DE4008872C2 - Verfahren zum Erzeugen von Klängen und elektronisches Musikinstrument - Google Patents
Verfahren zum Erzeugen von Klängen und elektronisches MusikinstrumentInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von
Klängen, bei dem die Klänge aus einzelnen Klangmerkma
len, die in Form von Abtastwerten digital abgespeichert
sind und gesteuert ausgelesen werden, zusammengesetzt
werden, wobei zumindest einige Klangmerkmale Komponen
ten unterschiedlicher Frequenzen aufweisen, und ein
elektronisches Musikinstrument mit einer Speicherein
richtung, in der Klangmerkmale in Form von Abtastwerten
digital gespeichert sind, wobei zumindest einige Klang
merkmale Komponenten unterschiedlicher Frequenzen auf
weisen, einer Ausleseeinrichtung, die die Abtastwerte
gesteuert aus der Speichereinrichtung ausliest, einem
Akkumulator, der eingelesene Werte aufsummiert und die
Summe ausgibt, einem Digital/Analog-Wandler und einer
Audio-Einrichtung, die das Ausgangssignal des Digital/-
Analog-Wandlers hörbar macht.
DE 27 09 530 A1 zeigt ein Verfahren und ein elektroni
sches Musikinstrument dieser Art. Bei dem bekannten
Musikinstrument werden die Abtastwerte mit einer der
gewünschten Tonhöhe entsprechenden Frequenz ausgelesen,
amplituden-gesteuert gemischt und die Summe dann durch
Überlagerung einer Amplitudensteuerkurve weiterverar
beitet. Zum Erzeugen der Töne wird eine Überblendung
von einem ersten Frequenzgemisch mit einer Reihe von
ausgeprägten Obertönen, wie es beispielsweise zu Beginn
eines Klanges auftritt, auf ein im wesentlichen die
Grundfrequenz enthaltendes Frequenzgemisch, das in der
Regel in der Endphase eines Klanges auftritt, durchge
führt. Diese Überblendung wird im Prinzip durch eine
Amplitudensteuerung der aus zwei oder mehr Speichern
ausgelesenen Werte mit gegenläufiger Zeitfunktion von
etwa exponentiellem Verlauf erreicht. Damit ist die
Möglichkeit geschaffen, den Klangverlauf eines Tones
mit der Zeit zu verändern und damit dem natürlichen
Vorbild anzupassen.
Musical Applications of Microprocessors, Hayden Book
Co., Inc., Rochelle Park 1980, Seiten 470 bis 477 be
schreibt die Möglichkeit einer Abtastratenwandlung mit
Hilfe eines digitalen Tiefpaßfilters vorzunehmen, der
die Interpolationsfunktion ausführt.
In den vergangenen Jahren hat die Digitaltechnik auch
beim Bau von Musikinstrumenten verstärkt Verwendung
gefunden. Ein Verfahren, um mit einem elektronischen
Musikinstrument auf digitale Weise die Klänge von ande
ren, herkömmlichen Musikinstrumenten nachzuahmen, ist
das sogenannte "Sampling"-Verfahren. Hierbei werden mit
einem Mikrofon Klänge aufgenommen, die von einem her
kömmlichen Musikinstrument oder einer anderen Schall
quelle stammen und die später mit Hilfe des elektroni
schen Musikinstrumentes wiedergegeben werden sollen.
Das Ausgangssignal des Mikrofons wird mit einer Abta
strate digitalisiert, die mindestens das Doppelte der
höchsten hörbaren Frequenz beträgt. Beispielsweise kann
man hierfür eine Frequenz von 44,1 kHz verwenden, die
auch aus dem Bereich der Compact-Discs bekannt ist. Die
abgetasteten Klangwerte werden in einem vorgegebenen
Format, beispielsweise in 16-Bit-Worten, digitalisiert
und in diesem Format im Speicher abgelegt. Wenn man mit
dem elektronischen Musikinstrument einen entsprechenden
Klang erzeugen will, werden die einzelnen Abtastwerte
nacheinander aus dem Speicher ausgelesen und in eine
analoge Form zurückgewandelt, um sie mit Hilfe eines
Lautsprechers hörbar zu machen. Durch unterschiedliche
Auslesefrequenzen kann man die Tonhöhen variieren, d. h.
unterschiedliche Noten wiedergeben. Dabei besteht je
doch die Gefahr, daß durch die dabei auftretende For
mantenverschiebung der Klang des wiederzugebenden her
kömmlichen Musikinstruments verfälscht wird. In vielen
Fällen ist es nicht möglich, mehr als drei benachbarte
Halbtöne aus einem einzigen "Sample", d. h. Klangmuster,
das durch die Folge von Abtastwerten dargestellt ist,
ohne größere Qualitätsverluste zu erzeugen. Wenn man
einen Pianoklang, d. h. das Klangbild eines Klaviers
oder eines Flügels mit einem Umfang von 88 Tasten,
nachbilden will, sind also ca. 30 Samples oder Klangmu
ster erforderlich. Der Klang eines Pianos ist aber
nicht nur von der Tonhöhe, sondern auch von der An
schlagstärke abhängig. Weiterhin klingen tiefere Töne
erheblich länger aus als hohe Töne. Nimmt man eine Un
terteilung in acht Dynamikstufen an und eine mittlere
Aufnahmedauer von ca. 20 sek pro Ton, so ergibt sich
ein Speicherbedarf von ca. 420 Megabytes, wobei hierbei
lediglich ein einziges Instrument, nämlich das Piano,
abgedeckt ist. Dabei ist noch nicht berücksichtigt, daß
bei einem Piano der Klang durch das Dämpfer- und das
Sustainpedal weiter verändert werden kann, so daß für
die vollständige Nachbildung des Pianoklanges ein Viel
faches des angegebenen Speicherbedarfs notwendig wird.
Die mittlere Aufnahmedauer eines Tones läßt sich zwar
durch Loopen, d. h. repetives Ausgeben eines Teilstücks
des Tones, unter Inkaufnahme einer Qualitätseinbuße
verringern, bei einer mittleren Aufnahmedauer von ca. 3 sek.
ist aber immer noch ein Speicherbedarf von ca. 60
Megabytes erforderlich. Für andere Instrumente ist der
Speicherbedarf höher oder niedriger. Da man mit einem
modernen elektronischen Musikinstrument jedoch eine
Vielzahl von Klängen erzeugen will, wächst der Spei
cherbedarf praktisch ins Unermeßliche. Auch unter Be
rücksichtigung der Tatsache, daß Speichermedien immer
preiswerter werden, sind derartig große Datenmengen nur
schwer mit der geforderten hohen Geschwindigkeit ver
arbeitbar, die das virtuose Spielen des elektronischen
Musikinstruments erfordert.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver
fahren zum Erzeugen von Klängen und ein elektronisches
Musikinstrument anzugeben, die bei einer erheblich ver
minderten Datenmenge Klänge mit hoher Qualität wieder
geben können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Erzeugen von
Klängen gelöst, bei dem die Klangmerkmale nach dem Aus
lesen und vor dem Zusammensetzen einer Abtastwand
lung unterworfen werden, nach der alle Klangmerkmale
mit einer einheitlichen Systemabtastrate zur Verfügung
stehen, wobei alle Klangmerkmale zum Startzeitpunkt
eines Klanges eine vorbestimmte Phasenbeziehung zuein
ander aufweisen und die Komponenten eines Klangmerkmals
zu diesem Startzeitpunkt eine vorbestimmte Phasenbezie
hung zu den anderen Komponenten des gleichen Klangmerk
mals aufweisen derart, daß durch das Zusammensetzen der
Klangmerkmale sowohl eine Verstärkung als auch eine Ab
schwächung von Frequenzkomponenten im resultierenden
Signal erzielbar ist.
Ein Klangmerkmal ist also ein Frequenzgemisch, das in
Form einer vorbestimmten Anzahl von Abtastwerten in dem
Speicher abgelegt ist. Würde ein Klangmerkmal lediglich
eine einzige Frequenz enthalten, könnte man aus einer
Vielzahl von Klangmerkmalen praktisch jeden Ton zusam
mensetzen, wie dies von der harmonischen Synthese be
kannt ist. Hierbei wird jedoch für jeden Oberton ein
eigener Sinusoszillator mit eigener Amplitudensteuerung
benötigt. Bei einem obertonreichen, aber tiefen Ton von
z. B. 40 Hz mit Obertönen bis zu 10 kHz kommen somit ca.
250 Oszillatoren zusammen. Diese müssen jeweils ange
steuert und verwaltet werden. Erfindungsgemäß werden
nicht nur Sinusschwingungen erzeugt, sondern Frequenz
gemische, die bereits eine Vielzahl von Oberschwingun
gen enthalten können. Man nutzt dabei die Tatsache aus,
daß bei den vielen Klangmustern, die in dem Speicher
abgelegt sind, gewisse Gemeinsamkeiten vorherrschen,
die beispielsweise das charakteristische Klangbild ei
nes Instruments bestimmen. Wenn man den "Grundklang"
eines Instruments als Klangmerkmal extrahiert und spei
chert, benötigt man für die Klangmuster, die den ein
zelnen Tönen des Instruments entsprechen, nur noch ei
nige wenige weitere Klangmerkmale, um die Töne mit ho
her Ähnlichkeit nachzubilden. Das Erstaunliche dabei
ist, daß die akustische Wiedergabe des Grund-Klangmerk
mals nicht unbedingt eine Ähnlichkeit mit dem Klang des
nachzubildenden Instruments aufweisen muß. Ähnlichkei
ten, die für die Zusammenfassung von Teilen unter
schiedlicher Klangmuster in gemeinsame Klangmerkmale
ausgenutzt werden können, bestehen aber nicht nur zwi
schen den Tönen eines einzelnen Instruments, sondern
auch zwischen Klangmustern verschiedener Instrumente,
beispielsweise im Fall von Instrumentenfamilien, wie
Blechbläser, Holzbläser oder Streicher. Man kann jedoch
auch Instrumentenfamilien übergreifende Klangmerkmale
finden, die weiter zur Verminderung des Speicherbedarfs
verwendet werden können. Die Klangmerkmale können bei
spielsweise manuell, d. h. aufgrund von Hörproben, her
ausgefunden werden. Eine andere Möglichkeit ist die
Betrachtung von Wellenzügen, die durch die einzelnen
Instrumente erzeugt worden sind. Auch hierbei lassen
sich gewisse Ähnlichkeiten erkennen, die dann in Form
von Klangmerkmalen extrahiert werden können.
Schließlich kann man geeignete Rechenverfahren entwickeln,
um die Ähnlichkeiten zwischen einzelnen Klängen
als Klangmerkmale zu extrahieren. Die Verstärkung oder
Abschwächung läßt sich einerseits durch das einfache
Überlagern der Klangmerkmale erzielen. Wenn ein Klang
merkmal eine der oben erwähnten Komponenten mit negati
ver Amplitude aufweist, wird die entsprechende Fre
quenz, sofern sie in dem anderen Klangmerkmal ebenfalls
vorkommt, abgeschwächt werden. Der gleiche Effekt, al
lerdings nicht auf eine einzelne Frequenz beschränkt,
läßt sich dadurch erzielen, daß das Klangmerkmal mit
einer negativen Amplituden-Hüllkurve versehen wird. Der
Begriff der negativen Amplituden-Hüllkurve wird hier
ebenfalls nur zu Anschauungszwecken eingeführt. Damit
soll ausgedrückt werden, daß Klangmerkmale, die mit
einer negativen Amplituden-Hüllkurve versehen sind,
beim Zusammenfügen nicht zu einem anderen Klangmerkmal
addiert, sondern von diesem subtrahiert werden.
Wichtig bei der Zusammensetzung von einzelnen Klang
merkmalen zu den gewünschten Klängen ist die Tatsache,
daß die einzelnen Klangmerkmale zum Startzeitpunkt,
d. h. beim erstmaligen Zusammensetzen des Klanges, eine
vorbestimmte Phasenbeziehung zueinander haben. Gleiches
gilt für die einzelnen Frequenzkomponenten eines ein
zelnen Klangmerkmals. Nur in diesem Fall führt nämlich
die Überlagerung der einzelnen Klangmerkmale zu der
gewünschten Synthese, d. h. zu dem nachzubildenden Ton.
Haben die einzelnen Klangmerkmale diese vorbestimmte
Phasenbeziehung nicht, d. h. hängt es vom Zufall ab,
wann die einzelnen Klangmerkmale starten, kann es vor
kommen, daß sich einzelne Obertöne verstärken oder aus
löschen und damit das Klangbild verfälschen. Die Klang
merkmale sind hierbei nicht auf eine Periode der Grund
welle beschränkt. Wie beim normalen Sampling, d. h. Ab
tasten, können praktisch beliebig lange Klangmuster
abgespeichert werden.
Bevorzugterweise weisen alle Klangmerkmale zum
Startzeitpunkt einen Nulldurchgang auf. Dies erleich
tert die Herstellung der gewünschten Phasenbeziehung.
Außerdem entspricht dieser Aufbau im wesentlichen auch
dem Vorbild eines natürlichen Musikinstruments. Auch
bei den herkömmlichen Musikinstrumenten beginnt der Ton
mit einem Amplitudenwert von Null.
Bevorzugt ist auch, daß alle Komponenten eines Klang
merkmals zum Startzeitpunkt einen Nulldurchgang aufwei
sen. Die Amplitude einer Komponente kann sich nach dem
Startzeitpunkt positiv oder negativ entwickeln. Wenn
sich die Amplitude im Zeitbereich nach dem Start nega
tiv entwickelt, die erste Ableitung nach der Zeit also
negativ ist, bedeutet dies, daß die betreffende Kompo
nente gleicher Frequenz, die nach dem Startzeitpunkt
zunächst eine Amplitude größer als Null annimmt, um
180° phasenverschoben ist. Eine solche Komponente kann
man im Frequenzspektrum mit negativer Amplitude dar
stellen. Ein Klangmerkmal mit einer solchen Komponente
wird also die Komponente eines weiteren Klangmerkmals
mit der gleichen Frequenz ganz oder teilweise auslö
schen. Die "negative" Amplitude dient hier natürlich
nur als Rechengröße, da für das Ohr der Betrag der Am
plitude entscheidend ist.
Bevorzugterweise wird jedes Klangmerkmal mit einer An
zahl von Abtastwerten gespeichert, die eine vorbestimm
te Beziehung mit der höchsten in dem Klangmerkmal vor
kommenden Frequenz aufweist. Es ist also nicht notwen
dig, alle Klangmerkmale mit der gleichen, hohen Abtast
frequenz, also der System-Abtastrate, abzutasten und
die daraus resultierende hohe Anzahl von Abtastwerten
abzuspeichern. Vielmehr wird die Anzahl der Abtastwerte
auf das absolut Notwendige beschränkt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird
jedes Klangmerkmal mit einer Anzahl von Abtastwerten
gespeichert, die mindestens dem Doppelten der höchsten
in dem Klangmerkmal vorhandenen Frequenz entspricht.
Diese minimale Begrenzung ist durch das Shannon'sche
Abtasttheorem gegeben.
Vorteilhafterweise werden die Klangmerkmale vor dem
Zusammensetzen einer Amplitudensteuerung unterworfen.
Beispielsweise kann ein Klangmerkmal, das überwiegend
Obertöne enthält, in einem Fall verstärkt werden, um
einen sehr obertonreichen Klang zu erzeugen, in einem
anderen Fall aber nur mit einer geringen Verstärkung
verwendet werden, so daß die Obertöne nicht so deutlich
hörbar sind. Mit dem gleichen Klangmerkmal lassen sich
also bereits durch die Amplitudensteuerung unterschiedliche
Klänge erzeugen. Dies gilt auch bei einem einzi
gen Klang, um dessen zeitliche Veränderung darzustel
len.
Bevorzugterweise erfolgt die Amplitudensteuerung mit
Hilfe von digital gespeicherten Amplituden-Hüllkurven.
In einem Klang lassen sich dann auch wechselnde
Frequenzgemische realisieren. Dies kann zu interessan
ten Schwebungseffekten führen.
Dabei wird bevorzugt, daß die Ampliduden-Hüllkurven aus
Hüllkurven-Merkmalen zusammengesetzt werden. Die Tech
nik, die Gemeinsamkeiten in den einzelnen Kurven oder
Schwingungen nur einmal abzuspeichern und mehrfach zu
verwenden, läßt sich also auch bei den Hüllkurven ver
wenden.
Mit Vorteil werden einzelne Klangmerkmale zur Erzeugung
einer Mehrzahl von Klängen verwendet. Dies ist auch
gleichzeitig möglich, da die Klangmerkmale durch das
Auslesen aus dem Speicher ja nicht verlorengehen. Viel
mehr läßt sich ein Klangmerkmal, das gerade ausgelesen
wird, auch in mehreren parallel angeordneten Bearbei
tungsstrecken weiter verarbeiten. Auch läßt sich ein
Klangmerkmal, von dem bereits einige Komponenten ausge
lesen sind, wieder von Beginn an auslesen, ohne daß das
erste Auslesen des Klangmerkmals gestört wird. Dies ist
letztendlich lediglich eine Frage der Speicherverwal
tung oder der Auslesesteuerung. Dadurch läßt sich ein
polyphones Spiel realisieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt
das Auslesen und die Abtastratenwandlung von mehreren
Klangmerkmalen durch für jeweils mehrere Klangmerkmale
gemeinsame Einrichtungen, die die Klangmerkmale seriell
oder im Multiplexverfahren abarbeiten. Dies läßt sich
aufgrund der im Verhältnis zu den Frequenzen der Klang
merkmale hohen Verarbeitungsfrequenzen leicht realisie
ren. Streng genommen müssen lediglich innerhalb einer
Periode der System-Abtastrate von beispielsweise 44,1
kHz alle Verarbeitungen abgeschlossen sein, um dem Mu
sikinstrument den Augenblickswert des nachzubildenden
Klanges zur Verfügung zu stellen. Bei einer angenomme
nen System-Abtastrate von 44,1 kHz sind dies mehr als
20 µs.
20 µs.
Mit Vorteil wird während des Auslesens eines Abtast
werts eines Klangmerkmals aus dem Speicher die
Abtastratenbearbeitung eines Abtastwerts eines anderen
Klangmerkmales durchgeführt, das im vorausgehenden Zu
griff auf den Speicher ausgelesen worden ist. Die Be
rechnung von einzelnen Werten erfolgt also zeitlich
hintereinander, wodurch sich ein gewisses Pipelining
realisieren läßt.
Bevorzugterweise erfolgt das Zusammensetzen der einzel
nen Klangmerkmale mit Hilfe eines Akkumulators, in den
Augenblickswerte der mit der einheitlichen Systemabta
strate versehenen Klangmerkmale seriell addiert bzw.
subtrahiert werden, wobei der Inhalt zu einem vorbe
stimmten Zeitpunkt ausgelesen wird. Für das "Füllen"
des Akkumulators steht dabei eine komplette Periode der
Systemabtastrate zur Verfügung. Es ist also nicht not
wendig, daß alle Klangmerkmale eines Klanges gleichzei
tig bearbeitet werden. Vielmehr eröffnet diese bevor
zugte Ausführungsform die Möglichkeit einer seriellen
Bearbeitung von einzelnen Klangmerkmalen hintereinan
der, wobei durch den Akkumulator die Möglichkeit gege
ben ist, die einzelnen Klangmerkmale zusammenzusetzen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist je
der Klang aus maximal sechzehn Klangmerkmalen zusammen
gesetzt. In vielen Fällen werden auch zwei bis acht
Klangmerkmale ausreichen. Die Entscheidung, wie viele
Klangmerkmale verwendet werden, ist letzlich eine Fra
ge des Gehörempfindens. Durch die Beschränkung auf
sechzehn Klangmerkmale wird eine Beschränkung der ab
zuspeichernden und zu verwaltenden Datenmengen bewirkt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden
für einen Klang parallel mehrere Sätze von Klangmerkma
len zusammengesetzt, die mit gegenläufigen Amplituden
steuerkurven überlagert werden. Damit läßt sich auf
einfache Art und Weise der Klang eines Instruments
nachbilden, der sich auch mit einer Vielzahl von Klang
merkmalen ansonsten schwer nachbilden ließe. Als Bei
spiel sei auf eine Trompete verwiesen, in die während
des Blasens ein Dämpfer eingeführt wird. Ein anderes
Beispiel ist eine Klarinette oder ein Saxophon, deren
Spieler beim Spielen die Spannung der Unterlippe stark
verändert.
Die Aufgabe wird bei einem elektronischen Musikinstru
ment dadurch gelöst, daß ein Interpolationsfilter vor
gesehen ist, das eine Abtastratenwandlung durchführt
und an seinem Ausgang die Klangmerkmale mit einer für
das gesamte Musikinstrument einheitlichen Systemabta
strate zur Verfügung stellt, dessen Ausgang mit dem
Akkumulator verbunden ist, wobei das Aufsummieren und
das Ausgeben im Akkumulator innerhalb einer Periode der
Systemabtastrate erfolgt und daß die Klangmerkmale am
Ausgang des Interpolationsfilters mit einer einheitli
chen Systemabtastrate zur Verfügung stehen, wobei alle
Klangmerkmale zum Startzeitpunkt eines Klanges eine
vorbestimmte Phasenbeziehung zueinander aufweisen und
die Komponenten eines Klangmerkmals zu diesem Start
zeitpunkt eine vorbestimmte Phasenbeziehung zu den an
deren Komponenten des gleichen Klangmerkmals aufweisen
derart, daß durch das Zusammensetzen der Klangmerkmale
sowohl eine Verstärkung als auch eine Abschwächung von
Frequenzkomponenten im resultierenden Signal erzielbar
ist.
In einem derartigen Musikinstrument lassen sich die
einzelnen Klangmerkmale deswegen überlagern, weil das
Interpolationsfilter für eine Abtastratenwandlung
sorgt. Die Klangmerkmale stehen beim Ausgang des Inter
polationsfilters zwar nach wie vor in digitaler Form
zur Verfügung, jedoch sind sie dort alle mit der
Systemabtastrate abgetastet, d. h. innerhalb jeder Peri
ode der Systemabtastrate steht ein Augenblickwert jedes
Klangmerkmals stabil zur Weiterverarbeitung zur Verfü
gung. In jeder Periode der Systemabtastrate lassen sich
also die einzelnen Augenblickswerte überlagern. Das
Ausgangssignal beinhaltet dann die Addition bzw. Sub
traktion der einzelnen Frequenzen, was zum Frequenz
spektrum des nachzubildenden Klanges führt.
Bevorzugterweise ist zwischen dem Interpolationsfilter
und dem Akkumulator eine Amplitudensteuereinrichtung
angeordnet. Diese Amplitudensteuereinrichtung sorgt
dafür, daß einzelne Klangmerkmale stärker oder schwä
cher bei der Zusammensetzung der Klänge Einfluß nehmen.
Mit Vorteil weist das Interpolationsfilter weniger als
zweiundreißig Pole auf und die Frequenzkomponenten der
Klangmerkmale, die unterhalb der Grenzfrequenz liegen
und durch das Interpolationsfilter gedämpft werden,
sind um einen der Dämpfung entsprechenden Faktor ver
stärkt. Durch die Abtastratenwandlung ("Sample rate
conversion") entstehen störende Frequenzanteile, die
durch eine Spiegelung der einzelnen Frequenzen an der
Abtastfrequenz hervorgerufen werden. Diese störenden
Frequenzanteile sollten durch ein sehr steilflankiges
Tiefpaßfilter eliminiert werden. Steilflankige Tief
paßfilter müssen jedoch in digitaler Form sehr hoch
polig ausgeführt werden. Derartig hochpolige Filter
benötigen einen erheblichen Aufwand an Speicher und
Rechenzeit. Bei einem entsprechend niederpoligen Filter
tritt jedoch die unangenehme Eigenschaft auf, daß Fre
quenzanteile bereits unterhalb der Grenzfrequenz teil
weise recht erheblich gedämpft werden. In dem zusammen
gesetzten Klang fehlen dann die entsprechenden Obertö
ne. Dieser Nachteil kann jedoch dadurch vermieden wer
den, daß die Komponenten der Klangmerkmale, die durch
das Interpolationsfilter gedämpft werden, vor dem Ab
speichern verstärkt werden. Diese Preemphasis wird dann
durch die Dämpfung des Interpolationsfilters wieder
kompensiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind Ausleseein
richtung, Interpolationsfilter, Akkumulator und gegebe
nenfalls Amplitudensteuereinrichtung in einem Klanger
zeugungsmodul zusammengefaßt und mehrere Klangerzeugungs
module sind parallel angeordnet. Dies erweitert die
Möglichkeit der Polyphonie. Mehrere parallel angeord
nete Klangerzeugungsmodule können eine ungleich größere
Anzahl von Klängen parallel erzeugen, ohne daß sich
eine Beschränkung in bezug auf Rechen- oder Verarbei
tungszeit ergibt.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt läßt sich erzielen,
wenn die einzelnen Klangmerkmale eine vorbestimmte zu
sätzliche Veränderung der Phasenverschiebung zueinander
aufweisen. Hierdurch läßt sich erreichen, daß sich beim
Zuhörer der Eindruck einstellt, es spielten eine Viel
zahl von Instrumenten gleichzeitig, wie bei einem Or
chester.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung
beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Komponenten
eines Musikinstruments,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Tonerzeugungsmoduls,
Fig. 3 Klangmerkmale und Klangmuster im Frequenzbereich
und
Fig. 4 ein Klangmerkmal im Zeitbereich.
Ein elektronisches Musikinstrument weist in der Regel
eine Tastatur 1, Bedienungselemente 2 und Schnittstellen
3 auf. Die Tastatur, die ein oder mehrere Manuale mit
einem Umfang von vier bis acht Oktaven und/oder ein
Pedal umfaßt, dient dem ausübenden Musiker zur Erzeugung
von Tonfolgen. Beim Niederdrücken einer Taste erklingt
in der Regel auch ein Ton. Das gleichzeitige Niederdrücken
mehrerer Tasten bewirkt die polyphone Erzeugung
von mehreren Tönen. Die Klangfarbe kann über die Bedienungselemente
2 eingestellt bzw. verändert werden. Über
die Schnittstellen 3 können Signale von anderen Geräten,
beispielsweise anderen elektronischen Musikinstrumenten,
Computern oder Speichermedien, in das elektronische
Musikinstrument eingekoppelt werden. Tastatur 1, Bedienungselement
2 und Schnittstellen 3 sind mit einem
Schnittstellenprozessor 4 verbunden, der seinerseits
einen Speicher 5 aufweist. Der Schnittstellenprozessor
4 verwaltet die von der Tastatur 1, den Bedienungselementen
2 und den Schnittstellen 3 empfangenen Signale und
erzeugt einen geeigneten Code, der an einen Hauptprozessor
6 weitergegeben wird. Der Hauptprozessor 6 weist
einen Speicher 7 auf, in dem unter anderem die Verarbeitungsvorschriften
für die vom Schnittstellenprozessor
4 empfangenen Signale abgelegt sind. Nachdem der Hauptprozessor
6 die vom Schnittstellenprozessor 4 empfangenen
Signale bearbeitet hat, sendet er über einen Steuerbus
18 Adressen und/oder Befehle, mit deren Hilfe Tonerzeugungsmodule
8-10 Töne erzeugen können. Es können eine
Vielzahl von Tonerzeugungsmodulen 8-10 vorgesehen sein.
Ihre Anzahl wird im Prinzip lediglich durch die Kapazität
des Hauptprozessors 6 begrenzt. Jedes Tonerzeugungsmodul
8-10 ist in der Lage, einen oder mehrere Töne gleichzeitig
zu erzeugen. Die Tonerzeugung erfolgt dabei digital,
wobei jedes Tonerzeugungsmodul 8-10 auf einen
Steuerkurvenspeicher 11 und auf einen Abtastwertspeicher
12, die beide für alle Tonerzeugungsmodule 8-10 gemeinsam
sind, zugreifen kann. Das elektronische Musikinstrument
bildet durch die Tonerzeugungsmodule 8-10 andere Musikinstrumente,
beispielsweise ein Piano, ein Streichinstrument
oder ein Blasinstrument oder auch eine Schlagzeuggruppe,
nach. Dabei muß das elektronische Musikinstrument
natürlich in der Lage sein, den gesamten Tonumfang des
nachzubildenden Instruments zu erzeugen. Die Menge der
Töne eines Instruments werden im folgenden der Einfachheit
halber als "Klang" oder "Klangmuster" bezeichnet.
Je nachdem, welche Taste in der Tastatur 1 betätigt
wird, erzeugt das elektronische Musikinstrument einen
bestimmten Ton eines Klanges, beispielsweise den Kammerton
a mit 440 Hz. Die Information für den Klang sind
im Steuerkurvenspeicher 11 und dem Abtastwertspeicher
12 abgelegt.
Die Tonerzeugungsmodule 8-10 erzeugen digitale Signale,
die sie auf einen Audiobus 17 legen. Mit dem Audiobus
17 sind auch Effektprozessoren 13-15 verbunden, die,
falls gewünscht, die digitalen Ausgangssignale der Tonerzeugungsmodule
8-10 einer digitalen Effekt-Behandlung
unterwerfen, beispielsweise der Erzeugung eines Halls,
eines Verzerrers, eines Vibratos oder anderer Effekte.
Der Aufbau eines Tonerzeugungsmoduls ist schematisch
in Fig. 2 dargestellt. Im Prinzip haben alle Tonerzeugungsmodule
8-10 den gleichen Aufbau. Sie können auch
durch die gleichen Bedienungsanweisungen, d. h. Programme
in den einzelnen Prozessoren, gesteuert werden.
Das Tonerzeugungsmodul 8 weist einen Steuerprozessor
19 mit Speicher 20 auf, der über den Steuerbus 18 Informationen
vom Hauptprozessor 6 erhält. Der Steuerprozessor
19 ist einerseits mit einem Steuerkurvenprozessor 21
und andererseits mit einem Phasenprozessor 22 verbunden.
Der Steuerkurvenprozessor 21 greift nach Anforderung
des Steuerprozessors 19 auf den für alle Tonerzeugungsmodule
8-10 gemeinsamen Steuerkurvenspeicher zu, bestimmt
den Wert einer Steuerkurve an der geforderten Stelle
durch Interpolation und berechnet gegebenenfalls aus
mehreren solcher Werte einen Endwert, den er an den
Steuerprozessor 19 zurückgibt. Die Steuerkurven werden
eingesetzt, um den Frequenzablauf, den Lautstärkeablauf
und die gehörmäßige Wichtigkeit einzelner Komponenten
der zu erzeugenden Klänge für eine Vielzahl von Klanganteilen
zu steuern. Die Berechnung der einzelnen Werte
kann dabei hintereinander erfolgen, wobei die Auftrennung
von Speicherzugriff und Verarbeitung die gleichzeitige
Durchführung beider Funktionen für aufeinanderfolgende
Aufrufe zuläßt.
Die Speicherung der Steuerkurvenwerte im Steuerkurvenspeicher
11 kann beispielsweise in Form von aufeinander
folgenden Stützwerten erfolgen. Wenn der Ordinaten-Abstand
aller Stützwerte gleich ist, erfolgt nur die Abspeicherung
der Abszissen-Werte. Andernfalls können
Wertepaare aus Ordinaten und Abszisse abgespeichert
werden.
Die Zugriffe der verschiedenen Tonerzeugungsmodule 8-10
auf den Steuerkurvenspeicher können zyklisch in festgelegten
zeitlichen Abständen erfolgen, um Zugriffskonflikte
auszuschließen. In einer anderen Ausführungsform
können einzelne Tonerzeugungsmodule 8-10 unterschiedliche
Prioritäten haben, wobei das prioritätshöchste Tonerzeugungsmodul
vor allen anderen auf den Steuerkurvenspeicher
11 zugreifen kann, wenn es einen Bedarf dazu hat.
Der Steuerprozessor 19 übergibt seine Ausgangsdaten
an einen Phasenprozessor 22. Der Phasenprozessor 22
hat die Aufgabe, aus den vom Steuerprozessor 19 erhaltenen
Informationen die Phase für jede der Klangkomponenten
jeweils für ein festes Zeitintervall nachzuführen.
Aus den Phasenwerten berechnet der Phasenprozessor eine
Adresse und greift damit auf den Abtastwertspeicher
12 zu. Im Abtastwertspeicher 12 sind sogenannte Klangmerkmale
in Form von Abtastwerten abgelegt. Die Abtastwerte
können dabei lediglich eine Periode eines Klanges
umfassen, sogenannte "waves", sie können aber auch Klangmerkmale
eines gesamten Tones sein, d. h. des Tones vom
Anfang bis zum Ende, sogenannte "samples". Dies kann
beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn sich ein Ton
vom Start bis zum Ausklingen unregelmäßig verändert.
Dies ist beispielsweise bei einem Schlagzeugbeckenklang
der Fall. Ein anderes Beispiel ist das Anblasverhalten
von Pfeifenorgeln, die im Moment des Anblasens ein sehr
viel reichhaltigeres Frequenzspektrum als im eingeschwungenen
Zustand aufweisen.
Die vom Abtastwertspeicher 12 mit Hilfe der vom Phasenprozessor
22 erzeugten Adressen ausgelesenen Daten werden
direkt an ein Interpolationsfilter 23 weitergeleitet.
Die Berechnung der einzelnen Phasenwerte kann hier ebenfalls
hintereinander erfolgen, wobei durch die Auftrennung
von Speicherzugriff durch den Phasenprozessor 22
und Verarbeiten durch das Interpolationsfilters 23 die
gleichzeitige Durchführung beider Funktionen für aufeinanderfolgende
Werte möglich ist. Das Interpolationsfilter
23 errechnet aus den im Abtastwertspeicher 12
abgelegten Abtastwerten an einer von durch den Phasenprozessor
vorgegebenen Anzahl Stützstellen Amplitudenwerte.
Die Stützstellen sind dabei durch eine System-Abtastrate
bestimmt. Nach dem Durchlaufen des Interpolationsfilters
stehen also alle Töne mit einer einheitlichen
System-Abtastrate zur Verfügung. An den durch
die Abtastrate bestimmten Zeitpunkten stehen also im
gesamten Musikinstrument immer die Augenblickswerte
der digital nachzubildenden Klänge zur Verfügung. Sie
können dann einfach addiert oder subtrahiert werden,
ohne daß man auf unterschiedliche Phasenbeziehungen
achten müßte.
Das Interpolationsfilter 23 führt also mit anderen Worten
eine Abtastratenwandlung ("sample rate conversion")
durch. Das Interpolationsfilter 23 sollte zu diesem
Zweck die Charakteristik eines idealen Tiefpaßfilters
haben. Ein idealer Tiefpaßfilter wird durch eine möglichst
hohe Anzahl (Größenordnung ein oder mehrere
Hundert) von Polen nachgebildet. Ein derartiges Filter
mit vielen Polen ist allerdings relativ aufwendig und
somit teuer. Außerdem müssen dann in dem Filter eine
Vielzahl von mathematischen Operationen durchgeführt
werden, die die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Filters
und damit seinen Durchsatz stark vermindern. Alternativ
dazu ist in der vorliegenden Ausführungsform ein relativ
niederpoliges Filter, nämlich mit nur acht Polen, verwendet
worden. Dieses Interpolationsfilter 23 hat den großen
Nachteil, daß bereits unterhalb der Grenzfrequenz eine
erhebliche Dämpfung einzelner Frequenzkomponenten erfolgt.
Diese Frequenzkomponenten sind aber für die Nachbildung
der gewünschten Klänge unabdingbar. Um diese
Dämpfung zu kompensieren, sind die in dem Abtastwertspeicher
12 abgelegten Abtastwerte vor dem Einlesen einer
Preemphasis unterzogen worden, d. h. die Frequenzkomponenten,
die durch das Interpolationsfilter 23 gedämpft
werden, wurden vor dem Abspeichern im Abtastwertspeicher
12 verstärkt. Die entsprechende Verstärkung wird durch
das Interpolationsfilter 23 wieder weggedämpft, so daß
am Ausgang des Interpolationsfilters 23 ein digitales
Signal mit dem gewünschten Frequenzspektrum zur Verfügung
steht.
Mit dem Ausgang des Interpolationsfilters 23 ist ein
Amplitudenprozessor 24 verbunden, der ebenfalls durch
den Steuerprozessor 19 gesteuert wird. Der Amplitudenprozessor
24 hat die Aufgabe, die Amplitude des Ausgangssignals
des Interpolationsfilters 23 zu steuern. Da
der Ausgang des Interpolationsfilters 23 in digitaler
Form zur Verfügung steht, bedeutet dies, daß die einzelnen
Digitalwerte vorbestimmten mathematischen Operationen
unterworfen werden. Eine Verstärkung der Amplitude kann
beispielsweise durch Multiplikation mit einem Faktor
größer als 1 vorgenommen werden. Eine Abschwächung erfolgt
durch eine Multiplikation mit einem Faktor kleiner
als 1. Möglich ist auch die Ausbildung einer "negativen"
Amplitude durch Multiplikation mit einem negativen Faktor.
Eine negative Amplitude ist hier natürlich nur
als Rechengröße zu verstehen, da ein Unterschied zwischen
einer positiven und einer negativen Amplitude nicht
hörbar gemacht werden kann.
Mit dem Ausgang des Amplitudenprozessors 24 ist ein
Akkumulator verbunden, der ebenfalls vom Steuerprozessor
19 gesteuert werden kann. Der Akkumulator hat die Aufgabe,
digitale Signale, die ihm an aufeinanderfolgenden
Zeitpunkten zugeführt werden, aufzusummieren und an
einem auf die einzelnen Summationszeitpunkte folgenden
Zeitpunkt an den Audiobus 17 weiterzugeben. Im Akkkumulator
25 lassen sich also Klänge "zusammensetzen". Dargestellt
ist ein Akkumulator für jedes Tonerzeugungsmodul.
Es ist aber auch möglich, nur einen Akkumulator für
das gesamte Musikinstrument vorzusehen. Der Akkumulator
kann auch durch einen Addierer ersetzt werden, der die
an seinen Eingängen austretenden digitalen Größen zu
vorbestimmten Zeitpunkten aufsummiert.
Im Abtastwertspeicher 12 sind die Klänge in Form von
Klangmerkmalen abgespeichert. Ein Klang wird im Akkumulator
25 aus einer Vielzahl von einzelnen Klangmerkmalen
zusammengesetzt. Mindestens ein Klangmerkmal davon weist
Komponenten unterschiedlicher Frequenzen auf. In der
Regel werden aber die meisten oder sogar alle Klangmerkmale
aus einem Frequenzgemisch bestehen. Die einzelnen
Klangmerkmale sind dabei in zeitlich aufeinanderfolgenden
Abtastwerten gespeichert. Eine Besonderheit dabei ist,
daß alle Klangmerkmale mit einer vorbestimmten Phasenbeziehung
zueinander abgespeichert sind. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel beginnen alle Klangmerkmale mit
einem Nulldurchgang der Amplitude. Innerhalb des Klangmerkmals
haben auch alle Frequenzkomponenten eine vorbestimmte
Phasenbeziehung zueinander. Auch hierbei ist
bevorzugt, daß alle Frequenzkomponenten am Startzeitpunkt
einen Nulldurchgang haben. Durch diese spezielle Vorschrift
ist es möglich, die einzelnen Klangmerkmale
problemlos zu überlagern und dabei gezielte Überlagerungseffekte
zu erzeugen. In Fig. 3a ist ein erstes Klangmerkmal
mit drei Frequenzen f1, f3 und f7 dargestellt, die
jeweils die Wertigkeit 80, 30 und 10 haben. Beispielsweise
handelt es sich hier um ein Frequenzspektrum mit
der Grundwelle f1 und der dritten und siebten Oberwelle
f3 bzw. f7. Ein derartiges Klangmerkmal muß beim Hören
nicht unbedingt eine Erinnerung an das mit Hilfe dieses
Klangmerkmals nachzubildende Instrument wecken. Fig. 3b
zeigt ein weiteres Klangmerkmal, das allerdings keine
Grundwelle, sondern nur die dritte und siebte Oberwelle
f3 und f7 enthält. Bemerkenswert hierbei ist, daß die
siebte Oberwelle mit einer negativen Amplitude dargestellt
ist. Dies bedeutet nichts anderes, als daß die
siebte Oberwelle f7 im Startzeitpunkt eine negative
Steigung hat, d. h. ihre Amplitude unmittelbar nach dem
Startzeitpunkt kleiner als Null wird. Sie hat gegenüber
einer siebten Oberwelle, die zum Startzeitpunkt eine
positive Steigung hat, eine Phasenverschiebung von 180°.
Fig. 3c zeigt die Überlagerung der beiden Klangmerkmale
aus den Fig. 3a und 3b. Durch die negative Klangkomponente
f7 in Fig. 3b wird die positive Frequenzkomponente
f7 in Fig. 3a ausgelöscht. Die Überlagerung führt also
zu einem Frequenzspektrum, das nur noch die Grundwelle
und die dritte Oberwelle enthält, wobei die Amplitude
der dritten Oberwelle die Summe der entsprechenden Frequenzkomponenten
aus dem Klangmerkmal von Fig. 3a und
dem Klangmerkmal aus Fig. 3b ist.
Fig. 3d zeigt ein weiteres zusammengesetztes Frequenzspektrum,
bei dem ebenfalls nur die Klangmerkmale aus
Fig. 3a und 3b verwendet worden sind. Im Unterschied
zu Fig. 3c, wo die beiden Klangmerkmale von Fig. 3a
und b addiert worden sind, wurde für das Frequenzspektrum
aus Fig. 3d das Klangmerkmal aus Fig. 3b vom Klangmerkmal
nach Fig. 3a abgezogen. Die dritte Oberwelle f3 steht
also nur noch mit der Differenz zur Verfügung. Die siebte
Oberwelle f7 steht hingegen mit der Summe ihrer Amplituden
zur Verfügung, da das Substrahieren einer negativen
Größe der Addition ihres Betrages entspricht. Die Subtraktion
kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß der
Ausgangswert des Interpolationsfilters 23 im Amplitudenprozessor
24 mit einem Faktor (-1) multipliziert wird.
Fig. 3e zeigt ein drittes Frequenzspektrum, das ebenfalls
aus den beiden Klangmerkmalen nach Fig. 3a und b erzeugt
worden ist. Während das Klangmerkmal nach Fig. 3a unverändert
in den Akkumulator 25 eingelesen wurde, wurde
das Klangmerkmal nach Fig. 3b im Amplitudenprozessor
24 mit einem Faktor 0,5 multipliziert. Folglich werden
die Frequenzkomponenten der dritten und siebten Oberwelle
auch nur um einen um den Faktor 0,5 abgeschwächten Betrag
vergrößert bzw. verkleinert.
Die Verwendung einzelner Klangmerkmale ist nicht unbedingt
auf die Nachbildung eines Klanges eines einzigen
Instruments beschränkt. Natürlich ist zu erwarten, daß
alle Töne eines nachzubildenden Instruments eine gewisse
Gemeinsamkeit aufweisen. Das Frequenzspektrum wird jedoch
nicht für alle Töne identisch sein. In diesem Fall kann
man beispielsweise das für alle Töne eines Instruments
gemeinsame Klangmerkmal extrahieren und in weiteren
Klangmerkmalen lediglich die Differenzen zu den einzelnen
Tönen, die über den Tonumfang des Instruments unterschiedlich
sein werden, zusätzlich abspeichern. Überraschenderweise
hat sich aber herausgestellt, daß man
durchaus auch einzelne Klangmerkmale herausfinden kann,
die für eine Gruppe von Instrumenten gleich sind. Weiterhin
kann man durch geschickte Wahl der Klangmerkmale
erreichen, daß praktisch alle Klangmerkmale für mehrere
Töne oder sogar Klänge eingesetzt werden können. Im
vorliegenden Fall wurden der Einfachheit halber lediglich
zwei Klangmerkmale miteinander kombiniert. Der besondere
Effekt zeigt sich jedoch besser, wenn eine größere Anzahl
von Klangmerkmalen, beispielsweise drei oder vier, miteinander
kombiniert wird. Die Verwendung von mehr als
sechzehn Klangmerkmalen zur Erzeugung eines Klanges
ist jedoch in den meisten Fällen nicht besonders vorteilhaft,
da einerseits jedes Klangmerkmal zusätzlichen
Speicherplatz erfordert, andererseits die Unterschiede,
die durch das Hinzufügen eines siebzehnten Klangmerkmals
erzeugt werden sollen, praktisch nicht mehr hörbar
sind. Würde man ein einzelnes Klangmerkmal direkt hörbar
machen, ließen sich wahrscheinlich keine oder nur wenige
Gemeinsamkeiten mit dem nachzubildenden Instrument feststellen.
Erst durch die Überlagerung von mehreren Klangmerkmalen
ergibt sich der gewünschte Klang.
Die einzelnen Klangmerkmale sind im Abtastwertspeicher
12 in Form von Abtastwerten abgelegt. Dabei sind Klangmerkmale
mit nur wenigen Obertönen auch nur mit relativ
wenigen Abtastwerten abgespeichert. Aus dem Klangmerkmal
selbst läßt sich auch noch keine Information über die
in dem Klangmerkmal vorkommende höchste Frequenz entnehmen.
Die Frequenz, mit der das einzelne Klangmerkmal
wiedergegeben wird, ergibt sich erst durch die Abtastratenwandlung
im Interpolationsfilter 23. Dies soll
an einem in Fig. 4 dargestellten Beispiel deutlich gemacht
werden. Im Abtastwertspeicher 12 sind lediglich
die mit einem x gekennzeichneten Abtastwerte abgelegt.
Das Interpolationsfilter 23 berechnet an durch den Phasenprozessor
22 vorgegebenen Stellen, die durch eine
senkrechte Linie gekennzeichnet sind, Zwischenwerte.
Diese Zwischenwerte werden mit der System-Abtastrate
in den Akkumulator eingelesen. Nimmt man beispielsweise
eine System-Abtastrate von 44,1 kHz an, so summiert
der Akkumulator 25 alle Werte auf, die ihm an diskreten
Zeiten innerhalb von 22,7 µs an den Eingang angelegt
werden. Am Ende dieser 22,7 µs wird der aufsummierte
Wert dann ausgelesen. In der nicht maßstäblichen Darstellung
der Fig. 4 wird der Ton nach Fig. a innerhalb
von 15 Perioden der System-Abtastrate ausgelesen, in
Fig. 4b hingegen innerhalb von 30 Perioden. Der Ton
nach Fig. 4b erklingt also eine Oktave tiefer als der
Ton nach Fig. 4a. In einer maßstäblichen Darstellung
müßten die senkrechten Striche wesentlich dichter liegen.
Darunter würde allerdings die Übersicht leiden. Beispielsweise
wäre für eine Darstellung eines Tones mit
der Frequenz 440 Hz etwa 100 Perioden der Systemabtastrate
in der Figur darzustellen.
Ein einzelnes Klangmerkmal kann also durchaus für verschiedene
Tonhöhen eines einzelnen Klangs verwendet
werden. Die im Klangmerkmal abgespeicherten Frequenzen
geben dabei nur die Relation der Frequenzen, also beispielsweise
die Beziehung einer Grundfrequenz zu den
Oberwellen, an. Die Umsetzung dieser relativen Frequenzen
in ein absolutes Frequenzspektrum erfolgt erst durch
die Abtastratenwandlung im Interpolationsfilter 23.
Die Information, die in einem Klangmerkmal abgespeichert
ist, beschränkt sich auf das notwendigste. Die Anzahl
der gespeicherten Abtastwerte entspricht dem Doppelten
der höchsten in dem Klangmerkmal vorkommenden Frequenz.
Klangmuster, die sich über die Zeit stark verändern,
können als Klangmerkmals-Sätze abgelegt werden, die
mit Hilfe der Amplitudensteuerung im Verlauf der Zeit
unterschiedlich, also zeitabhängig, gemischt werden.
Auch die Überblendung von einem Klang zu einem anderen
ist möglich. Dabei sind die Amplitudensteuerkurven so
aufgebaut, daß ihre Summe immer konstant bleibt. Die
einzelnen Amplitudensteuerkurven sind also gegenläufig.
Claims (19)
1. Verfahren zum Erzeugen von Klängen, bei dem die
Klänge aus einzelnen Klangmerkmalen, die in Form
von Abtastwerten digital abgespeichert sind und
gesteuert ausgelesen werden, zusammengesetzt wer
den, wobei zumindest einige Klangmerkmale Komponen
ten unterschiedlicher Frequenz aufweisen, dadurch
gekennzeichnet, daß die Klangmerkmale nach dem Aus
lesen und vor dem Zusammensetzen einer Abtastraten
wandlung unterworfen werden, nach der alle Klang
merkmale mit einer einheitlichen Systemabtastrate
zur Verfügung stehen, wobei alle Klangmerkmale zum
Startzeitpunkt eines Klanges eine vorbestimmte Pha
senbeziehung zueinander aufweisen und die Komponen
ten eines Klangmerkmals zu diesem Startzeitpunkt
eine vorbestimmte Phasenbeziehung zu den anderen
Komponenten des gleichen Klangmerkmals aufweisen
derart, daß durch das Zusammensetzen der Klang
merkmale sowohl eine Verstärkung als auch eine Ab
schwächung von Frequenzkomponenten im resultieren
den Signal erzielbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Klangmerkmale zum Startzeitpunkt einen
Nulldurchgang aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß alle Komponenten eines Klangmerkmals
zum Startzeitpunkt einen Nulldurchgang aufweisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes Klangmerkmal mit einer
Anzahl von Abtastwerten gespeichert ist, die eine
vorbestimmte Beziehung mit der höchsten in dem
Klangmerkmal vorhandenen Frequenz aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Klangmerkmal mit einer Anzahl von Abtast
werten gespeichert ist, die mindestens dem Doppel
ten der höchsten in dem Klangmerkmal vorhandenen
Frequenz entspricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Klangmerkmale vor dem Zu
sammensetzen einer Amplitudensteuerung unterworfen
werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Amplitudensteuerung mit Hilfe von digital
gespeicherten Amplituden-Hüllkurven erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Amplituden-Hüllkurve aus Hüllkurven-Merkma
len zusammengesetzt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß einzelne Klangmerkmale zur Er
zeugung einer Mehrzahl von Klängen verwendet wer
den.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das Auslesen und die Abtastra
tenwandlung von mehreren Klangmerkmalen durch für
jeweils mehrere Klangmerkmale gemeinsame Einrich
tungen erfolgt, die die Klangmerkmale seriell oder
im Multiplexverfahren bearbeiten.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß während des Auslesens eines Abtastwerts eines
Klangmerkmals aus dem Speicher die Abtastratenbear
beitung eines Abtastwerts eines anderen Klangmerk
mals durchgeführt wird, das im vorausgehenden Zu
griff auf den Speicher ausgelesen worden ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß das Zusammensetzen der
einzelnen Klangmerkmale mit Hilfe eines Akkumula
tors erfolgt, in den Augenblickswerte der mit der
einheitlichen Systemabtastrate versehenen Klang
merkmale seriell addiert bzw. substrahiert werden,
wobei der Inhalt zu einem vorbestimmten Zeitpunkt
ausgelesen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß jeder Klang aus maximal
sechzehn Klangmerkmalen zusammengesetzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß für einen Klang parallel
mehrere Sätze von Klangmerkmalen zusammengesetzt
werden, die mit gegenläufigen Amplitudensteuerkur
ven überlagert werden.
15. Elektronisches Musikinstrument mit einer Speicher
einrichtung (12), in der Klangmerkmale in Form von
Abtastwerten digital gespeichert sind, wobei zumin
dest einige Klangmerkmale Komponenten unterschied
licher Frequenzen aufweisen, einer Ausleseeinrich
tung (22), die die Abtastwerte gesteuert aus der
Speichereinrichtung (12) ausliest, einem Akkumula
lator (25), der eingelesene Werte aufsummiert und die
Summe ausgibt, einem Digital/Analog-Wandler (26)
und einer Audio-Einrichtung (16), die das Ausgangs
signal des Digital/Analog-Wandlers (26) hörbar
macht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Interpola
tionsfilter (23) vorgesehen ist, das eine Abtastra
tenwandlung durchführt und an seinem Ausgang die
Klangmerkmale mit einer für das gesamte Musikin
strument einheitlichen Systemabtastrate zur Verfü
gung stellt, dessen Ausgang mit dem Akkumulator
(25) verbunden ist, wobei das Aufsummieren und das
Ausgeben im Akkumulator (25) innerhalb einer Peri
ode der Systemabtastrate erfolgt und daß die Klang
merkmale am Ausgang des Interpolationsfilters (23)
mit einer einheitlichen Systemabtastrate zur Ver
fügung stehen, wobei alle Klangmerkmale zum
Startzeitpunkt eines Klanges eine vorbestimmte Pha
senbeziehung zueinander aufweisen und die Komponen
ten eines Klangmerkmals zu diesem Startzeitpunkt
eine vorbestimmte Phasenbeziehung zu den anderen
Komponenten des gleichen Klangmerkmals aufweisen
derart, daß durch das Zusammensetzen der Klang
merkmale sowohl eine Verstärkung als auch eine Ab
schwächung von Frequenzkomponenten im resultieren
den Signal erzielbar ist.
16. Musikinstrument nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen dem Interpolationsfilter
(23) und dem Akkumulator (25) eine Amplituden-Steu
ereinrichtung (24) angeordnet ist.
17. Musikinstrument nach Anspruch 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das Interpolationsfilter (23)
weniger als zweiunddreißig Pole aufweist und die
Frequenzkomponenten der gespeicherten Klangmerkma
le, die unterhalb der Grenzfrequenz liegen und
durch das Interpolationsfilter (23) gedämpft wer
den, um einen der Dämpfung entsprechenden Faktor
verstärkt sind.
18. Musikinstrument nach einem der Ansprüche 16 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß Ausleseeinrichtung
(22), Interpolationsfilter (23), Akkumulator (25)
und gegebenenfalls Amplitudensteuereinrichtung (24)
in einem Klangerzeugungsmodul (8-10) zusammengefaßt
sind und mehrere Klangerzeugungsmodule (8-10) par
allel angeordnet sind.
19. Musikinstrument nach Anspruch 18, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Ausgangssignale der einzelnen
Klangerzeugungsmodule (8-10) eine vorbestimmte Pha
senverschiebung zueinander aufweisen.
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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1990
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