston durch Vergleich der Grundfrequenz des Bezugstons mit

einem oder mehreren Schwellwerten analysiert.

33. System nach Anspruch 31, das ferner aufweist:

eine Einrichtung zum Bestimmen der Grundfrequenz des Eingangssignals;

wobei der Komparator den Bezugston analysiert, indem er die Grundfrequenz des Bezugstons mit der Grundfrequenz des Eingangssignals vergleicht und die Wiederabtastrate in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Grundfrequenz des Bezugstons und der Grundfrequenz des Eingangssignals auswählt.

34. System nach Anspruch 31, das ferner aufweist:

eine Einrichtung zum Empfang eines zweiten Bezugstons, der eine zweite Grundfrequenz definiert;

wobei der Komparator den Bezugston analysiert, indem er

die Grundfrequenz des ersten Bezugstons mit der Grundfrequenz des zweiten Bezugstons vergleicht und die Wiederabtastrate in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Grundfrequenz des ersten Bezugstons und der Grundfrequenz des zweiten Bezugstons auswählt.

35. System zum Erzeugen eines klangfarbenverschobenen und/oder tonhöhenverschobenen Ausgangssignals aus einem Eingangssignal, wobei das System aufweist:

eine Einrichtung zum Empfang einer Digitaldarstellung des Eingangssignals, das mit einer ersten Rate abgetastet wurde;

eine Einrichtung zum Empfang eines Bezugstons, der eine gewünschte Grundfrequenz des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals definiert;

eine Einrichtung zum Berechnen der Zeitdauer, über die das Eingangssignal empfangen worden ist;

einen Komparator, der die Zeitdauer des Empfangs des Eingangssignals analysiert und in Abhängigkeit von der Zeitdauer eine Wiederabtastrate auswählt;

einen Digitalsignalprozessor zum Wiederabtasten der Digitaldarstellung des Eingangssignals mit der gewählten Wiederabtastrate; und

einen Tonhöhenschieber zum Erzeugen des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals durch Extrahieren eines Segments des wiederabgetasteten Eingangssignals und Nachbilden der Segmente mit einer Rate, die im wesentlichen gleich der Grundfrequenz des Bezugstons ist.

36. System zum Erzeugen eines klangfarbenverschobenen und/oder tonhöhenverschobenen Ausgangssignals aus einem Eingangssignal, wobei das System aufweist:

eine Einrichtung zum Empfang einer Digitaldarstellung eines Eingangssignals, das mit einer ersten Rate abgetastet worden ist;

eine Einrichtung zum Empfang eines Bezugstons, der eine gewünschte Grundfrequenz des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals definiert;

einen Komparator, der eine Amplitude der Digitaldarstellung des Eingangssignals analysiert und in Abhängigkeit von der Amplitude eine Wiederabtastrate auswählt;

einen Digitalsignalprozessor, der die Digitaldarstellung des Eingangssignals mit der gewählten Wiederabtastrate wiederabtastet; und

einen Tonhöhenschieber zum Erzeugen des klangfarbenverschobenen Ausgangssignals durch periodisches Extrahieren eines Segments des wiederabgetasteten Eingangssignals und Nachbilden der Segmente mit einer Rate, die im wesentlichen gleich der Grundfrequenz des Bezugstons ist.