JP3777923B2 - 楽音信号合成装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子楽器、ゲーム機器、パーソナルコンピュータなどの楽音を発生する各種機器に適用されて楽音信号を合成する楽音信号合成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、位相変調、周波数変調などにより倍音成分を生成して楽音信号を合成する変調方式による楽音信号合成装置はよく知られている。この場合、充分な倍音成分を得るために、位相情報を入力して正弦波形を表す波形情報を出力する正弦波テーブルの出力を帰還して同テーブルに位相情報の一部として入力するようにしていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の装置にあっては、楽音波形信号として正弦波形から鋸歯状波的な波形まで変化する波形信号を得ることはできるが、例えば矩形波的な波形などの複雑な波形信号を得ることができず、種々の波形を発生させるという要求に充分に応えることができなかった。
【0004】
【発明の概略】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、簡単な構成で倍音を多く含んだ複雑な楽音波形信号を合成できる楽音信号合成装置を提供することにある。
【0005】
上記目的を達成するために、本発明の構成上の特徴は、供給された位相情報に基づいて正負の極性を有する所定の波形を表す波形情報を発生する波形発生手段と、波形発生手段によって発生された波形情報を入力して正負の一方の極性の情報に非線形変換する極性変換手段と、発生すべき楽音信号の音高に応じた位相情報と前記極性変換手段によって非線形変換された波形情報とを演算して波形発生手段に位相情報として供給する演算手段とを備えたことにある。また、前記極性変換手段を、波形情報を入力して2乗することにより非線形変換する2乗変換手段で構成してもよい。
【0006】
これによれば、波形発生手段から発生された波形情報は極性変換手段または2乗変換手段によって正負一方の極性に非線形変換されて、同非線形変換された波形情報が発生すべき楽音信号の音高に応じた位相情報と演算されて波形発生手段に帰還されるので、最終的に波形発生手段に供給される位相情報が複雑に変化することになり、結果として、波形発生手段から複雑な波形を表す波形情報が出力される。
【0007】
また、本発明の他の構成上の特徴は、供給された正負の極性を有する位相情報に基づいて所定の波形を表す波形情報を発生する波形発生手段と、波形発生手段に供給される位相情報を入力して正負の一方の極性の情報に非線形変換する極性変換手段と、発生すべき楽音信号の音高に応じた位相情報と前記極性変換手段によって非線形変換された位相情報とを演算して波形発生手段に位相情報として供給する演算手段とを備えたことにある。
【0008】
これによれば、波形発生手段に供給される位相情報が極性変換手段によって非線形変換されて、同非線形変換された位相情報が発生すべき楽音信号の音高に応じた位相情報に帰還されるので、最終的に波形発生手段に供給される位相情報が複雑に変化することになり、結果として、波形発生手段から複雑な波形を表す波形情報が出力される。
【0009】
その結果、これらの発明によれば、簡単な構成で倍音を多く含んだ複雑な楽音波形信号を合成でき、種々の波形を発生させるというユーザの要求にも充分に応えることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
a.第1実施形態
以下、本発明の第1実施形態について図面を用いて説明すると、図1は同実施形態に係る楽音信号合成装置を機能ブロック図により示している。
【0011】
この楽音信号合成装置は、位相情報発生器11、演算器12及び正弦波テーブル13を備えている。位相情報発生器11は、発生すべき楽音の音高周波数に比例した周波数情報FNを入力し、同入力した周波数情報FNを累算することにより前記音高周波数に比例した周波数を有して「−1」から「+1」まで鋸歯状波的に繰り返し変化する位相情報ωtを出力する。演算器12は、前記位相情報ωtに、正弦波テーブル13から読み出された波形信号を帰還させてなる帰還情報zを加算して同テーブル13に読み出しアドレス情報xとして供給する。正弦波テーブル13は、波形発生手段を構成するもので、「0」を中心に「−1」から「+1」に渡って変化する1波分の正弦波形を表す複数のサンプリング値を記憶しており、同サンプリング値は前記アドレス情報xによって読み出されて出力波形情報yとして出力される。
【0012】
正弦波テーブル13から演算器12への帰還路には、非線形変換手段を構成する絶対値変換器14、ローパスフィルタ15及びゲイン調整器16が介装されている。絶対値変換器14は、出力波形情報yの正の値をそのまま出力して負の値をその極性を反転して出力することにより同出力波形情報yを絶対値変換し、同絶対値変換された変換値|y|として出力する。
【0013】
ローパスフィルタ15は、この楽音信号合成装置の動作を安定させるために、変換値|y|をローパスフィルタ処理して出力するもので、同フィルタ15にはフィルタ特性(主に、カットオフ周波数)を変更制御するための制御値αが供給されている。この制御値αは、種々に変更されて外部から与えられるものである。このローパスフィルタ15としては周知の種々のローパスフィルタを利用することができ、例えば図2(A)〜(D)に示すように、遅延手段DLY、加算手段ADD及び乗算手段MULの種々の組み合わせにより構成できる。なお、遅延手段DLYは、入力情報を1ビット分遅延して出力するものである。加算手段ADDは入力情報を加算して出力するものであり、図中の符号「+」,「−」は加算及び減算をそれぞれ表すものである。乗算手段MULは、制御入力に供給される制御値α/2,1−α,α(図中に記入)を入力情報に乗算して出力するものである。
【0014】
ゲイン調整器16は、ローパスフィルタ処理された変換値|y|に帰還量を制御するための制御値βを乗算して帰還情報zとして演算器12に供給するものである。この制御値βは、合成される波形信号の形状を決定するためのパラメータの一つであり、種々に変更されて外部から与えられるものである。
【0015】
次に、この第1実施形態の動作を説明する。発生すべき楽音の音高周波数に比例した周波数情報FNが位相情報発生器11に供給されると、位相情報発生器11は、前記音高周波数に比例した周波数を有して「−1」から「+1」まで鋸歯状波的に繰り返し変化する位相情報ωtを演算器12の一方の入力に出力する。演算器12の他方の入力には、正弦波テーブル13から読み出された波形信号を帰還させてなる帰還情報zが供給されている。この帰還情報zは、正弦波テーブル13から読み出された出力波形情報yを絶対値変換器14にて絶対値変換し、同絶対値変換された変換値|y|をローパスフィルタ15にてローパスフィルタ処理し、かつローパスフィルタ処理された変換値|y|にゲイン調整器16にて制御値βを乗算することにより、生成される。そして、演算器12は、前記位相情報ωtと帰還情報zを加算して正弦波テーブル13に対するアドレス情報xを生成し、正弦波テーブル13から出力波形情報yが読み出し出力される。
【0016】
図3(A)〜(C)は、ローパスフィルタ15によるローパスフィルタ処理を考慮しないで、制御値βを「0」、「0.2」、「0.4」にそれぞれ設定した場合における出力波形情報yにより表された楽音波形信号の計算例を示している。なお、これらの計算例においては、音高周波数は220Hzに設定するとともに、サンプリング周波数fsは50KHzに設定されている。これらの図3(A)〜(C)の波形図により、制御値βを大きくするにしたがって、すなわち帰還ゲイン(制御値β)を大きくして帰還情報zを大きくするにしたがって、出力される楽音波形信号として矩形波的かつ複雑な波形信号が得られることが理解できる。
【0017】
このように上記実施形態によれば、正弦波テーブル13から発生された出力波形情報yが絶対値変換器14により絶対値変換(非線形変換)され、すなわち正負の極性を有する出力波形情報yが正負の一方の極性の情報に変換され、ローパスフィルタ15及びゲイン調整器16を介して演算器12に供給され、演算器12にて位相情報発生器11からの位相情報ωtに帰還されるので、正弦波テーブル13に供給されるアドレス情報xが複雑に変化することになり、結果として、正弦波テーブル13から複雑かつ矩形波的に変化する波形を表す出力波形情報yが出力される。
【0018】
次に、上記第1実施形態の変形例について説明すると、図4は同変形例に係る楽音信号合成装置を機能ブロック図により示している。
【0019】
この変形例は、上記第1実施形態のゲイン調整器16と演算器12との間にリミッタ21を設けている。このリミッタ21は、制御入力fに供給される値に応じてゲイン調整器16から供給される帰還情報zの値を図5に示す特性に制限して出力するものである。リミッタ21の制御入力fには演算器22が接続されており、演算器22は、位相情報発生器11からの位相情報ωtから、同位相情報ωtを遅延器23にて1ビットだけ遅延した位相情報を減算して制御入力fに供給する。
【0020】
この変形例においては、演算器22による演算は位相情報ωtを微分する(位相情報ωtにより表される波形の傾きを計算する)こと、すなわち発生される楽音信号の音高周波数に比例する制御値を導出することを意味する。したがって、発生される楽音信号の音高周波数が高くなるにしたがって、演算器12に供給される帰還情報zの最大値が小さく制限されることになる。その結果、この変形例によれば、高い周波数成分が位相情報ωtに帰還されることが防止され、同高い周波数成分の帰還による折り返しノイズの発生を良好に防止できる。
【0021】
なお、この変形例においては、演算器22及び遅延器23を省略して、位相情報発生器11に入力される周波数情報FNをリミッタ21の制御入力fに供給して、リミッタ21が周波数情報FNに応じて帰還情報zの最大値を小さく制限するようにしてもよい。この場合、図5の特性グラフは、演算器22から周波数情報FNに合わせて変更される。
【0022】
b.第2実施形態
次に、本発明の第2実施形態について図面を用いて説明すると、図6は同実施形態に係る楽音信号合成装置を機能ブロック図により示している。
【0023】
この第2実施形態に係る楽音信号合成装置は、上記第1実施形態の非線形変換手段である絶対値変換器14を演算器31で置換したものである。演算器31は、正弦波テーブル13から読み出された出力波形情報yを2乗して出力するものである。これによっても、出力波形情報yを非線形変換した(正負の極性を有する出力波形情報yを正負の一方の極性の情報に変換した)帰還情報zが演算器12に供給されて、位相情報ωtに帰還されることになるので、上記第1実施形態と同様な複雑な楽音波形信号が得られる。
【0024】
図7(A)〜(C)は、この第2実施形態において、ローパスフィルタ15によるローパスフィルタ処理を考慮しないで、制御値βを「0」、「0.2」、「0.4」にそれぞれ設定した場合における出力波形情報yにより表された楽音波形信号の計算例を示している。なお、これらの計算例においても、音高周波数は220Hzに設定されているとともに、サンプリング周波数fsは50KHzに設定されている。これらの図7(A)〜(C)の波形図により、制御値βを大きくするにしたがって、すなわち帰還ゲインを大きくして帰還情報zを大きくするにしたがって、出力される楽音波形信号として複雑かつ矩形波的に変化する波形信号が得られることが理解できる。
【0025】
また、この第2実施形態においても、上記第1実施形態の場合と同様に、図4に示すように、ゲイン調整器16と演算器12との間にリミッタ21を設けて、帰還情報zの最大値を発生される楽音の音高周波数に応じて制限するようにしてもよい。
【0026】
c.第3実施形態
次に、本発明の第3実施形態について図面を用いて説明すると、図8は同実施形態に係る楽音信号合成装置を機能ブロック図により示している。
【0027】
この第3実施形態に係る楽音信号合成装置は、上記第1実施形態に加えて演算器41〜44を設けたものである。演算器41,42は、正弦波テーブル13から読み出された出力波形情報y及び絶対値変換器14によって変換された変換値|y|にそれぞれ制御値mをそれぞれ乗算して出力する。この制御値mも、制御値βと同様に、合成される波形信号の形状を決定するためのパラメータの一つであり、種々に変更されて外部から与えられるものである。演算器43は、演算器41からの出力値から、正弦波テーブル13から読み出された出力波形情報yを減算して出力する。演算器44は、演算器42からの出力値から、演算器43からの出力値を減算してローパスフィルタ15に供給する。
【0028】
この第3実施形態によっても、出力波形情報yを非線形変換した帰還情報zが演算器12に供給されて、位相情報ωtに帰還されることになるので、上記第1実施形態と同様に複雑かつ矩形波的に変化する楽音波形信号が得られる。また、この第3実施形態によれば、絶対値変換された変換値|y|と出力波形情報yとが制御値mに応じて重み付けられてローパスフィルタ15に供給されるので、上記第1実施形態の場合に比べて出力波形情報yがより多彩に制御される。
【0029】
図9(A)〜(C)は、この第3実施形態において、ローパスフィルタ15によるローパスフィルタ処理を考慮しないで、制御値βを「0.3」に固定するとともに制御値mを「0」、「0.5」、「1.0」にそれぞれ設定した場合における出力波形情報yにより表された楽音波形信号の計算例を示している。なお、これらの計算例においては、音高周波数は110Hzに設定されているとともに、サンプリング周波数fsは50KHzに設定されている。これらの図9(A)〜(C)の波形図により、制御値mを大きくするにしたがってより複雑かつ矩形波的に変化する波形信号が得られることが理解できる。
【0030】
また、この第3実施形態においても、上記第1実施形態の場合と同様に、図4に示すように、ゲイン調整器16と演算器12との間にリミッタ21を設けて、帰還情報zの最大値を発生される楽音の音高周波数に応じて制限するようにしてもよい。また、このこの第3実施形態においても、絶対値変換器14を上記第2実施形態の演算器31に置換するようにしてもよい。
【0031】
d.第4実施形態
次に、本発明の第4実施形態について図面を用いて説明すると、図10は同実施形態に係る楽音信号合成装置を機能ブロック図により示している。
【0032】
この楽音信号合成装置は、上記第1実施形態と同様な位相情報発生器11及び演算器12を備えているとともに、演算器12の出力に接続された絶対値変換器51及び演算器52,53を備えている。絶対値変換器51は、本発明の波形発生手段に相当するもので、上記第1実施形態の絶対値変換器14と同様に構成されていて、上記第1実施形態の正弦波テーブル13と対比するならば、すなわち入力位相情報xが「0」を中心に「−1」から「+1」に渡って変化するものであるならば1波分の三角形を表す複数のサンプリング値を記憶していることに相当する。
【0033】
演算器52は、絶対値変換器51の出力に予め決められた所定値(例えば、−0.5)を加算することにより、絶対値変換器51の出力を「0」を中心に正負に変化する信号に変換して出力するものである。演算器53は、演算器52から供給される信号値に「2」を乗算すなわち同信号値を上位側に1ビットシフトするとともに最上位ビットを切り捨てて出力するものである。
【0034】
また、この第4実施形態においては、上記第1実施形態と同様な絶対値変換器14、ローパスフィルタ15及びゲイン調整器16に加えて、演算器54〜56をも介して、絶対値変換器51に位相情報xとして供給される信号値を非線形変換して演算器12に帰還するようにしている。演算器54は、演算器12から供給される信号値に「2」を乗算すなわち同信号値を上位側に1ビットシフトするとともに最上位ビットを切り捨てて出力するものである。演算器55は、演算器12から供給される信号値に制御値mを乗算して出力するものである。制御値mは、「−1」〜「0」の間で変化して合成される波形信号の形状を決定するためのパラメータの一つであり、種々に変更されて外部から与えられるものである。演算器56は、絶対値変換器14からの信号値と演算器55からの信号値とを加算して出力する。
【0035】
次に、この第4実施形態の動作を説明すると、発生すべき楽音の音高周波数に比例した周波数情報FNが位相情報発生器11に供給されると、位相情報発生器11は、前記音高周波数に比例した周波数を有して「−1」から「+1」まで鋸歯状波的に繰り返し変化する位相情報ωtを演算器12の一方の入力に出力する。演算器12の他方の入力には、同演算器12の出力を演算器54,55、絶対値変換器14、演算器56、ローパスフィルタ15及びゲイン調整器16により非線形変換した帰還情報zが帰還されている。
【0036】
演算器54〜56及び絶対値変換器14による非線形変換について説明しておくと、演算器12から演算器54に図11(A)に実線で示すような「−1.0」から「1.0」に渡って繰り返し変化する鋸歯状波信号(元の信号)が入力されたとする(実際には帰還により鋸歯状波よりも複雑な信号となる)と、演算器54のビットシフト演算により、入力鋸歯状波信号は図11(A)に破線で示すように元の信号の2倍の周波数を有するとともに、「−1.0」から「1.0」に渡って繰り返し変化する鋸歯状波信号に変換される。この2倍の周波数を有する鋸歯状波信号は、絶対値変換器14により絶対値変換されるので、同変換器14からは、図11(B)に示すように元の信号の2倍の周波数を有する三角波信号が出力される。そして、この三角波信号に、演算器56にて、演算器55により演算器12からの信号を反転した信号が制御値mに応じた比率で加算され、この加算された波形信号がローパスフィルタ15及びゲイン調整器16を介して演算器12に帰還されるので、演算器12から絶対値変換器51には複雑に変化する波形信号が位相情報xとして供給されることになる。なお、図11(A)中の各値は、信号値の正負及びその大きさを簡単のために5ビットで表して示したものである。
【0037】
そして、絶対値変換器51はこの複雑に変化する位相情報xを絶対値変換して、演算器52に供給する。演算器52は、この絶対値変換された波形信号を「0」を中心に正負に変化する信号に変換して演算器53に供給し、この変換された信号は演算器53によりビットシフト演算されて出力波形情報yとして出力される。
【0038】
図12(A)〜(D)は、ローパスフィルタ15によるローパスフィルタ処理を考慮しないで、制御値β,mをそれぞれ「0,0」、「0.4,0」、「0.4,−0.5」、「0.4,−1」にそれぞれ設定した場合における出力波形情報yにより表された楽音波形信号の計算例を示している。なお、これらの計算例においては、音高周波数は220Hzに設定されるとともに、サンプリング周波数fsは50KHzに設定されている。これらの図12(A)〜(D)の波形図により、制御値βを大きくするにしたがって、すなわち帰還ゲインを大きくして帰還情報zを大きくするにしたがって、出力される楽音波形信号として複雑かつ矩形波的に変化する波形信号が得られることが理解できる。また、制御値mを「0」から正負の値に変更すると、非対称に変化する複雑かつ矩形波的な出力波形情報yが得られることが理解できる。
【0039】
この上記第4実施形態のように、波形発生手段としての絶対値変換器51に供給される位相情報xを絶対値変換器14により絶対値変換(非線形変換)し、すなわち正負の極性を有する位相情報xを正負の一方の極性の情報に変換し、ローパスフィルタ15及びゲイン調整器16を介して演算器12に供給して位相情報発生器11からの位相情報ωtに帰還するようにしても、位相情報xの変化によって複雑かつ矩形波的な出力波形情報yを得ることができる。
【0040】
また、この第4実施形態においても、上記第1実施形態の場合と同様に、図4に示すように、ゲイン調整器16と演算器12との間にリミッタ21を設けて、帰還情報zの最大値を発生される楽音の音高周波数に応じて制限するようにしてもよい。また、この第4実施形態においても、絶対値変換器14を上記第2実施形態の演算器31に置換するようにしてもよい。
【0041】
なお上記第1〜第4実施形態においては、機能ブロック図により本発明の各実施形態について説明したが、同機能ブロック図を専用のハード回路で実現するようにしてもよいし、一部に汎用性を持たせたディジタル信号処理回路(DSP)などのハード回路で実現するようにしてもよいし、プログラム処理などのソフト的な処理で実現するようにしてもよい。
【0042】
e.その他の変形例
上記第1〜第3実施形態においては、位相情報に基づいて所定の波形を表す波形情報を発生する波形発生手段として正弦波テーブル13を利用するようにしたが、同テーブルに代えて上記第4実施形態の絶対値変換器(三角波発生手段)51、又は正弦波と三角波の間のような波形のサンプル値を記憶した波形メモリを利用するようにしてもよい。また、逆に、上記第4実施形態の絶対値変換器(三角波発生手段)51に代えて、正弦波テーブル又は正弦波と三角波の間のような波形のサンプル値を記憶した波形メモリを利用するようにしてもよい。
【0043】
また、上記第1〜第4実施形態においては、波形発生手段としての正弦波テーブル13又は絶対値変換器51を発生すべき楽音信号の全ての音高周波数に対して共通に用いるようにしたが、発生すべき楽音信号の音高周波数を複数の帯域に分けて、各帯域毎に異なる波形データを記憶した複数の波形記憶手段を用意しておいて、発生すべき楽音信号の音高周波数に応じて異なる波形記憶手段に記憶されている波形データを選択的に読み出すようにしてもよい。これによれば、不要な高い周波数成分が位相情報ωtに帰還されることが抑えられ、同高い周波数成分の帰還による折り返しノイズの発生を良好に防止できる。
【0044】
また、上記第1〜第4実施形態においては、絶対値変換器14として入力信号値を直線的に変化する絶対値に変換する変換器を用いるようにしたが、直線的以外の曲線的に絶対値が変化する変換器を用いるようにしてもよい。
【0045】
さらに、上記第1〜第4実施形態においては、一系列の楽音信号合成装置のみを示したが、複数系列の楽音信号合成装置を並列に設けて、異なる系列の楽音信号合成装置で生成される出力波形情報y又は位相情報xを位相情報発生器11からの位相情報ωtに帰還させるようにしてもよい。これにより、より複雑な楽音波形信号の発生が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態に係る楽音信号合成装置の機能ブロック図である。
【図2】 (A)〜(D)は、それぞれ図1のローパスフィルタの回路例を示すブロック図である。
【図3】 (A)〜(C)は、前記第1実施形態において、それぞれ制御値βを異なる値に設定した場合の出力波形信号の波形図である。
【図4】 前記第1実施形態の変形例に係る楽音信号合成装置の機能ブロック図である。
【図5】 図4のリミッタの特性を表す特性グラフである。
【図6】 本発明の第2実施形態に係る楽音信号合成装置の機能ブロック図である。
【図7】 (A)〜(C)は、前記第2実施形態において、それぞれ制御値βを異なる値に設定した場合の出力波形信号の波形図である。
【図8】 本発明の第3実施形態に係る楽音信号合成装置の機能ブロック図である。
【図9】 (A)〜(C)は、前記第3実施形態において、それぞれ制御値mを異なる値に設定した場合の出力波形信号の波形図である。
【図10】 本発明の第4実施形態に係る楽音信号合成装置の機能ブロック図である。
【図11】 前記図10の機能ブロック図の各部の波形を説明するための波形図である。
【図12】 (A)〜(D)は、前記第4実施形態において、それぞれ制御値β,mを異なる値に設定した場合の出力波形信号の波形図である。
【符号の説明】
11…位相情報発生器、12,31,41〜44,52〜56…演算器、13…正弦波テーブル、14,51…絶対値変換器、15…ローパスフィルタ、16…ゲイン調整器、21…リミッタ。
Claims (3)
- 供給された位相情報に基づいて正負の極性を有する所定の波形を表す波形情報を発生する波形発生手段と、
前記波形発生手段によって発生された波形情報を入力して正負の一方の極性の情報に非線形変換する極性変換手段と、
発生すべき楽音信号の音高に応じた位相情報と前記極性変換手段によって非線形変換された波形情報とを演算して前記波形発生手段に位相情報として供給する演算手段と
を備えたことを特徴とする楽音信号合成装置。 - 供給された正負の極性を有する位相情報に基づいて所定の波形を表す波形情報を発生する波形発生手段と、
前記波形発生手段に供給される位相情報を入力して正負の一方の極性の情報に非線形変換する極性変換手段と、
発生すべき楽音信号の音高に応じた位相情報と前記極性変換手段によって非線形変換された位相情報とを演算して前記波形発生手段に位相情報として供給する演算手段と
を備えたことを特徴とする楽音信号合成装置。 - 供給された位相情報に基づいて正負の極性を有する所定の波形を表す波形情報を発生する波形発生手段と、
前記波形発生手段によって発生された波形情報を入力して2乗することにより非線形変換する2乗変換手段と、
発生すべき楽音信号の音高に応じた位相情報と前記2乗変換手段によって非線形変換された波形情報とを演算して前記波形発生手段に位相情報として供給する演算手段と
を備えたことを特徴とする楽音信号合成装置。
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