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WO2004061816A2 - Klangsignal-syntheseeinrichtung und verfahren zum rechnergestützten bilden eines klangsignals - Google Patents

Klangsignal-syntheseeinrichtung und verfahren zum rechnergestützten bilden eines klangsignals Download PDF

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Publication number
WO2004061816A2
WO2004061816A2 PCT/DE2003/004300 DE0304300W WO2004061816A2 WO 2004061816 A2 WO2004061816 A2 WO 2004061816A2 DE 0304300 W DE0304300 W DE 0304300W WO 2004061816 A2 WO2004061816 A2 WO 2004061816A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
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signal
sound signal
synthesis
partial
unit
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/004300
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2004061816A3 (de
Inventor
Markus Lorber
Original Assignee
Infineon Technologies Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies Ag filed Critical Infineon Technologies Ag
Priority to AU2003299287A priority Critical patent/AU2003299287A1/en
Publication of WO2004061816A2 publication Critical patent/WO2004061816A2/de
Publication of WO2004061816A3 publication Critical patent/WO2004061816A3/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10H—ELECTROPHONIC MUSICAL INSTRUMENTS; INSTRUMENTS IN WHICH THE TONES ARE GENERATED BY ELECTROMECHANICAL MEANS OR ELECTRONIC GENERATORS, OR IN WHICH THE TONES ARE SYNTHESISED FROM A DATA STORE
    • G10H5/00—Instruments in which the tones are generated by means of electronic generators
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10H—ELECTROPHONIC MUSICAL INSTRUMENTS; INSTRUMENTS IN WHICH THE TONES ARE GENERATED BY ELECTROMECHANICAL MEANS OR ELECTRONIC GENERATORS, OR IN WHICH THE TONES ARE SYNTHESISED FROM A DATA STORE
    • G10H1/00—Details of electrophonic musical instruments
    • G10H1/02—Means for controlling the tone frequencies, e.g. attack or decay; Means for producing special musical effects, e.g. vibratos or glissandos
    • G10H1/04—Means for controlling the tone frequencies, e.g. attack or decay; Means for producing special musical effects, e.g. vibratos or glissandos by additional modulation

Definitions

  • the invention relates to a sound signal synthesis device and method for computer-aided formation of a sound signal.
  • a music synthesizer is often used for computer-aided formation of a sound signal, in particular for generating a drum sound signal.
  • the drum sound signal is generated using sound samples.
  • the use of sound samples leads to a large memory requirement in the music synthesizer.
  • subtractive synthesis for generating a sound signal, in which the sound signal is formed by means of a broadband signal provided and a parameterized filter applied to it.
  • the problem with subtractive synthesis is that a filter parameter set is only valid for a certain sampling frequency of the broadband signal generated. This means that with a freely adjustable sampling frequency in the music synthesizer, separate filter parameters must be specified for each possible sampling frequency, which also increases the memory requirement considerably.
  • FM synthesis frequency modulation synthesis
  • aliasing effects so-called aliasing effects
  • Document [3] describes a sound synthesis unit in which FM synthesis is carried out. Furthermore, it is according to Document [3] makes it possible to add white noise, which is generated by means of a linear 31-bit shift register, to a signal from other noise sources.
  • white noise which is generated by means of a linear 31-bit shift register
  • the pseudo-random, evenly distributed cyclic noise signal generated by means of the linear shift register represents white noise.
  • Document [4] describes generating a noisy signal using subtractive synthesis.
  • the invention is based on the problem of forming a sound signal with the aid of a computer, the signal synthesis making do with less memory space than in the prior art.
  • a sound signal synthesis device has an FM synthesis unit for generating a partial FM signal
  • a subtractive synthesis unit is provided for generating a noisy partial signal of the sound signal, the subtractive synthesis unit being set up to carry out a subtractive sound synthesis.
  • a likewise provided merging unit is coupled to the FM synthesis unit and the subtractive synthesis unit, so that the merging unit has the FM partial signal generated by the FM synthesis unit and that of the.
  • Subtractive synthesis unit generated noisy partial signal receives and merges into the sound signal.
  • a partial FM signal of the sound signal is generated by means of an FM synthesis unit.
  • a noisy partial signal of the sound signal is converted into a subtractive one by means of a subtractive synthesis unit
  • the invention can clearly be seen in the fact that a very efficient implementation of a sound generator for the synthesis of a sound signal, in particular of drum and percussion sounds, was created based on the combination of frequency modulation synthesis and simple subtractive synthesis.
  • the sampling frequency used is thus freely selectable.
  • the invention is particularly suitable for the synthesis of a drum sound signal or a percussion
  • Signal processor generally any processor unit in which the synthesis device or
  • ringtones or on-hold music pieces in a mobile radio telephone or also in a landline telephone software-based MIDI synthesizers for different portable devices, etc.
  • the invention can be implemented both in software, that is to say by means of a computer program, in hardware, that is to say by means of a special electronic circuit, or in any hybrid form, that is to say by means of software components and hardware components.
  • the invention also offers the advantages that only a few parameters are required and have to be set, and yet a large number of common drum instruments can be parameterized and the corresponding sound signals can be generated.
  • the invention is independent of the sampling frequency, so that the sampling frequency can be kept programmable at runtime and is thus set up to be changeable and the invention manages with a single parameter set that is independent of the sampling frequency for each instrument to be parameterized.
  • a software-based solution on a digital signal processor or on a micro-controller platform is more cost-effective than additional synthesizer hardware.
  • the embodiments of the invention described below relate both to the sound signal synthesis device and the method for computer-aided formation of a sound signal.
  • the FM synthesis unit has one modulator and one
  • the carrier signal oscillator can be set up in such a way that it can or generates a carrier signal which has at least one of the following signal forms: a sinusoidal form,
  • any complex frequency modulation can be implemented by means of the FM synthesis unit and can be used according to the invention.
  • the subtractive synthesis unit is preferably set up in such a way that it optionally has a noisy partial signal in accordance with white noise and / or a noisy one
  • 1 can generate a partial signal according to a pink noise (—noise).
  • the noisy partial signal can be a pseudo-random signal or a random signal generated by means of linear congruence.
  • the merging unit can be set up as an adder, with which the FM partial signal is added to the noisy partial signal, thus forming the sound signal.
  • a filter unit between the subtractive synthesis unit and the merging unit for filtering the noisy partial signal in accordance with a predetermined filter specification, in particular by means of a low-pass filter a predetermined cutoff frequency.
  • the filter unit can be a single low-pass filter or a plurality of cascaded IIR Wegpassfi 'lter (Infinite Input Response low-pass filter) have.
  • filter coefficients are independent of the selected, adjustable
  • the low-pass filter or filters are preferably set up in such a way that the bandwidth of the white noise signal and / or the pink noise signal is limited to half the sampling frequency.
  • the sound signal synthesis device can have one or more ADSR envelope generator, which is coupled on the input side to an output of the frequency modulation synthesis unit and an output of the subtractive synthesis unit, so that in the ADSR
  • Envelope generator the signal supplied to this signal is changed in accordance with the ADSR envelope of the ADSR envelope generator (s).
  • an ADSR curve formed by means of any partial functions can be used as the ADSR envelope curve generator, for example by means of linear partial curves or by means of exponential partial curves, which are formed according to one or more exponential functions.
  • the figure shows a block diagram of the sound signal synthesis device according to an embodiment of the invention.
  • the figure shows a sound signal synthesis device 100 according to an embodiment of the invention.
  • the sound signal synthesis device 100 has a frequency modulation synthesis unit 101 and a subtractive synthesis unit 136.
  • FM synthesis is combined with a simple subtractive synthesis, with which these two types of spectral components are generated.
  • the FM synthesis unit 101 has a first modulator 102, with which a sinusoidal signal of a first frequency fml is generated.
  • the size of II determines the bandwidth (number of partials) of the FM signal generated.
  • a first ADSR envelope generator 109 which is set up for the FM synthesis unit 101, is also provided.
  • a second multiplier 110 to which the frequency-modulated signal 108 and a first envelope signal 111 generated by the first ADSR envelope generator 109 are fed on the input side, the frequency-modulated signal 108 and the first envelope signal 111 are multiplied with one another, whereby an FM-synthesized signal 112 is generated ,
  • Percussion instruments typical non-harmonic partials, i.e. a non-harmonic partial signal of the sound signal is generated.
  • the frequencies of the modulator signal and the carrier signal can be programmed in a predefinable manner.
  • a non-rational relationship between the frequency of the modulator signal with the frequency fml and the carrier signal with the frequency fcl leads to non-harmonic components in the FM-synthesized sound signal 112.
  • Integer ratios provide harmonic spectra.
  • the relationship between fcl and fml is set using the multiplier fml_multipl.
  • modulation index II could also be multiplied by an ADSR envelope in order to control the bandwidth of the FM signal over time.
  • the subtractive synthesis unit 136 has a first noise signal generation unit 113 and a second noise signal generation unit 114.
  • the first noise signal generation unit 113 is set up in such a way that it generates a first noise signal 115 with the characteristic of a white noise.
  • the second noise signal generation unit 114 is set up in such a way that it combines a second noise signal 116 with the
  • a switch unit 117 is provided with which the first noise signal 115 and / or the second noise signal 116 can / can be selected and can be provided at an output of the subtractive synthesis unit 136 as a noisy partial signal 118.
  • a second ADSR envelope generator 119 is provided for generating a second envelope signal 120, the course of which can be specified specifically for subtractive synthesis.
  • the output of the second ADSR envelope generator 119 is coupled to a first input of a third multiplier 121, the second input of which is coupled to the output of the subtractive synthesis unit 102.
  • the noisy sub-signal 118 and the second envelope signal 120 are thus supplied to the third multiplier 121 and multiplied there to form a subtractive synthesis signal 122.
  • the subtractive synthesis in the subtractive synthesis unit 102 With the subtractive synthesis in the subtractive synthesis unit 102, the broadband,. noisy signal components of the sound signal to be synthesized are generated and can thus be mixed with the FM-synthesized sound signal 112.
  • the subtractive synthesis is clearly carried out according to the method described in [1].
  • the FM-synthesized signal 112 fed to the adder 123 at its first input and the subtractive synthesis signal 122 fed to the adder 123 at its second input are added to an intermediate signal 124 which is fed to a first input of a fourth multiplier 125 becomes.
  • a second input of the fourth multiplier 125, a 'of the strength (velocity) of corresponding a predetermined characteristic formed weighting factor 126, which is generated by a velocity signal generator 127 is supplied in accordance with.
  • the band-limited signal 128 in this way is fed to a first input of a fifth multiplier 129, the second input of which has an output of a
  • Volume signal generation unit 130 is coupled, which is used a volume weighting factor 131 according to a predetermined volume characteristic for adjusting the amplitude of the signal to be synthesized.
  • the signal 132 generated by multiplication of these two signals is divided in a loudspeaker signal splitter 133 according to predetermined criteria into a first synthesized partial sound signal 134 and a second synthesized partial sound signal 135, the first synthesized partial sound signal 134 being a first loudspeaker output buffer (for the "right” “”” speaker) " and the second synthesized partial sound signal 135 is fed to a second speaker output buffer (for the "left” speaker) for outputting the partial sound signals 134, 135 to two different ones Loudspeaker, with which a stereo output of the synthesized signal is possible.
  • the subtractive synthesis device 136 can be a generator for generating a noise signal with the
  • a filter bank with a plurality of cascaded IIR low-pass filters, which convert the white noise into a well-approximated pink noise.
  • the filter coefficients are independent of the selected, adjustable sampling frequency. According to the invention, the bandwidth of the white and pink noise is limited to half the sampling frequency.
  • the respective time profile of the FM signal component or the noise component is determined by means of the ADSR envelope generator 109, 119.
  • a large number of different percussion instruments for example percussion and percussion, can be parameterized in a simple manner.
  • the parameter set for an instrument to be simulated can be kept independent of the freely selectable sampling frequency.
  • the noise component can be used, for example, for " modeling blowing noise of brass instruments.

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Abstract

Mittels einer FM-Syntheseeinheit wird ein FM-Teilsignal des Klangsignals erzeugt und mittels einer Subtraktiv-Syntheseeinheit, welcher eingerichtet ist zur subtraktiven Synthese, wird ein rauschhaftes Teilsignal des Klangsignals erzeugt. Das Klangsignal wird gebildet, indem das FM-Teilsignal und das rauschhafte Teilsignal zusammengeführt werden.

Description

Beschreibung
Klangsignal-Sy theseeinrichtung und Verfahren zum rechnergestützten Bilden eines Klangsignals
Die Erfindung betrifft eine Klangsignal-Syntheseeinrichtung und Verfahren zum rechnergestützten Bilden eines Klangsignals .
Zum rechnergestützten Bilden eines Klangsignals, insbesondere zum Erzeugen eines Schlagzeug-Klangsignals wird oftmals ein Musiksynthesizer eingesetzt. Das Schlagzeug-Klangsignal wird in diesem Fall unter Verwendung von Sound-Samples erzeugt. Der Einsatz von Sound-Samples führt zu einem großen Speicherbedarf in dem Musiksynthesizer.
Ferner ist zum Erzeugen eines Klangsignals die so genannte subtraktive Synthese (vergleiche [1] ) bekannt, bei der das Klangsignal mittels eines bereitgestellten Breitbandsignals und eines darauf angewendeten parametrierten Filters gebildet wird. Bei der subtraktiven Synthese besteht das Problem, dass ein Filter-Parametersatz nur für eine bestimmte Abtastf equenz des erzeugten Breitbandsignals gültig ist. Dies bedeutet, dass bei frei einstellbarer Abtastfrequenz in dem Musiksynthesizer für jede mögliche Abtastfrequenz eigene Filter-Parameter vorgegeben werden müssen, was den Speicherbedarf ebenfalls erheblich erhöht.
Ferner ist die so genannte FM-Synthese (Frequenzmodulations- Synthese) bekannt (vergleiche [2]), mittels der die rauschhaften Signalanteile unter Ausnutzung von so genannten Aliasing-Effekten zwar angenähert werden; ein gezieltes Erzeugen von weißem Rauschen oder rosa Rauschen ist jedoch mittels der FM-Synthese nicht möglich.
Druckschrift [3] beschreibt eine Klangsyntheseeinheit, bei der eine FM-Synthese durchgeführt wird. Ferner ist es gemäß Druckschrift [3] ermöglicht, weißes Rauschen, welches mittels eines linearen 31-Bit-Schieberegisters erzeugt wird, einem Signal anderer Rauschquellen hinzuzufügen. Das mittels des linearen Schieberegisters erzeugte pseudozufällige, gleichmäßig verteilte zyklische Rauschsignal stellt ein weißes Rauschen dar.
Druckschrift [4] beschreibt das Erzeugen eines rauschhaften Signals unter Verwendung einer subtraktiven Synthese.
In der Druckschrift [5] ist ein subtraktiver Synthesizer unter Verwendung von ADSR-Generatoren beschrieben.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, rechnergestützt ein Klangsignal zu bilden, wobei die Signalsynthese mit einem gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Speicherplatzbedarf auskommt.
Das Problem wird durch die Klangsignal-Syntheseeinrichtung und das Verfahren zum rechnergestützten Bilden eines Klangsignals mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Eine Klangsignal-Syntheseeinrichtung weist eine FM- Syntheseeinheit zum Erzeugen eines FM-Teilsignals eines
Klangsignals auf. Ferner ist eine Subtraktiv-Syntheseeinheit zum Erzeugen eines rauschhaften Teilsignals des Klangsignals vorgesehen, wobei die Subtraktiv-Syntheseeinheit eingerichtet ist zur Durchführung einer subtraktiven Klangsynthese. Eine ebenfalls vorgesehene Zusammenführeinheit ist mit der FM- Syntheseeinheit und der Subtraktiv-Syntheseeinheit gekoppelt, so dass die Zusammenführeinheit eingangsseitig das von der FM-Syntheseeinheit erzeugte FM-Teilsignal sowie das von der . Subtraktiv-Syntheseeinheit erzeugte rauschhafte Teilsignal empfängt und zusammenführt zu dem Klangsignal. Bei einem Verfahren zum rechnergestützten Bilden eines Klangsignals wird ein FM-Teilsignal des Klangsignals mittels einer FM-Syntheseeinheit erzeugt. Ein rauschhaftes Teilsignal des Klangsignals wird mittels einer Subtraktiv- Syntheseeinheit, welche eingerichtet ist zur subtraktiven
Synthese, erzeugt. Anschließend werden das FM-Teilsignal und das rauschhafte Teilsignal zu dem Klangsignal zusammengeführt .
Mittels der Erfindung kann auf sehr effiziente Weise, d.h. mit gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziertem Rechenzeitbedarf und Speicherplatzbedarf ein von einer gewünschten Abtastfrequenz unabhängiges Klangsignal erzeugt werden.
Anschaulich kann die Erfindung darin gesehen werden, dass eine sehr effiziente Realisierung eines Klanggenerators für die Synthese von einem Klangsignal insbesondere von Schlagzeug- und Perkussionsklängen basierend auf der Kombination von Frequenzmodulations-Synthese und einfacher subtraktiver Synthese geschaffen wurde.
Somit ist erfindungsgemäß die verwendete Abtastfrequenz frei wählbar .
Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Synthese von einem Schlagzeug-Klangsignal oder eines Perkussions-
Klangsignals unter Verwendung eines digitalen
Signalprozessors, allgemein einer beliebigen Prozessoreinheit, in dem die Synthese-Einrichtung bzw. das
Verfahren implementiert sind.
Andere bevorzugte Einsatzgebiete der Erfindung sind die - Erzeugung von Klingeltönen oder Warteschleifen-Musikstücken in einem Mobilfunktelefon oder auch in einem Festnetztelefon, softwarebasierte MIDI-Synthesizer für unterschiedliche tragbare Geräte etc . Die Erfindung kann sowohl in Software, d.h. mittels eines Computerprogramms, in Hardware, d.h. mittels einer speziellen elektronischen Schaltung oder in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Softwarekomponenten und Hardwarekomponenten, realisiert werden.
Die Erfindung bietet ferner die Vorteile, dass nur wenig Parameter erforderlich sind und eingestellt werden müssen, und dennoch sehr viele gängige Schlagzeug-Instrumente parametrisiert werden können und die entsprechenden Klangsignale erzeugt werden können.
Ferner ist, wie oben beschrieben wurde, die Erfindung unabhängig von der Abtastfrequenz , so dass die Abtastfrequenz zur Laufzeit programmierbar gehalten werden kann und somit veränderbar eingerichtet ist und die Erfindung mit einem einzigen, von der Abtastfrequenz unabhängigen Parametersatz für jedes zu parametrisierende Instrument auskommt.
Ferner ist eine effiziente Softwareimplementierung hinsichtlich des benötigten Rechenzeitbedarfs und des benötigten Speicherplatzbedarfs auf einem digitalen Signalprozessor, einem Mikro-Controller oder auf einer anderen beliebigen Hardware möglich.
Eine softwarebasierte Lösung auf einem digitalen Signalprozessor oder auf einer Mikro-Controllerplattform ist kostengünstiger als eine zusätzlich benötigte Synthesizer- Hardware .
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die im Folgenden beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung betreffen sowohl die Klangsignal-Syntheseeinrichtung als auch das Verfahren zum rechnergestützten Bilden eines Klangsignals .
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die FM- Syntheseeinheit einen Modulator und einen
Trägersignaloszillator auf. Der Trägersignaloszillator kann derart eingerichtet sein, dass er ein Trägersignal erzeugen kann bzw. erzeugt, welches mindestens eine der folgenden Signalformen aufweist: • eine Sinusform,
• eine Sägezahnform,
• eine Trapezform,
• eine Delta-Form, oder
• eine Rechteckform.
Grundsätzlich ist anzumerken, dass eine beliebig komplexe Frequenzmodulation mittels der FM-Syntheseeinheit realisierbar ist und erfindungsgemäß eingesetzt werden kann.
Bevorzugt ist die Subtraktiv-Syntheseeinheit derart eingerichtet, dass sie wahlweise ein rauschhaftes Teilsignal gemäß einem weißen Rauschen und/oder ein rauschhaftes
1 Teilsignal gemäß einem rosa Rauschen ( —Rauschen) erzeugen kann.
Das rauschhafte Teilsignal kann ein Pseudo-Zufallssignal oder ein mittels linearer Kongruenz erzeugtes Zufallssignal sein.
Die Zusammenführeinheit kann als Addierer eingerichtet sein, mit dem das FM-Teilsignal zu dem rauschhaften Teilsignal addiert wird, womit das Klangsignal gebildet wird.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, zwischen die Subtraktiv-Syntheseeinheit und die Zusammenführeinheit eine Filtereinheit zum Filtern des rauschhaften Teilsignals gemäß einer vorgegebenen Filtervorschrift, insbesondere mittels eines Tiefpassfilters einer vorgegebenen Grenzfrequenz , zwischenzuschalten. Die Filtereinheit kann ein einzelnes Tiefpassfilter oder eine Mehrzahl kaskadierte IIR-Tiefpassfi'lter (Infinite Input Response-Tiefpassfilter) aufweisen.
Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es auf sehr einfache Weise möglich, ein Weiß-Rauschsignal in ein gut
1 angenähertes Rosa-Rauschsignal ( Rauschsignal) umzuwandeln.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Filterkoeffizienten unabhängig sind von der gewählten, einstellbaren
Abtastfrequenz. Vorzugsweise ist der oder sind die Tiefpassfilter derart eingerichtet, dass die Bandbreite des Weiß-Rauschsignals und/oder des Rosa-Rauschsignals auf die halbe Abtastfrequenz begrenzt ist.
Ferner kann die Klangsignal-Syntheseeinrichtung einen oder mehrere ADSR-Hüllkurvengeneratoren aufweisen, welcher eingangsseitig mit einem Ausgang der Frequenzmodulations- Syntheseeinheit und einem Ausgang der Subtraktiv- Syntheseeinheit gekoppelt ist, so dass in dem ADSR-
Hüllkurvengenerator das diesem jeweils zugeführte Signal gemäß der ADSR-Hüllkurve des/der ADSR-Hüllkurvengeneratoren in seiner Signalform verändert wird.
Als ADSR-Hüllkurvengenerator kann grundsätzlich eine mittels beliebiger Teilfunktionen gebildete ADSR-Kurve verwendet werden, beispielsweise mittels linearer Teilkurven oder mittels exponentieller Teilkurven, welche gemäß einer oder mehrerer Exponentialfunktionen gebildet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt-und wird im Folgenden näher erläutert. . .
Die Figur zeigt ein Blockschaltbild der Klangsignal- Syntheseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Figur zeigt eine Klangsignal-Syntheseeinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Klangsignal-Syntheseeinrichtung 100 weist eine Frequenzmodulations-Syntheseeinheit 101 und eine Subtraktiv- Syntheseeinheit 136 auf.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Klangspektren vieler Schlaginstrumente sich aus einem Anteil mit nichtharmonischen Teilton-Signalen und einem breitbandigen, rauschhaften Anteil zusammensetzen.
Erfindungsgemäß wird die FM-Synthese mit einer einfachen subtraktiven Synthese kombiniert, womit diese zwei Arten von Spektralanteilen erzeugt werden.
Die FM-Syntheseeinheit 101 weist einen ersten Modulator 102 auf, mit dem ein sinusförmiges Signal einer ersten Frequenz fml erzeugt wird.
Das erste sinusförmige Signal 103, dessen fixe Frequenz fml = fml__multipl * f__midi_base_note 137 ist und das vom Modulatoroszillator 102 erzeugt wird, wird mit einem vorgegebenen Modulationsindex II mittels eines Multiplizierers 104 multipliziert und das somit erzeugte Signal 105 wird mit der konstanten Trägerfrequenz fcl = f_midi_base_note 107 addiert und dann einem Trägeroszillator 106 zugeführt, so dass ein frequenzmoduliertes Signal 108 an dem Ausgang der FM- Syntheseeinrichtung 101 erzeugt wird. Die Größe von II bestimmt die Bandbreite (Anzahl der Teiltöne) des erzeugten FM-Signals.
Ferner ist ein erster ADSR-Hüllkurvengenerator 109, welcher eingerichtet ist für die FM-Syntheseeinheit 101, vorgesehen. Mittels eines zweiten Multiplizierers 110, welchem eingangsseitig das frequenzmodulierte Signal 108 und ein von dem ersten ADSR-Hüllkurvengenerator 109 erzeugtes erstes Hüllkurvensignal 111 zugeführt werden, werden das frequenzmodulierte Signal 108 und das erste Hü11kurvensignal 111 miteinander multipliziert, womit ein FM-synthetisiertes Signal 112 erzeugt wird.
Mit der oben genannten mittels der FM-Syntheseeinheit 101 durchgeführten FM-Synthese werden die für viele
Schlaginstrumente typischen nichtharmonischen Teiltöne, d.h. ein nichtharmonisches Teilsignal des Klangsignals, generiert. Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass die Frequenzen des Modulatorsignals und des Trägersignals fest vorgebbar programmiert werden können. Ein nichtrationales Verhältnis zwischen der Frequenz des Modulatorsignals mit der Frequenz fml und des Trägersignals mit der Frequenz fcl führen zu nichtharmonischen Anteilen in dem FM-synthetisierten Klangsignal 112. Ganzzahlige Verhältnisse liefern harmonische Spektren. Im vorliegenden Beispiel wird das Verhältnis zwischen fcl und fml über den Multiplikator fml_multipl eingestellt.
Ferner ist anzumerken, dass auch der Modulationsindex II mit einer ADSR-Hüllkurve multipliziert werden könnte, um so eine zeitliche Steuerung der Bandbreite des FM-Signals vorzunehmen.
Anschaulich erfolgt die FM-Synthese gemäß dem in [2] beschriebenen Verfahren.
Die Subtraktiv-Syntheseeinheit 136 weist eine erste Rauschsignal-Erzeugungseinheit 113 und eine zweite Rauschsignal-Erzeugungseinheit 114 auf. Die erste Rauschsignal-Erzeugungseinheit 113 ist derart eingerichtet, dass sie ein erstes Rauschsignal 115 mit der Charakteristik eines weißen Rauschens erzeugt.
Die zweite Rauschsignal-Erzeugungseinheit 114 ist derart eingerichtet, dass sie ein zweites Rauschsignal 116 mit der
Charakteristik eines rosa Rauschens, d.h. mit einer
1 Charakteristik eines —Rauschens erzeugt. f
Ferner ist eine Schaltereinheit 117 vorgesehen, mit der das erste Rauschsignal 115 und/oder das zweite Rauschsignal 116 ausgewählt werden kann/können und an einem Ausgang der Subtraktiv-Syntheseeinheit 136 als rauschhaftes Teilsignal 118 bereitgestellt werden kann/können.
Ein zweiter ADSR-Hüllkurvengenerator 119 ist vorgesehen zur Erzeugung eines zweiten Hüllkurvensignals 120, welches in seinem Verlauf spezifisch vorgegeben sein kann für die subtraktive Synthese .
Der Ausgang des zweiten ADSR-Hüllkurvengenerators 119 ist mit einem ersten Eingang eines dritten Multiplizierers 121 gekoppelt, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang der Subtraktiv-Syntheseeinheit 102 gekoppelt' ist .
Damit werden das rauschhafte Teilsignal 118 und das zweite Hüllkurvensignal 120 dem dritten Multiplizierer 121 zugeführt und dort miteinander multipliziert zu einem Subtraktiv- Synthesesignal 122.
Mit der subtraktiven Synthese in der Subtraktiv- Syntheseeinheit 102 werden anschaulich die breitbandigen, . rauschhaften Signalanteile des zu synthetisierenden Klangsignals erzeugt und können somit dem FM-synthetisierten Klangsignal 112 zugemischt werden. Anschaulich erfolgt die subtraktive Synthese gemäß dem in [1] beschriebenen Verfahren.
Mittels eines Addierers 123 als Zusammenführeinrichtung werden das dem Addierer 123 an dessen ersten Eingang zugeführte FM-synthetisierte Signal 112 und das dem Addierer 123 an dessen zweiten Eingang zugeführte Subtraktiv- Synthesesignal 122 addiert zu einem Zwischensignal 124, welches einem ersten Eingang eines vierten Multiplizierers 125 zugeführt wird.
Einem zweiten Eingang des vierten Multiplizierers 125 wird ein' der Anschlagstärke (velocity) entsprechender, gemäß einer vorgegebenen Charakteristik gebildeter Gewichtungsfaktor 126, welcher von einem Anschlagsstärkensignalgeber 127 erzeugt wird, zugeführt.
Das auf diese Weise bandbegrenzte Signal 128 wird einem ersten Eingang eines fünften Multiplizierers 129 zugeführt, dessen zweiter Eingang mit einem Ausgang einer
Lautstärkesignal-Erzeugungseinheit 130 gekoppelt ist, welche einen Lautstärkegewichtungsfaktor 131 gemäß einer vorgegebenen Lautstärkecharakteristik zur Einstellung der Amplitude des zu synthetisierenden Signals verwendet wird.
Das durch Multiplikation dieser beiden Signale erzeugte Signal 132 wird in einer Lautsprechersignal- Aufteilungseinrichtung 133 gemäß vorgegebenen Kriterien in ein erstes synthetisiertes Teil-Klangsignal 134 und ein zweites synthetisiertes Teil-Klangsignal 135 aufgeteilt, wobei das erste synthetisierte Teil-Klangsignal 134 einem ersten Lautsprecher-Ausgangspuffer (für den „rechten" " ""Lautsprecher)" zugeführt wird und das zweite synthetisierte Teil-Klangsignal 135 einem zweiten Lautsprecher- Ausgangspuffer (für den „linken" Lautsprecher) zur Ausgabe der Teil-Klangsignale 134, 135 auf zwei unterschiedliche Lautsprecher, womit eine Stereo-Ausgabe des synthetisierten Signals möglich ist.
Die Analyse vieler natürlicher Schlaginstrumente zeigt, dass insbesondere weißes oder rosa Rauschen die breitbandigen Rauschanteile bestimmt.
Die erfindungsgemäße Subtraktiv-Syntheseeinrichtung 136 kann in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung einen Generator zum Erzeugen eines Rauschsignals mit der
Charakteristik eines weißen Rauschens aufweisen und dieser nachgeschaltet sein kann wahlweise eine Filterbank mit einer Mehrzahl kaskadierter IIR-Tiefpassfiltern, die das weiße Rauschen in ein gut angenähertes rosa Rauschen umwandeln. Die Filterkoeffizienten sind unabhängig von der gewählten, einstellbaren Abtastfrequenz. Die Bandbreite des weißen und rosa Rauschens ist erfindungsgemäß auf die halbe Abtastfrequenz begrenzt.
Mittels der ADSR-Hüllkurvengeneratoren 109, 119 wird der jeweilige zeitliche Verlauf des FM-Signalanteils oder des Rauschanteils bestimmt.
Mit der Erfindung können auf einfache Weise eine Vielzahl unterschiedlicher Schlaginstrumente, beispielsweise Schlagzeug und Perkussion, parametriert werden. Der Parametersatz für ein nachzubildendes Instrument kann unabhängig von der frei wählbaren Abtastfrequenz gehalten werden.
Anzumerken ist noch, dass die Erfindung auch zur Erzeugung anderer Klänge als nur der von Schlaginstrumenten geeignet ist. Der Rauschanteil kann beispielsweise zur" Modellierung- von Anblasgeräuschen von Blechblasinstrumenten herangezogen werden . In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] Charles Dodge, Thomas A. Jerse. Computer Music:
Synthesis, Composition and Performance. P. Schirmer Books Y 1997. P.169 ff..
[2] John Chowning. The Synthesis of Complex Audio Spectra by Means of Frequency Modulation. Journal of the Audio Engineering Society, 21(7), 1973, pp. 526 - 534.
[3] DE 38 53 563 T2
[4] DE 199 17 434 Cl
[5] DE 693 27 639 T2
Bezugszeichenliste
100 Klansignal-Syntheseeinrichtung
101 FM-Syntheseeinheit
102 Modulatorsignaloszillator
103 Signal
104 Erster Multiplizierer
11 Modulationsindex
105 mit II und fml (137) gewichtetes Modulatorsignal
106 Trägersignaloszillator
107 Trägerfrequenz
108 FM-Signal
109 Erster ADSR-Hüllkurvengenerator
110 Zweiter Multiplizierer
111 Erstes Hüllkurvensignal
112 FM-synthetisiertes Signal
113 Erste Rauschsignal-Erzeugungseinheit
114 Zweite Rauschsignal-Erzeugungseinheit
115 Erstes Rauschsignal
116 Zweites Rauschsignal
117 Schalter
118 Rauschhaftes Teilsignal
119 Zweiter ADSR-Hüllkurvengenerator
120 Zweites Hüllkurvensignal
121 Dritter Multiplizierer
122 Subtraktiv-Synthesesignal
123 Addierer
124 Zwischensignal
125 Vierter Multiplizierer
126 Anschlagsstärkesignal (velocity)
127 . Anschlagsstärke-Erzeugungseinheit. 128 Signal
129 Fünfter Multiplizierer
130 Lautstärkensignal-Erzeugungseinheit
131 Lautstärkensignal
132 Klangsignal 133 Klangsignal-Aufteilungseinheit
134 Erstes Klang-Teilsignal 135 Zweites Klang-Teilsignal 136 Subtraktiv-Syntheseeinheit 137 Modulationsfrequenz fml

Claims

Patentansprüche
1. Klangsignal-Syntheseeinrichtung,
• mit einer FM-Syntheseeinheit zum Erzeugen eines FM- Teilsignals eines Klangsignals,
• mit einer Subtraktiv-Syntheseeinheit, eingerichtet zur subtraktiven Synthese, zum Erzeugen eines rauschhaften Teilsignals des Klangsignals,
• mit einer mit der FM-Syntheseeinheit und mit der Subtraktiv-Syntheseeinheit gekoppelten
Zusammenführeinheit zum Zusammenführen des FM- Teilsignals und des rauschhaften Teilsignals zu dem Klangsignal .
2. Klangsignal-Syntheseeinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die FM-Syntheseeinheit einen Modulator und einen Trägersignaloszillator aufweist.
3. Klangsignal-Syntheseeinrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Trägersignaloszillator eingerichtet ist zum Erzeugen eines Trägersignals, welches zumindest eine der folgenden Signalformen aufweist:
• eine Sinusform,
• eine Sägezahnform, • eine Trapezform,
• eine Delta-Form, oder
• eine Rechteckform.
4. Klangsignal-Syntheseeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Subtraktiv-Syntheseeinheit derart eingerichtet ist, dass sie wahlweise ein rauschhaftes Teilsignal gemäß einem weißen Rauschen und/oder ein rauschhaftes Teilsignal" gemäß einem rosa Rauschen erzeugen kann.
5. Klangsignal-Syntheseeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Zusammenführeinheit als Addierer eingerichtet ist, zum Addieren des FM-Teilsignals zu dem rauschhaften Teilsignal, womit das Klangsignal gebildet wird.
6. Klangsignal-Syntheseeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer zwischen die Subtraktiv-Syntheseeinheit und die Zusammenführeinheit geschalteten Filtereinheit zum Filtern des rauschhaften Teilsignals gemäß einer vorgegebenen Filtervorschrift.
7. Klangsignal-Syntheseeinrichtung gemäß Anspruch 6, bei dem die Filtereinheit kaskadierte IIR-Tiefpassfilter aufweist .
8. Klangsignal-Syntheseeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem mit der Zusammenführeinheit gekoppelten ADSR- Hüllkurvengenerator .
9. Verfahren zum rechnergestützten Bilden eines Klangsignals,
• bei dem mittels einer FM-Syntheseeinheit ein FM- Teilsignal des Klangsignals erzeugt wird,
• bei dem mittels einer Subtraktiv-Syntheseeinheit, eingerichtet zur subtraktiven Synthese, ein rauschhaftes Teilsignal des Klangsignals erzeugt wird,
• bei dem das FM-Teilsignal und das rauschhafte Teilsignal zu dem Klangsignal zusammengeführt werden.
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