JP3575074B2 - 電子楽器のディジタル波形信号処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、電子楽器において、ディジタル波形信号を歪ませて倍音成分を変化させる電子楽器のディジタル波形信号処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来波形信号を歪ませて倍音成分を変化させ音色に変化を与える効果回路としては、例えば、ディストーション回路があった。ディストーション回路は、飽和特性を持つ増幅回路を用い、入力信号のレベルを該増幅回路の最大入力レベル程度まで大きくして入力することにより、信号のピーク付近を緩やかに歪ませて倍音成分を増やして音色を変えるものである。
【０００３】
また、近年効果回路もディジタル化が進行しており、上記ディストーションもディジタル化されたものが実用化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ディジタル回路でアナログ回路の特性を利用した効果回路を模倣しようとすると処理が複雑化するうえ、ディジタル回路の特性を有効に生かせないという問題点があった。
【０００５】
この発明は、ディジタル信号処理回路の特性を生かした簡略で高い効果を得ることができる電子楽器のディジタル波形信号処理方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、複数ビットのディジタル波形信号を入力し、この入力信号を制御信号で固定小数点演算の除算をすることにより小数点以下を切り捨て、その演算結果である中間値に前記制御信号を乗算した結果を出力信号として出力することを特徴とする。
この発明は、前記中間値にディザー信号を加算することを特徴とする。
この発明は、前記中間値をフィルタ処理することを特徴とする。
【０００７】
【作用】
この発明のディジタル波形信号処理方法では、入力された複数ビットのディジタル波形信号に対して、下位ビットのみ非線形な処理を施す。非線形な処理とは入力信号と出力信号とでビットの誤りが生じる処理のことをいう。このような処理を施すことにより、波形信号の大枠の形状を維持しつつ、細部に歪みを持たせることができる。具体的な非線形処理としては、入力された信号に対してある係数Ｐを用いて固定小数点表現の除算を行って小数点以下を切り捨て、この値に再度係数Ｐを用いて乗算を施して桁を戻すことにより、下位ビットに切り捨て分の誤りを生じさせるという処理方法がある。このような処理であると、係数Ｐを変えることで簡単にその処理特性を変更することができ、アナログの効果回路（例えばディストーション回路）に比してリアルタイムの特性変更が極めて容易になる。
【０００８】
【実施例】
図１はこの発明の実施例であるエフェクト回路のブロック図である。このエフェクト回路１は除算回路４および乗算回路５を備えている。これら除算回路４，乗算回路５は固定小数点表現の演算回路であり、除算回路４→乗算回路５の順に接続されている。これら除算回路４，乗算回路５にはディジタル波形信号発生部２からディジタル波形信号Ｘが入力される。また、除算回路４，乗算回路５には制御信号発生部３から係数として制御信号Ｐが入力される。ディジタル波形信号Ｘはｎビット（例えば１６ビット）信号である。制御信号Ｐはｍビット（ｍ＜ｎ）のディジタル信号である。
【０００９】
エフェクト回路１において、Ｘはまず被除数として除算回路４に入力される。除算回路４はＸをＰで除して中間値Ｎを出力する。中間値Ｎのビット数はＮビット（Ｎ＜ｍ＋ｎ）とする。除算回路４は、固定小数点回路であるため商の有効桁以下の少数部は切り捨てられ、有効桁の範囲内の数値のみがデータとして扱われる。さらに、この中間値Ｎは乗算回路５に入力される。乗算回路の乗数は除算回路４の除数と同様の制御信号Ｐである。乗算回路５の乗算出力が出力信号Ｘ′としてこのエフェクト回路１から出力される。
【００１０】
ここで、演算例を示す。この演算例では少数点を最下位桁に固定し、整数演算を行っている。ＸおよびＰがともに１６ビットでそれぞれ、

とすると、除算回路の演算結果Ｎ（＝Ｘ／Ｐ）は、

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

となる。すなわち、入力信号Ｘと出力信号Ｘ′との間には上記剰余分＄６＝％０１１０の誤差が生じている。入力されるディジタル波形信号は常時変動するものであるため、入力信号Ｘと出力信号Ｘ′との間の誤差も変動し、これによって波形に変化が生じる。
【００１１】
また、上記演算例では制御信号（除数）Ｐとして＄００１４を用いたが、制御信号Ｐとして１６ビット中の１ビットのみ“１”である値（たとえば＄００８０）を用いた場合には、“１”のたっているビットより下位ビットのＸの値を全て０にしてＸ′とする演算を行うことができる。すなわち、ビットシフトによる省略演算が可能になる。この場合、除算，乗算のうち、一方のみシフトしても両方シフトしてもどちらでもよい。これにより、波形歪みの度合いを大きく変化させることができる。また、このときに最下位の２ビット程度はそのまま保存しておき、中間のビットのみ非線形にすることもできる。さらに、上記演算では少数部分を切り捨て演算したが、切上げ演算や少数第一位のビットに応じて振り分ける（いわゆる四捨五入）ようにしてもよい。また、除算は逆数をとって乗算するという方式でもよい。信号を対数変換して乗除算を対数の加減算に置き換えて行い、最後に指数変換して出力を得るようにしてもよい。
【００１２】
このエフェクト回路は、固定少数点（整数）表現で除算を行うことにより入力信号と出力信号との間で下位ビットを非線形としたが、下位ビットを非線形とする方式はこれに限定されるものではない。たとえば、テーブルを用いて入力信号を変換し、下位ビットのみランダム化することも考えられる。また、入力信号の信号レベルが大きいときには荒くビットを変化させ、入力信号のレベルが小さいときには比較的細かくビットを変化させるようにしてもよい。なお、係数として制御信号Ｐを入力しているが、制御信号を別に入力せず、入力信号から制御信号を生成するようにしてもよい。たとえば、最も単純な方法としては入力信号を自乗して新たな値を生成する方式が考えられる。
【００１３】
さらに、制御信号Ｐは正の数に限定されるものではなく、ピッチベンドホイールなどのように正負の値を出力するコントローラなどから出力するようにしてもよい。この場合には、その絶対値をとって係数としてもよく、また、図１の回路であれば、制御信号Ｐが負数であっても、除算および乗算によって信号Ｘ′は正の数になるからである。いずれにしても、制御信号Ｐの値をリアルタイムに変動させることはコントローラ等によって容易にでき、さらに、エフェクト回路１は制御信号Ｐに応じてその演算内容を容易に変更できるため、このエフェクト回路１は効果のリアルタイム制御が極めて容易にできる。
【００１４】
このエフェクト回路１は、ハードウェアで構成しても、マイコン，ＤＳＰなどの処理装置およびソフトウェアで構成してもよい。
【００１５】
なお、制御信号Ｐを発生する操作子は、ホイール，スライダ，ペダル，ダイアル，ジョイスティック，マウスなどのほか、演奏者の身振り動作検出によるものなどどのようなものでもよい。また、操作によらなくても、任意の値、あるいは時変信号を制御信号Ｐとして発生してもよい。時変信号の発生は、電子楽器の技術では公知の振幅エンベロープ発生器の構成を適用することも可能である。なお、操作子の操作またはその操作対応信号の変化が急激で、そのままでは効果出力にクリックノイズが生じるおそれがある場合には、操作信号Ｐにフィルタ処理を施せばよい。
【００１６】
図１において、ディジタル楽音波形発生部２は、どのような方式で波形信号を発生するものでもよい。例としては、波形メモリの読出回路、ＦＭやＡＭなどの変調による音源回路、物理モデルによる音源回路などを適用することができる。その他、ＣＤ，ＤＡＴ，ＭＤなどのディジタルオーディオ再生装置の出力信号を入力するようにしてもよい。マイクロフォン入力をＡ／Ｄ変換した信号でもよい。
【００１７】
図２〜図４は上記実施例の変形例を示す図である。
【００１８】
図２では、ディザー発生部１０を設けるとともに、除算回路４と乗算回路５との間に加算器１１を挿入し、この加算器１１にディザー発生部１０が発生するディザー信号を入力している。加算器１１において、除算回路４が出力する中間値Ｎにディザーが付加される。これにより、入力信号Ｘのレベルが低いレベルのとき、この回路によって歪みを散らしノイズ成分が局所的に大きくなり過ぎないようにしている。
【００１９】
図３では、除算回路４と乗算回路５との間にフィルタ部１２を挿入している。フィルタ部１２は、たとえば、ローパスフィルタで構成することができ、この場合には、除算によって発生する折り返しノイズ成分等を除去して波形成分のみを取り出すことができる。また、フィルタ部１２としてはこれ以外にバンドパスフィルタ等を用いてもよい。このフィルタ部１２のカットオフ特性は、除算回路４，乗算回路５に入力される制御信号Ｐを用いてリアルタイムに制御するようにしてもよい。
【００２０】
図４の回路は、図１のエフェクト回路１と原音（ディジタル波形信号Ｘ）とをミキサ１５を用いて混合するようにした回路である。ミキサ１５は原音であるディジタル波形信号Ｘおよびエフェクト回路１で処理された信号Ｘ′を入力し、これらを混合して出力信号として出力する。これらの信号の混合比はＭＩＸＣｏｎｔｒｏｌ信号によって制御される。なお、このＭＩＸＣｏｎｔｒｏｌ信号として制御信号Ｐを用いてもよい。
【００２１】
図５は上記エフェクト回路をディレイ型音源に適用した例を示している。ディレイループは、加算器２２，エフェクト回路２３，フィルタ部２４およびディレイ部２５からなっている。加算器２２にはエネルギ信号（ＤＣ波形）が入力される。エネルギ信号は励振波形発生部２０が発生し、エフェクト回路２１を介して加算器２２に入力される。エフェクト回路２１は励振波形発生部２０が発生した波形信号の波形に変化を与え倍音成分を豊かにする。ディレイループはエフェクト回路２３およびフィルタ部２４で音色を制御し、ディレイ部２５で共振周波数（音高）を制御する。エフェクト回路２３は主として波形に歪みを与え、フィルタ部２４は主として倍音成分を制御する。出力信号はディレイループ中のどの点からでも取り出すことができる。なお、エフェクト回路２１，２３にはそれぞれ、制御信号としてＰ_１ ，Ｐ_２ が入力されている。
【００２２】
なお、この音源回路のパラメータを適当に設定することにより、いわゆる物理モデル音源を構成することができる。すなわち、フィルタ部２４およびディレイ部２５を自然楽器の共鳴部の伝達特性や共振特性を模倣するように設定し、励振波形発生部２０が出力するエネルギ信号を自然楽器を演奏する演奏操作のパワーに対応させることにより自然楽器の発音機構をシミュレートして楽音信号を形成することができる。基本的なディレイループ型音源は特公昭５８−４８１０９号公報に詳細に記載され、物理モデル音源（管楽器型）は特開平２−２９３８９８号公報に詳細に記載されている。
【００２３】
図６は前記エフェクト回路をＦＭ音源に適用した例を示している。このＦＭ音源は２オペレータのＦＭ音源である。第１のオペレータである変調波を発生する変調波発生回路３０は自己が発生した信号（変調波）をフィードバックして該自己の発生する信号を変調するいわゆる自己ＦＭ動作をしている。このフィードバック回路にエフェクト回路３１が挿入されている。また、この変調波はキャリア発生回路３３に供給されるが、変調波発生回路３０とキャリア発生回路３３との間にエフェクト回路３２が挿入されている。キャリア発生回路３３は、入力される変調波で変調しつつオペレータ（キャリア）を発生出力する。エフェクト回路３１，３２にはそれぞれ制御信号Ｐ_１ ，Ｐ_２ が入力されている。これにより、変調波発生回路３０に入力される自己ＦＭ信号およびキャリア発生回路３３に入力される変調信号とも複雑な波形となり、２オペレータであっても複雑な楽音波形信号を形成することができる。ＦＭ音源は特公昭５７−４３９２０号公報に詳細に記載され、フィードバックによる自己ＦＭ方式の音源は特公昭６１−２０８７５号公報に詳細に記載されている。
【００２４】
また、図１のエフェクト回路は上記音源回路以外に、残響装置などの効果装置にも適用することができる。この場合には、任意の信号経路に図１の回路を設ければよい。
【００２５】
なお、この発明の下位ビットのみ非線形な処理としては、固定小数点表現による除算と乗算を連続して行う処理などの、関数とその逆関数による連続演算を適用することができる。この発明の処理をＤＳＰやマイコンシステムで実行する場合、演算はＤＳＰやＣＰＵにとって極めて容易な処理であるため、非常に高速にこの処理を実行することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、入力したディジタル波形信号の下位ビットのみ非線形な演算を施すようにしたことにより、簡略な構成で信号の波形を大きく変化させることができる。また、リアルタイムに波形制御の態様を変化させることも簡略にできるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例である効果回路のブロック図
【図２】同効果回路の変形例を示す図
【図３】同効果回路の変形例を示す図
【図４】同効果回路の変形例を示す図
【図５】同効果回路を用いた音源回路のブロック図
【図６】同効果回路を用いた音源回路のブロック図
【符号の説明】
１−エフェクト回路、２−ディジタル波形信号発生部、３−制御信号発生部
４−除算回路、５−乗算回路

Claims (3)

1. 複数ビットのディジタル波形信号を入力し、この入力信号を制御信号で固定小数点演算の除算をすることにより小数点以下を切り捨て、その演算結果である中間値に前記制御信号を乗算した結果を出力信号として出力することを特徴とする電子楽器のディジタル波形信号処理方法。
2. 前記中間値にディザー信号を加算することを特徴とする請求項１に記載のディジタル波形信号処理方法。
3. 前記中間値をフィルタ処理することを特徴とする請求項１に記載のディジタル波形信号処理方法。

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