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EP0448010A2 - Method for generating sound with an electronic musical instrument and electronic musical instrument - Google Patents

Method for generating sound with an electronic musical instrument and electronic musical instrument Download PDF

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Publication number
EP0448010A2
EP0448010A2 EP91104137A EP91104137A EP0448010A2 EP 0448010 A2 EP0448010 A2 EP 0448010A2 EP 91104137 A EP91104137 A EP 91104137A EP 91104137 A EP91104137 A EP 91104137A EP 0448010 A2 EP0448010 A2 EP 0448010A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sound
frequency
interpolation filter
musical instrument
features
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP91104137A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0448010A3 (en
Inventor
Reinhard Franz
Christian Dipl.-Phys. Scheidegger
Heino Dipl.-Ing. Wachter
Udo Dipl.-Inform. Spindeler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wersi GmbH and Co
Original Assignee
Wersi GmbH and Co
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
Priority claimed from DE19904008875 external-priority patent/DE4008875C1/de
Priority claimed from DE19904008872 external-priority patent/DE4008872C2/en
Priority claimed from DE19904008873 external-priority patent/DE4008873A1/en
Application filed by Wersi GmbH and Co filed Critical Wersi GmbH and Co
Publication of EP0448010A2 publication Critical patent/EP0448010A2/en
Publication of EP0448010A3 publication Critical patent/EP0448010A3/xx
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10HELECTROPHONIC 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
    • G10H1/00Details of electrophonic musical instruments
    • G10H1/02Means for controlling the tone frequencies, e.g. attack or decay; Means for producing special musical effects, e.g. vibratos or glissandos
    • G10H1/06Circuits for establishing the harmonic content of tones, or other arrangements for changing the tone colour
    • G10H1/12Circuits for establishing the harmonic content of tones, or other arrangements for changing the tone colour by filtering complex waveforms
    • G10H1/125Circuits for establishing the harmonic content of tones, or other arrangements for changing the tone colour by filtering complex waveforms using a digital filter
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10HELECTROPHONIC 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
    • G10H7/00Instruments in which the tones are synthesised from a data store, e.g. computer organs
    • G10H7/08Instruments in which the tones are synthesised from a data store, e.g. computer organs by calculating functions or polynomial approximations to evaluate amplitudes at successive sample points of a tone waveform
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10HELECTROPHONIC 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
    • G10H2250/00Aspects of algorithms or signal processing methods without intrinsic musical character, yet specifically adapted for or used in electrophonic musical processing
    • G10H2250/541Details of musical waveform synthesis, i.e. audio waveshape processing from individual wavetable samples, independently of their origin or of the sound they represent
    • G10H2250/621Waveform interpolation

Definitions

  • the invention relates to a method for sound generation with an electronic musical instrument, an electronic musical instrument and a device for loading a storage device for an electronic musical instrument.
  • the musical instrument can be designed, for example, as a keyboard musical instrument (keybord) or as a pure sound generation module (expander), which can be controlled via external signals.
  • sounds are reproduced, that is to say, for example when manufacturing a corresponding musical instrument.
  • sound patterns are stored digitally in the form of sampled values in a storage device.
  • the sounds are generated, for example during a lecture by a musician, the samples are read from the memory device, processed, converted to digital-analogue and reproduced as sounds via an audio device.
  • sample Rate Conversion a method which is known under the name “Sample Rate Conversion” (see, for example, Chamberlin "Musical Applications of Microprocessors", pages 470 to 477, Haydn Book Company, Inc., 1980).
  • Sample Rate Conversion it is not possible to produce more than three adjacent semitones from a single "sample”, ie sound pattern which is represented by the sequence of samples without major losses in quality. If you want to recreate a piano sound, ie the sound of a piano or grand piano with a length of 88 keys, about 30 samples or sound patterns are required. The sound of a piano is not only dependent on the pitch, but also on the velocity.
  • the mathematical operation on which the sample rate conversion is based can be implemented by means of a digital interpolation filter, ie the interpolation in the time domain can also be viewed as filtering in the frequency domain.
  • the most suitable filter function for this purpose is a low-pass filter, which allows everything to happen up to half the sampling frequency with which the sound pattern has been sampled, but beyond which it completely suppresses all frequency components. The cutting edge should therefore run practically perpendicular to the blocking frequency.
  • an ideal filter cannot be realized.
  • low-pass filters can be approximated quite well if a filter with a large number of filter poles is used. The higher the number of filter poles, the better the approximation to the ideal filter characteristic.
  • a large number of poles in the digital case has the disadvantage that a predetermined number of arithmetic operations is required per pole, that is to say, for example, an addition and a multiplication per filter pole, so that with many filter poles a correspondingly large number of mathematical operations must be performed by the musical instrument relatively slow despite a lot of effort.
  • This disadvantage is particularly evident when the musical instrument is to be operated polyphonically, ie when a large number of different sound patterns are to be reproduced at the same time.
  • the many mathematical operations need to be performed not only for one sound pattern, but in parallel for a whole series of sound patterns. Even when using extremely fast components, the musical instrument will sooner or later reach a limit beyond which an expansion of the variety of sounds is no longer possible, especially in view of the fact that very large memories have to be used.
  • This object is achieved in a method for sound generation with an electronic musical instrument, in which sound patterns are stored digitally in the form of samples in a preparation section and the samples are read out from the memory device in a sound generation section are digitally interpolated and converted from digital to analog in an interpolation filter, whereby attenuation below the blocking frequency of the interpolation filter is permitted in the digital interpolation and the higher-frequency components of the sound patterns that are attenuated in the interpolation filter are amplified in the preparation section before storage will.
  • a compromise in the filter property is chosen, namely an attenuation is permitted in a range that is actually still the pass band. Frequency components that fall within this range are undesirably heavily damped. The damping becomes stronger the closer the frequencies come to the blocking frequency. For this reason, filters with a relatively steep cut-off characteristic have so far been chosen.
  • the attenuation can be compensated for by a pre-emphasis, which increases or increases the higher-frequency components before the sound patterns are saved. During the interpolation, these parts are damped accordingly, so that despite the poor filter properties, a sound pattern is available at the output of the interpolation filter that practically corresponds to the original.
  • the amplification of the higher-frequency components is preferably carried out before storage with a frequency-dependent gain characteristic which is inversely proportional to the frequency-dependent pass characteristic in the pass band.
  • a frequency-dependent gain characteristic which is inversely proportional to the frequency-dependent pass characteristic in the pass band.
  • the frequency spectrum of the sound patterns is limited to frequencies below a cutoff frequency, the cutoff frequency being less than the cutoff frequency of the interpolation filter.
  • the sound patterns are limited to the audible spectrum, the so-called audio spectrum.
  • the sound patterns are put together from individual sound features, which are stored digitally in the form of sample values, are read out in a controlled manner, are subjected to a sampling rate conversion according to which all sound features are available with a uniform system sampling rate, and are then combined, at least some sound features being components of different types Have frequency, all sound features at the start time of a sound have a predetermined phase relationship to one another and the components of a sound feature at this start time have a predetermined phase relationship to the other components of the same sound feature.
  • This embodiment can also be implemented without the features of the preemphasis.
  • a sound feature is therefore a frequency mix that is stored in the memory in the form of a predetermined number of samples.
  • All sound features preferably have a zero crossing at the start time. This facilitates the establishment of the desired phase relationship.
  • this structure essentially corresponds to the model of a natural musical instrument. With conventional musical instruments, too, the tone begins with an amplitude value of zero.
  • all components of a sound feature have a zero crossing at the start time.
  • the amplitude of a component can develop positively or negatively after the start time. If the amplitude develops negatively in the time range after the start, i.e. the first derivative after the time is negative, this means that the relevant component of the same frequency, which initially assumes an amplitude greater than zero after the start time, is out of phase by 180 °. Such a component can be represented in the frequency spectrum with a negative amplitude. A sound feature with such a component will completely or partially cancel out the component of another sound feature with the same frequency.
  • the "negative" amplitude is of course only used here as a calculation parameter, since the amount of the amplitude is decisive for the ear.
  • Each sound feature is preferably stored with a number of samples which has a predetermined relationship with the highest frequency occurring in the sound feature, the blocking frequency of the interpolation filter being selected depending on the sampling frequency with which the samples were generated from the sound patterns and preferably in on the order of 50% to 60% of the sampling frequency. In this area you have the greatest certainty that no aliasing will occur. It is advantageous that the cutoff frequency is selected in the order of 30% to 50% of the sampling frequency. In this way, practically any blocking or limit frequencies can be realized, so that the characteristics of the interpolation filter also influence the reproduction of the sound pattern is possible.
  • the so-called alias effect can be suppressed by a clever choice of the blocking frequency of the interpolation filter or the cut-off frequency, which causes undesirable disturbances in the reproduction of the sound pattern, especially at high frequencies. It is therefore not necessary to sample all sound features with the same, high sampling frequency, that is to say the system sampling rate, and to store the resulting high number of sampling values. Rather, the number of samples is limited to what is absolutely necessary.
  • the sound features are advantageously subjected to an amplitude control before the assembly.
  • a sound feature that predominantly contains overtones can be amplified in one case to produce a sound that is rich in overtones, but in another case can only be used with a low amplification, so that the overtones are not so clearly audible.
  • different sounds can already be generated by the amplitude control. This also applies to a single sound to show its change over time.
  • the amplitude control is preferably carried out with the aid of digitally stored amplitude envelopes. Changing frequency mixes can then also be realized in one sound. This can lead to interesting beat effects.
  • the amplitude envelopes are composed of envelope characteristics.
  • the technology, the similarities in the individual curves or storing vibrations only once and using them multiple times can also be used for the envelopes.
  • both an amplification and an attenuation of frequency components in the resulting signal can preferably be achieved.
  • This amplification or weakening can be achieved on the one hand by simply superimposing the sound characteristics. If a sound feature has one of the above-mentioned components with negative amplitude, the corresponding frequency, if it also occurs in the other sound feature, will be attenuated. The same effect, but not limited to a single frequency, can be achieved by providing the sound feature with a negative amplitude envelope.
  • the term negative amplitude envelope is also used here for illustrative purposes only introduced. This is to express that sound features that have a negative amplitude envelope are not added to another sound feature when they are joined, but are subtracted from it.
  • the reading out and the sampling rate conversion of a plurality of sound features are carried out by means which are common to a plurality of sound features and which process the sound features in series or in the multiplex method.
  • This can be easily achieved due to the high processing frequencies in relation to the frequencies of the sound features. Strictly speaking, all processing only has to be completed within a period of the system sampling rate of, for example, 44.1 kHz, in order to provide the musical instrument with the instantaneous value of the sound to be reproduced. Assuming a system sampling rate of 44.1 kHz, this is more than 20 ⁇ s.
  • the sampling rate processing of a sample of another sound feature is carried out, which was read out in the previous access to the memory.
  • the calculation of individual values thus takes place in succession, which means that a certain pipelining can be implemented.
  • the individual sound features are preferably assembled with the aid of an accumulator in which instantaneous values of the sound features provided with the uniform system sampling rate are added or subtracted serially, the content being read out at a predetermined point in time. For the "filling" of the battery stands a complete period of the system sampling rate is available. It is therefore not necessary that all sound features of a sound are processed at the same time. Rather, this preferred embodiment opens up the possibility of serial processing of individual sound features in succession, the accumulator making it possible to assemble the individual sound features.
  • each sound is composed of a maximum of sixteen sound features. In many cases, two to eight sound characteristics will suffice. The decision on how many sound features to use is ultimately a question of hearing.
  • the limitation to sixteen sound characteristics means that the amount of data to be stored and managed is limited.
  • a plurality of sets of sound features are put together in parallel for a sound and are superimposed with opposite amplitude control curves.
  • This allows the sound of an instrument to be simulated in a simple manner, which would otherwise be difficult to simulate even with a multitude of sound features.
  • reference is made to a trumpet into which a damper is inserted during the blowing.
  • Another example is a clarinet or saxophone, the players of which greatly change the tension of the lower lip when playing.
  • an interpolation filter is used, the cut-off frequency of which changes automatically as a function of the sampling frequency. This saves storage space in the samples for the sound pattern. If For example, the chamber tone a has only a low harmonic content, for example, if the sound pattern comes from a flute that essentially only has the third harmonic (1760 Hz), a sampling frequency of approximately 3.5 kHz is sufficient to generate the samples. So only about eight samples per wave train. In this example, this results in a memory saving of more than 90%. When reproducing with the system sampling rate of the musical instrument of 44.1 kHz, for example, 100.2 samples must of course then be generated or calculated again. In this context, the advantage of automatically adjusting the cut-off frequency of the digital interpolation filter is particularly evident.
  • the limit frequency is set at a sampling frequency of 3.5 kHz, for example, to a value in the order of 1.4 kHz.
  • the invention is also based on the object of specifying an electronic musical instrument for generating sounds, in which the sounds are reproduced as faithfully as possible with little effort.
  • This object is achieved in an electronic mustikinstrument for generating sounds with a storage device in which sound patterns are stored digitally in the form of samples, a readout device which reads the samples in a controlled manner from the storage device, a digital interpolation filter which carries out a sampling rate conversion and at its output provides the sound characteristics with a system sampling rate that is uniform for the entire musical instrument, and a digital / analog converter, which is connected to the output of the interpolation filter, in which the interpolation filter has a pronounced attenuation below the cutoff frequency, and the samples sound patterns correspond, the higher-frequency components that are attenuated in the interpolation filter are amplified.
  • the musical instrument therefore has the information it needs to generate the sounds stored in it.
  • the readout device reads out the stored samples, which are then processed subsequently. Because the stored values have a different frequency spectrum than the values to be reproduced - namely, according to the invention they are amplified in the upper frequency ranges - the interpolation filter with the pronounced attenuation can be used without problems, without the output of the interpolation filter or the downstream digital / analog Unwanted distortion can be heard.
  • the musical instrument preferably has an accumulator, which is connected to the output of the interpolation filter and adds up values which have been read in serially and outputs the sum, the addition and output taking place within a period of the system sampling rate, and an audio device which produces the output signal of the digital / Makes the analog converter audible.
  • the individual sound features can be overlaid because the interpolation filter ensures a sampling rate conversion.
  • the sound features are still available in digital form at the output of the interpolation filter, but they are all sampled there at the system sampling rate, i.e. within each period of the system sampling rate, an instantaneous value of each sound feature is stable and available for further processing.
  • the individual instantaneous values can therefore be superimposed in each period of the system sampling rate.
  • the output signal then contains the addition or subtraction of the individual frequencies, which leads to the frequency spectrum of the sound to be reproduced.
  • the interpolation filter preferably has 32 or fewer poles. Compared to the commonly used interpolation filters, which have an order of magnitude of 100 or more poles, this saves a considerable amount of computation and processing time and enables the read-out values to be processed quickly, since a smaller number of poles means that fewer computation operations are necessary. In the event that the filter has to be available for several sounds at the same time, for example has to perform the arithmetic operations for a polyphonic sound, a correspondingly greater variety of sounds can be generated simultaneously with the 32 or fewer poles specified. Compared to the otherwise usual hundred or more-pole filters, the variety of sounds can be practically more than tripled. In a particularly preferred embodiment, the interpolation filter has eight poles. A relatively broad transition range is obtained here, i.e. damping sets in relatively early. However, this effect can be easily compensated for by the pre-emphasis provided.
  • An amplitude control device is preferably arranged between the interpolation filter and the accumulator. This amplitude control device ensures that individual sound features have a stronger or weaker influence on the composition of the sounds.
  • readout device interpolation filter, accumulator and optionally amplitude control device are combined in one sound generation module and a plurality of sound generation modules are arranged in parallel.
  • a plurality of sound generation modules arranged in parallel can produce an incomparably larger number of sounds in parallel, without there being any restriction in terms of computing or processing time.
  • a further advantageous effect can be achieved if the individual sound features have a predetermined additional change in the phase shift with respect to one another. This makes it possible for the listener to feel that a large number of instruments are playing at the same time, like an orchestra.
  • the sound generating device preferably has at least one transputer for processing the sound features into sound signals.
  • a transputer such as that sold by the company Inmos, is a programmable circuit component that enables parallel processing of processes at high speed.
  • "Transputer” is an artificial word that emerged from the contraction of "transistor” and "computer”.
  • a transputer thus behaves like a computer on the one hand, but also physically like a semiconductor circuit element.
  • a transputer is a self-contained unit that manages processes internally and only leads the process inputs and outputs to the outside. Transputers allow the parallel processing of processes at high speed.
  • transputer It is irrelevant whether there are actually several units in the transputer that work in parallel, or whether in a special embodiment a unit, ie a single transputer, simulates the parallelism. This is due to the fact that each transputer has local memory that it can access. The transputer can therefore manage itself to a great extent without being dependent on the restrictions of a bus or a controller for an external memory, which may also have to be accessed by other processors. Another reason for the high speed in parallel processing is that the transputer has a very fast interface, a so-called link, through which it can communicate with other transputers, other interfaces or other components. In this case, only the end results of the processes, i.e.
  • a plurality of sound generation modules is preferably provided, the communication between the reading device and the sound generation modules being carried out with the aid of at least one transputer.
  • the advantages of a transputer can be seen here too.
  • the communication between the data input device and the modules has always been limited by the performance of a processor that could either accept many input signals or manage many modules at the same time.
  • transputers the data flow between the data input device and the modules of the processing device can now be controlled much better without being limited to assigning certain signal paths from the data input device to certain modules in the processing device. Rather, all modules can be connected to all elements of the data input device in order to serve the sound generation.
  • the transputer preferably forms at least one digital interpolation filter in each module.
  • the interpolation filter With the help of the interpolation filter, the temporal amplitude sequences of each sound can be simulated from the sampled values, which serve here as support points.
  • the use of the interpolation filter has the advantage that all sounds at the output of the interpolation filter with a uniform sampling rate for the entire musical instrument, the so-called system sampling rate.
  • the further processing of the data still available in digital form can then also be carried out in digital form without the need for conversion to analog form and back again, possibly even several times.
  • the interpolation thus carries out a sample rate conversion.
  • the digital interpolation filter consists of a series connection of several adders and multipliers.
  • transputer has the advantage that each addition and each multiplication can be understood and implemented as a separate process. Since the transputer can carry out several processes in parallel, the individual mathematical operations required for each pole can also be carried out in parallel. Successive values can then be calculated simultaneously in the form of a pipeline.
  • the transputer forms several parallel interpolation filters in each module, which process several sound patterns in parallel. Already with one module, several sounds can be generated in parallel without the need for time slice management, which assigns each interpolation filter only a fraction of the time available in a period of the system sampling rate.
  • the device is provided with a recording device for generating sound patterns in the form of electrical or magnetic signals from sound waves, a scanning device that scans the sound patterns at a sampling frequency at predetermined times and generates samples, and with a storage device that stores the samples in inscribes the memory device, provided, a pre-emphasis device being arranged between the recording device and the scanning device, which amplifies the sound patterns in predetermined frequency ranges.
  • the loading device therefore ensures in advance that the damping carried out by the digital filter is compensated again.
  • the pre-emphasis device amplifies the sound patterns in a frequency range that is below 50% of the sampling frequency.
  • the amplification therefore takes place in a relatively broad frequency band, so that the stored samples, if they are not read out by the electronic musical instrument, could probably not be recognized at all as belonging to the sound patterns.
  • the pre-emphasis device advantageously has a frequency-dependent gain characteristic which is essentially inversely proportional, in the best case even exactly inversely proportional, to the frequency-dependent pass characteristic of the interpolation filter.
  • the greater the attenuation in the interpolation filter as a function of the frequency the greater the amplification or the increase in the same frequencies in the pre-emphasis device.
  • the pre-emphasis device attenuates frequency components above the cut-off frequency.
  • the pre-emphasis device cuts off frequencies above the cut-off frequency or attenuates them considerably.
  • An electronic musical instrument generally has a keyboard 1, operating elements 2 and interfaces 3.
  • the keyboard which comprises one or more manuals with a range of four to eight octaves and / or a pedal, is used by the practicing musician to generate tone sequences. When you press a key, you usually hear a tone. Depressing several keys simultaneously causes the polyphonic generation of several tones.
  • the timbre can be set or changed using the controls 2. Signals from other devices, for example other electronic musical instruments, computers or storage media, can be coupled into the electronic musical instrument via the interfaces 3.
  • Keyboard 1, control element 2 and interfaces 3 are connected to an interface processor 4, which in turn has a memory 5.
  • the interface processor 4 manages the signals received from the keyboard 1, the operating elements 2 and the interfaces 3 and generates a suitable code which is passed on to a main processor 6.
  • the main processor 6 has a memory 7 in which, among other things, the processing instructions for the signals received by the interface processor 4 are stored. After the main processor 6 has processed the signals received by the interface processor 4, it sends 18 addresses and / or commands via a control bus, with the aid of which tone generation modules can generate 8-10 tones.
  • tone generating modules 8-10 can be provided. In principle, their number is only limited by the capacity of the main processor 6. Each tone generation module 8-10 is capable of generating one or more tones simultaneously.
  • the tone is generated digitally, with each tone generation module 8-10 being connected to a control curve memory 11 and to a sample value memory 12, both of which are common to all tone generation modules 8-10 are able to access.
  • the electronic musical instrument emulates other musical instruments, for example a piano, a string instrument or a wind instrument or also a drum set, by means of the tone generation modules 8-10.
  • the information for the sound is stored in the control curve memory 11 and the sample value memory 12.
  • the sound generating modules 8-10 generate digital signals, which they put on an audio bus 17. Also connected to the audio bus 17 are effect processors 13-15 which, if desired, subject the digital output signals of the tone generation modules 8-10 to a digital effect treatment, for example the generation of a reverb, a distortion, a vibrato or other effects.
  • FIG. 2 The structure of a sound generation module is shown schematically in FIG. 2.
  • all sound generation modules 8-10 have the same structure. You can also use the same operating instructions, i.e. Programs in the individual processors can be controlled.
  • the sound generation module 8 has a control processor 19 with memory 20, which receives information from the main processor 6 via the control bus 18.
  • the control processor 19 is connected on the one hand to a control curve processor 21 and on the other hand to a phase processor 22.
  • the control curve processor 21 accesses the control curve memory common to all tone generation modules 8-10, determines the value of a control curve at the required point by interpolation and, if necessary, calculates a final value from a plurality of such values, which it returns to the control processor 19.
  • the control curves are used to determine the frequency sequence, the volume sequence and the relative importance of individual components control the sounds to be generated for a variety of sound components.
  • the individual values can be calculated one after the other, the separation of memory access and processing permitting the simultaneous execution of both functions for successive calls.
  • control curve values can be stored in the control curve memory 11, for example, in the form of successive base values. If the ordinate distance of all base values is the same, only the abscissa values are saved. Otherwise, pairs of values from ordinates and abscissa can be saved.
  • the various tone generation modules 8-10 can access the control curve memory cyclically at specified time intervals in order to rule out access conflicts.
  • individual tone generation modules 8-10 may have different priorities, with the highest priority tone generation module having access to the cam memory 11 before anyone else, if need be.
  • the control processor 19 transfers its output data to a phase processor 22.
  • the phase processor 22 has the task of tracking the phase for each of the sound components for a fixed time interval from the information received from the control processor 19.
  • the phase processor calculates an address from the phase values and thus accesses the sample value memory 12.
  • So-called sound features are stored in the form of sample values in the sample value memory 12.
  • the samples can only include one period of a sound, so-called "waves”, but they can also include sound features of an entire tone, ie the tone from the beginning to the end, so-called “samples”. This can be useful, for example, if a tone changes irregularly from start to decay. This is the case, for example, with a drum cymbal sound.
  • Another example is the blowing behavior of pipe organs, which have a much richer frequency spectrum at the moment of blowing than in the steady state.
  • the data read from the sample value memory 12 with the aid of the addresses generated by the phase processor 22 are forwarded directly to an interpolation filter 23.
  • the calculation of the individual phase values can also take place here one after the other, with the separation of memory access by the phase processor 22 and processing by the interpolation filter 23 making it possible to carry out both functions simultaneously for successive values.
  • the interpolation filter 23 calculates amplitude values from the sample values stored in the sample value memory 12 at a number of support points specified by the phase processor. The support points are determined by a system sampling rate. After passing through the interpolation filter, all tones are available with a uniform system sampling rate. At the times determined by the sampling rate, the instantaneous values of the sounds to be digitally reproduced are therefore always available in the entire musical instrument. They can then simply be added or subtracted without having to pay attention to different phase relationships.
  • An amplitude processor 24, which is also controlled by the control processor 19, is connected to the output of the interpolation filter 23.
  • the amplitude processor 24 has the task of controlling the amplitude of the output signal of the interpolation filter 23. Since the output of the interpolation filter 23 is available in digital form, this means that the individual digital values are subjected to predetermined mathematical operations.
  • the amplitude can be amplified, for example, by multiplication by a factor greater than 1. A weakening takes place by multiplying by a factor smaller than 1. It is also possible to form a "negative" amplitude by multiplying by a negative factor. A negative amplitude is, of course, only to be understood here as a calculation variable, since a difference between a positive and a negative amplitude cannot be made audible.
  • An accumulator is connected to the output of the amplitude processor 24 and can also be controlled by the control processor 19.
  • the accumulator has the task of summing up digital signals which are supplied to it at successive points in time and passing them on to the audio bus 17 at a point in time following the individual summation points in time. Sounds can thus be “put together” in the accumulator 25.
  • An accumulator for each tone generation module is shown. However, it is also possible to provide only one accumulator for the entire musical instrument.
  • the accumulator can also be replaced by an adder, which adds up the digital quantities emerging at its inputs at predetermined times.
  • the sounds are stored in the form of sound features in the sample value memory 12.
  • a sound is composed of a plurality of individual sound features in the accumulator 25. At least one sound feature thereof has components of different frequencies. As a rule, however, most or even all of the sound features will consist of a frequency mix.
  • the individual sound features are stored in successive samples.
  • a special feature is that all sound features are stored with a predetermined phase relationship to one another. In the present exemplary embodiment, all sound features begin with a zero crossing of the amplitude. All frequency components also have a predetermined phase relationship to one another within the sound feature. It is also preferred here that all frequency components have a zero crossing at the start time. With this special regulation it is possible to easily overlay the individual sound characteristics and to create targeted overlay effects.
  • 3a shows a first sound feature with three frequencies f1, f3 and f7, each of which has the significance 80, 30 and 10. For example, this is a frequency spectrum with the fundamental wave f1 and the third and seventh harmonics f3 and f7. Such a sound feature does not necessarily have to evoke a memory of the instrument to be reproduced with the aid of this sound feature.
  • 3b shows a further sound feature which, however, does not contain a fundamental wave, but only the third and seventh harmonics f3 and f7. It is remarkable that the seventh harmonic is shown with a negative amplitude. This means nothing else than that the seventh harmonic f7 has a negative slope at the start time, ie its amplitude immediately less than zero immediately after the start time. It has a phase shift of 180 ° compared to a seventh harmonic, which has a positive slope at the start.
  • FIG. 3c shows the superposition of the two sound features from FIGS. 3a and 3b.
  • the positive frequency component f7 in FIG. 3a is canceled out by the negative sound component f7 in FIG. 3b.
  • the superimposition thus leads to a frequency spectrum which only contains the fundamental wave and the third harmonic, the amplitude of the third harmonic being the sum of the corresponding frequency components from the sound feature from FIG. 3a and the sound feature from FIG. 3b.
  • FIG. 3d shows a further composite frequency spectrum, in which only the sound features from FIGS. 3a and 3b have also been used.
  • the sound feature of FIG. 3b was subtracted from the sound feature of FIG. 3a for the frequency spectrum from FIG. 3d.
  • the third harmonic f3 is therefore only available with the difference.
  • the seventh harmonic f7 is available with the sum of its amplitudes, since the subtracting corresponds to a negative quantity by the addition of its amount.
  • the subtraction can take place, for example, by multiplying the output value of the interpolation filter 23 in the amplitude processor 24 by a factor ( ⁇ 1).
  • 3e shows a third frequency spectrum, which has also been generated from the two sound features according to FIGS. 3a and b.
  • 3a was read unchanged into the accumulator 25, the sound feature according to FIG. 3b was multiplied in the amplitude processor 24 by a factor of 0.5.
  • the frequency components of the third and seventh harmonics are only increased or decreased by an amount attenuated by a factor of 0.5.
  • the use of individual sound features is not necessarily limited to the reproduction of a sound from a single instrument.
  • all tones of an instrument to be reproduced have a certain commonality.
  • the frequency spectrum will not be the same for all tones.
  • the sound feature common to all tones of an instrument can be extracted and, in other sound features, only the differences to the individual tones, which will be different over the range of the instrument, can be additionally stored.
  • it turned out that it is also possible to find out individual sound characteristics that are the same for a group of instruments.
  • by cleverly selecting the sound characteristics practically all sound characteristics can be used for several tones or even sounds. In the present case, only two sound features have been combined for the sake of simplicity.
  • the individual sound features are stored in the sample value memory 12 in the form of sample values. Sound characteristics with only a few overtones are also stored with only a relatively few samples. No information about the highest frequency occurring in the sound feature can be derived from the sound feature itself.
  • the frequency with which the individual sound feature is reproduced results only from the sampling rate conversion in the interpolation filter 23. This should be made clear using an example shown in FIG. 4. Only the sample values marked with an x are stored in the sample value memory 12.
  • the interpolation filter 23 calculates intermediate values at positions predetermined by the phase processor 22, which are identified by a vertical line. These intermediate values are read into the accumulator at the system sampling rate.
  • the accumulator 25 sums up all the values that are applied to the input at discrete times within 22.7 ⁇ s. At the end of these 22.7 ⁇ s, the totalized values are then read out. 4, the sound according to FIG. A is read out within 15 periods of the system sampling rate, in FIG. 4b, however, within 30 periods. The tone according to FIG. 4b thus sounds an octave lower than the tone according to FIG. 4a. In a scale representation, the vertical lines should be much denser. However, the overview would suffer from this. For example, for a representation of a tone with the frequency 440 Hz, approximately 100 periods of the system sampling rate would have to be represented in the figure.
  • a single sound feature can therefore be used for different pitches of a single sound.
  • the frequencies stored in the sound feature only indicate the relationship of the frequencies, for example the relationship of a fundamental frequency to the harmonics. These relative frequencies are only converted into an absolute frequency spectrum by converting the sampling rate in the interpolation filter 23.
  • the information that is stored in a sound feature is limited to the most necessary. The number of stored samples corresponds to twice the highest frequency occurring in the sound feature.
  • Sound patterns that change significantly over time can be stored as sound feature sets that are mixed differently, i.e. time-dependent, with the aid of the amplitude control. It is also possible to crossfade from one sound to another.
  • the amplitude control curves are constructed so that their sum always remains constant. The individual amplitude control curves are therefore opposite.
  • the interpolation filter 23 carries out a "sample rate conversion", as is known, for example, from Chamberlin's "Musical Applications of Microprocessors".
  • the interpolation filter 23 can also be connected to the interface processor 4 via a bus.
  • This processor 4 supplies the interpolation filter 23 with information about the pitch to be generated, for example about the frequency with which the samples are to be reproduced from the memory device 7.
  • the frequency information is transmitted to the interpolation filter 23 in the form of phase information, ie the interpolation filter 23 receives the information via the interface processor 4 which phase distance the individual support points should have from one another.
  • the interpolation filter 23 carries out an interpolation between the individual samples according to its stored filter coefficients.
  • the finished digital signal is fed to a digital / analog converter 26, which converts the digital signal into an analog one.
  • the analog signal is fed to an audio unit 16 which makes the analog but electrical signal audible, that is to say generates sound waves therefrom and couples it to the air.
  • FIG. 6 shows the schematic structure of the interpolation filter 23, eight poles 31, which are basically the same structure, being shown.
  • Each pole receives the phase information via a bus 32, i.e. the information about the position of the support point within the sound pattern at the desired frequency at which the instantaneous value is to be calculated from the sample values.
  • the sampled values read out from the memory device 7 with the aid of a readout device are fed to the digital interpolation filter 23 via the bus 33.
  • the sample values which are supplied via the bus 33 are available to each filter pole, possibly with a time offset.
  • the output of a filter pole is passed on to the input of the next filter pole.
  • Fig. 7 shows schematically the structure of a single filter pole.
  • Filter coefficients are stored in a memory 38, which may be in the form of RAM or ROM, and can be read out under the control of the phase value supplied via bus 32.
  • the filter coefficient memory 38 is connected via bus lines 39, 40 to an interpolator 41, which also receives the phase value information.
  • the filter coefficient memory 38 provides two successive filter coefficients via the bus lines 39, 40, with the aid of which the interpolator 41 can, for example, carry out a linear interpolation.
  • the output of the interpolator 41 is connected to a multiplier 36 which multiplies the output of the interpolator 41 by the samples which are supplied via the bus 33.
  • the output of the multiplier 36 is connected to an adder 37 which adds the output value of the multiplier 36 to the output value of the previous filter pole.
  • the output of the previous filter pole is fed to the second input of the adder 37 via a bus 34.
  • the output of the adder 37 is passed on to the next filter pole via a bus 35. At the last filter pole (filter pole 8), bus 35 corresponds to output 42.
  • the interpolation filter 23 is a filter with a relatively low order, ie it has only 32 or fewer, in the present case even only 8 poles. Filters with such a low order do not cut off sharply at their cut-off frequency f A , but already have a considerable attenuation below it. This state of affairs is shown schematically in FIG. 8. The dependence of the amplitude A on the frequency f is shown in the upper part. It can clearly be seen that the present filter 23 is a low-pass filter which already exerts a maximum attenuation D on the input signal at the end of a pass band 43. The pass band ends here at the cut-off frequency f G , ie the highest frequency occurring in the sound pattern.
  • the purpose of the low-pass filter property of the interpolation filter 23 is to suppress disturbing frequency components which arise from the sampling of the original sound pattern.
  • the cut-off frequency f G must be set such that it lies at least as far below half the sampling frequency f S / 2 of the original sound pattern as the cut-off frequency f A above f S / 2.
  • the problem with the "cheap" design of the filter now arises that, in the case where the blocking region 45 is allowed to begin near the cut-off frequency f G , the frequency components are damped too much, which is actually still completely in the sound pattern to be reproduced should be included.
  • the pass band 44 is shifted further in the direction of a higher frequency, ie if the cut-off frequency f G is left within the transition region or even on its left side, interfering frequencies are also let through, which audibly and disturbingly change the reproduction of the sound pattern.
  • the attenuation in the pass band 43 can be permitted if it is ensured that the corresponding frequencies of the sound patterns have been correspondingly raised or amplified before being stored.
  • 5 shows a suitable arrangement for this.
  • a microphone 46 sound patterns, for example from a conventional musical instrument, are recorded and converted into electrical signals.
  • the output of the microphone 46 is fed to a pre-emphasis device 47, which amplifies selected frequency components of the electrical signal generated by the microphone 46.
  • the structure of the interpolation filter automatically adjusts the cut-off frequency f G to the original sampling rate at which the sound pattern in the sampling device 48 has been sampled.
  • the interpolation filter 23 interpolates according to the filter coefficients between two successive samples, it being irrelevant whether the samples originally followed one another closely in time or were further apart in time.
  • the temporal relationship is only established by the phase information via line 32, with the aid of which the interpolation filter 23 calculates the necessary number of support points that are necessary for further processing at the system sampling rate.
  • the low-pass filter property of the interpolation filter 23 results from the type of interpolation between the two successive ones Sampled values, ie the “relative” cutoff frequency, that is to say the cutoff frequency based on the original sampling rate, and is determined by the filter coefficients stored in the memory 38.
  • the main processor 6 consists of several transputers 50, 51, 52.
  • the individual transputers of this main processor 6 process the incoming input data essentially in parallel, the processing of the individual input data in one of the transputers 50-52 being independent of the processing in the other transputers 50- 52 takes place. So only a very small amount of communication between the individual transputers 50-52 is necessary.
  • the main processor 6 After the main processor 6 has processed the signals received by the interface processor 4, it sends addresses and / or commands via the control bus 18, with the aid of which the tone generation modules 8-10, which are also connected to the control bus 18, can generate tones. A variety of tone generating modules 8-10 can be provided. Up to now, their capacity has been limited by the performance of the managing processor. By using the main processor 6, which can have any number of transputers 50-52, there are practically no more restrictions in the number of tone generation modules 8-10 to be managed.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Klangerzeugung mit einem elektronischen Musikinstrument und ein elektronisches Musikinstrument angegeben, bei dem in einem Vorbereitungsabschnitt Klangmuster in einer Speichereinrichtung (7) in Form von Abtastwerten digital gespeichert werden und in einem Klangerzeugungsabschnitt die Abtastwerte aus der Speichereinrichtung (7) ausgelesen werden, in einem Interpolationsfilter digital interpoliert werden und digital-analog gewandelt werden, wobei bei der digitalen Interpolation eine Dämpfung unterhalb der Sperrfrequenz des Interpolationsfilters zugelassen wird und im Vorbereitungsabschnitt die früher frequenten Anteile der Klangmuster, die im Interpolationsfilter gedämpft werden, vor der Speicherung verstärkt werden.

Figure imga0001
The invention relates to a method for generating sound with an electronic musical instrument and an electronic musical instrument, in which sound patterns are stored digitally in the form of samples in a preparation section and the samples are read out from the memory device (7) in a sound section, are digitally interpolated and converted from digital to analog in an interpolation filter, with digital interpolation allowing attenuation below the blocking frequency of the interpolation filter and in the preparatory section the earlier frequency components of the sound pattern that are attenuated in the interpolation filter are amplified before storage.
Figure imga0001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klangerzeugung mit einem elektronischen Musikinstrument, ein elektronisches Musikinstrument und eine Vorrichtung zur Beschickung einer Speichereinrichtung für ein elektronisches Musikinstrument.The invention relates to a method for sound generation with an electronic musical instrument, an electronic musical instrument and a device for loading a storage device for an electronic musical instrument.

Das Musikinstrument kann hierbei beispielsweise als Tastenmusikinstrument (Keybord) oder als reines Klangerzeugungsmodul (Expander) ausgeführt sein, das über externe Signale gesteuert werden kann.The musical instrument can be designed, for example, as a keyboard musical instrument (keybord) or as a pure sound generation module (expander), which can be controlled via external signals.

Vor der Wiedergabe von Klängen, d.h. beispielsweise bei der Fertigung eines entsprechenden Musikinstruments, werden Klangmuster in einer Speichereinrichtung in Form von Abtastwerten digital gespeichert. Bei der Erzeugung der Klänge, beispielsweise bei einem Vortrag eines Musikers, werden die Abtastwerte aus der Speichereinrichtung ausgelesen, verarbeitet, digital-analog gewandelt und über eine Audioeinrichtung als Klänge wiedergegeben.Before sounds are reproduced, that is to say, for example when manufacturing a corresponding musical instrument, sound patterns are stored digitally in the form of sampled values in a storage device. When the sounds are generated, for example during a lecture by a musician, the samples are read from the memory device, processed, converted to digital-analogue and reproduced as sounds via an audio device.

Dabei tritt das Problem auf, daß nach der Wandlung der digital abgespeicherten Abtastwerte in Analogwerte diese in nachfolgenden Schritten mehrfach wieder in Digitalwerte und zurückverwandelt werden müssen, um digital berechnete Effekte, z.B. einen digitalen Hall, anzuwenden. Um die mehrfache Wandlung von Digitalwerten in Analogwerte und umgekehrt zu vermeiden, müssen alle Abtastwerte im System in absolut gleichen Intervallen zur Verfügung stehen. Wenn aber alle Klangmuster mit der gleichen, für das gesamte Musikinstrument gültigen Abtastrate, der sogenannten Systemabtastrate, abgetastet und abgespeichert sind, lassen sich diese Klangmuster nicht bei anderen Frequenzen wiedergeben. Beispielsweise hat der Kammerton a mit 440 Hz bei einer Abtastrate von 44,1 kHz 100,2 Abtastwerte pro Wellenzug. Will man diesen Ton einen halben Ton tiefer mit der gleichen Abtastfrequenz abspielen, so werden 106,2 Abtastwerte pro Wellenzug benötigt. Daher ist es erforderlich, bei der Wiedergabe eine Umwandlung von der abgespeicherten Abtastrate auf die dem Musikinstrument eigene Systemabtastrate vorzunehmen. Hierzu wird ein Verfahren verwendet, das unter dem Namen "Sample Rate Conversion" bekannt ist (s. z.B. Chamberlin "Musical Applications of Microprocessors", Seiten 470 bis 477, Haydn Book Company, Inc., 1980). Allerdings ist es in vielen Fällen 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 Klangmuster erforderlich. Der Klang eines Pianos ist aber nicht nur von der Tonhöhe, sondern auch von der Anschlagstärke abhängig. Weiterhin klingen tiefere Töne erheblich länger aus als hohe Töne. Nimmt man eine Unterteilung 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 Vielfaches 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 Speicherbedarf praktisch ins Unermeßliche. Auch unter Berücksichtigung der Tatsache, daß Speichermedien immer preiswerter werden, sind derartig große Datenmengen nur schwer mit der geforderten hohen Geschwindigkeit verarbeitbar, die das virtuose Spielen des elektronischen Musikinstruments erfordert.The problem arises that after the digitally stored samples have been converted into analog values, they must be converted back into digital values and back several times in subsequent steps in order to apply digitally calculated effects, for example a digital Hall. In order to avoid the multiple conversion of digital values into analog values and vice versa, all sample values in the system must be available at absolutely the same intervals. However, if all sound patterns are sampled and stored with the same sampling rate, the so-called system sampling rate, which applies to the entire musical instrument, these sound patterns cannot be reproduced at other frequencies. For example, the chamber tone a with 440 Hz at a sampling rate of 44.1 kHz has 100.2 samples per wave train. If you want to play this tone half a tone lower with the same sampling frequency, 106.2 samples per wave train are required. It is therefore necessary to convert the stored sampling rate to the system sampling rate specific to the musical instrument during playback. For this purpose, a method is used which is known under the name "Sample Rate Conversion" (see, for example, Chamberlin "Musical Applications of Microprocessors", pages 470 to 477, Haydn Book Company, Inc., 1980). In many cases, however, it is not possible to produce more than three adjacent semitones from a single "sample", ie sound pattern which is represented by the sequence of samples without major losses in quality. If you want to recreate a piano sound, ie the sound of a piano or grand piano with a length of 88 keys, about 30 samples or sound patterns are required. The sound of a piano is not only dependent on the pitch, but also on the velocity. Furthermore, lower tones decay much longer than high tones. Assume a division into eight dynamic levels and one average recording time of approx. 20 sec. per note, there is a memory requirement of approximately 420 megabytes, whereby only a single instrument, namely the piano, is covered. This does not take into account the fact that the sound of a piano can be further modified using the damper and sustain pedals, so that a multiple of the specified memory requirement is necessary for the complete reproduction of the piano sound. The average recording time of a sound can be reduced by looping, ie repetitive output of a section of the sound, while accepting a loss in quality, with an average recording time of approx. 3 seconds. however, a memory requirement of approximately 60 megabytes is still required. The memory requirement is higher or lower for other instruments. However, since you want to produce a multitude of sounds with a modern electronic musical instrument, the memory requirement grows practically immeasurably. Even taking into account the fact that storage media are becoming cheaper and cheaper, it is difficult to process such large amounts of data at the required high speed required for virtuoso playing of the electronic musical instrument.

Die der Sample Rate Conversion zugrundeliegende mathematische Operation läßt sich durch ein digitales Interpolationsfilter realisieren, d.h. die Interpolation im Zeitbereich kann auch als Filterung im Frequenzbereich betrachtet werden. Die für diesen Zweck am besten geeignete Filterfunktion ist ein Tiefpaßfilter, das bis zur halben Abtastfrequenz, mit der das Klangmuster abgetastet worden ist, alles passieren läßt, darüber hinaus jedoch alle Frequenzanteile total unterdrückt. Die Abschneidekante soll hier also praktisch senkrecht auf der Sperrfrequenz verlaufen. Ein ideales Filter läßt sich bekanntlich nicht realisieren. Das ideale Tiefpaßfilter läßt sich jedoch recht gut approximieren, wenn man ein Filter mit einer großen Anzahl von Filterpolen verwendet. Je höher die Anzahl der Filterpole ist, desto besser ist die Annäherung an die ideale Filtercharakteristik. Eine große Polanzahl hat jedoch im digitalen Fall den Nachteil, daß pro Pol eine vorbestimmte Anzahl von Rechenoperationen notwendig ist, d.h. beispielsweise eine Addition und eine Multiplikation pro Filterpol, so daß bei vielen Filterpolen eine entsprechend große Anzahl von mathematischen Operationen durchzuführen ist, die das Musikinstrument trotz eines hohen Aufwands relativ langsam machen. Dieser Nachteil tritt insbesondere dann sehr deutlich zutage, wenn das Musikinstrument polyphon betrieben werden soll, also gleichzeitig eine Vielzahl von verschiedenen Klangmustern wiedergegeben werden soll. In diesem Fall müssen die vielen mathematischen Operationen nicht nur für ein Klangmuster, sondern parallel für eine ganze Reihe von Klangmustern durchgeführt werden. Auch bei Verwendung von ausgesprochen schnellen Bauteilen gerät das Musikinstrument über kurz oder lang an eine Grenze, über die hinaus eine Erweiterung der Klangvielfalt nicht mehr möglich ist, insbesondere auch unter dem Aspekt, daß sehr große Speicher verwendet werden müssen.The mathematical operation on which the sample rate conversion is based can be implemented by means of a digital interpolation filter, ie the interpolation in the time domain can also be viewed as filtering in the frequency domain. The most suitable filter function for this purpose is a low-pass filter, which allows everything to happen up to half the sampling frequency with which the sound pattern has been sampled, but beyond which it completely suppresses all frequency components. The cutting edge should therefore run practically perpendicular to the blocking frequency. As is well known, an ideal filter cannot be realized. The ideal However, low-pass filters can be approximated quite well if a filter with a large number of filter poles is used. The higher the number of filter poles, the better the approximation to the ideal filter characteristic. However, a large number of poles in the digital case has the disadvantage that a predetermined number of arithmetic operations is required per pole, that is to say, for example, an addition and a multiplication per filter pole, so that with many filter poles a correspondingly large number of mathematical operations must be performed by the musical instrument relatively slow despite a lot of effort. This disadvantage is particularly evident when the musical instrument is to be operated polyphonically, ie when a large number of different sound patterns are to be reproduced at the same time. In this case, the many mathematical operations need to be performed not only for one sound pattern, but in parallel for a whole series of sound patterns. Even when using extremely fast components, the musical instrument will sooner or later reach a limit beyond which an expansion of the variety of sounds is no longer possible, especially in view of the fact that very large memories have to be used.

Es ist deswegen die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei dem mit geringem Aufwand die Klänge möglichst naturgetreu wiedergegeben werden.It is therefore the object of the present invention to provide a method in which the sounds are reproduced as realistically as possible with little effort.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Klangerzeugung mit einem elektronischen Musikinstrument, bei dem in einem Vorbereitungsabschnitt Klangmuster in einer Speichereinrichtung in Form von Abtastwerten digital gespeichert werden und in einem Klangerzeugungsabschnitt die Abtastwerte aus der Speichereinrichtung ausgelesen werden, in einem Interpolationsfilter digital interpoliert werden und digital-analog gewandelt werden, gelöst, wobei bei der digitalen Interpolation eine Dämpfung unterhalb der Sperrfrequenz des Interpolationsfilters zugelassen wird und im Vorbereitungsabschnitt die höherfrequenten Anteile der Klangmuster, die im Interpolationsfilter gedämpft werden, vor der Speicherung verstärkt werden.This object is achieved in a method for sound generation with an electronic musical instrument, in which sound patterns are stored digitally in the form of samples in a preparation section and the samples are read out from the memory device in a sound generation section are digitally interpolated and converted from digital to analog in an interpolation filter, whereby attenuation below the blocking frequency of the interpolation filter is permitted in the digital interpolation and the higher-frequency components of the sound patterns that are attenuated in the interpolation filter are amplified in the preparation section before storage will.

Bei diesem Verfahren wählt man einen Kompromiß in der Filtereigenschaft, es wird nämlich eine Dämpfung in einem Bereich zugelassen, der eigentlich noch der Durchlaßbereich ist. Frequenzanteile, die in diesen Bereich fallen, werden unerwünschterweise stark gedämpft. Die Dämpfung wird umso stärker, je näher die Frequenzen an die Sperrfrequenz heranrücken. Aus diesem Grunde hat man bisher die Filter mit einer relativ steilen Abschneidecharakteristik gewählt. Man kann jedoch die Dämpfung durch eine Preemphasis kompensieren, die bereits vor dem Abspeichern der Klangmuster die höherfrequenten Anteile verstärkt oder anhebt. Bei der Interpolation werden diese Anteile entsprechend gedämpft, so daß am Ausgang des Interpolationsfilters trotz der schlechten Filtereigenschaften ein Klangmuster zur Verfügung steht, das praktisch dem Original entspricht.In this method, a compromise in the filter property is chosen, namely an attenuation is permitted in a range that is actually still the pass band. Frequency components that fall within this range are undesirably heavily damped. The damping becomes stronger the closer the frequencies come to the blocking frequency. For this reason, filters with a relatively steep cut-off characteristic have so far been chosen. However, the attenuation can be compensated for by a pre-emphasis, which increases or increases the higher-frequency components before the sound patterns are saved. During the interpolation, these parts are damped accordingly, so that despite the poor filter properties, a sound pattern is available at the output of the interpolation filter that practically corresponds to the original.

Bevorzugterweise erfolgt die Verstärkung der höherfrequenten Anteile vor der Abspeicherung mit einer frequenzabhängigen Verstärkungskennlinie, die der frequenzabhängigen Durchlaßkennlinie im Durchlaßbereich im wesentlichen umgekehrt proportional ist. Mit anderen Worten werden die höherfrequenten Anteile frequenzabhängig umso stärker verstärkt, je größer die Dämpfung im Interpolationsfilter ist. Dadurch läßt sich eine fast rechteckförmige Filtercharakteristik im Frequenzbereich erzielen, d.h. die Abschneidekante des Filters steht fast senkrecht auf der Sperrfrequenz des Filters. Durch die Preemphasis nimmt man natürlich den Nachteil einer um die zusätzliche Verstärkung verminderten Aussteuerbarkeit in Kauf. Dies spielt jedoch in den betrachteten Frequenzbereichen praktisch keine Rolle, da der Energieanteil für die höherfrequenten Anteile in der Regel so klein ist, daß sie ohnehin nicht in den Aussteuerbereich kommen.The amplification of the higher-frequency components is preferably carried out before storage with a frequency-dependent gain characteristic which is inversely proportional to the frequency-dependent pass characteristic in the pass band. In other words, the higher the frequency components are amplified depending on the frequency, the greater the attenuation in the interpolation filter. This allows an almost rectangular filter characteristic to be achieved in the frequency range, ie the cut-off edge of the filter is almost perpendicular to the blocking frequency of the filter. By preemphasis you of course take away the disadvantage of one the additional gain diminished controllability in purchase. However, this plays practically no role in the frequency ranges under consideration, since the energy component for the higher-frequency components is generally so small that they do not come into the modulation range anyway.

Es ist bevorzugt, daß das Frequenzspektrum der Klangmuster auf Frequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz beschränkt wird, wobei die Grenzfrequenz kleiner als die Sperrfrequenz des Interpolationsfilters ist. Die Klangmuster werden beispielsweise auf das hörbare Spektrum, das sogenannte Audiospektrum, begrenzt. Durch die doppelte Maßnahme vor dem Abspeichern der Klangmuster, d.h. die Preemphasis einerseits und die Beschränkung des Frequenzspektrums andererseits, erhält man nach der Widergabe Klangmuster, die bis zur Grenzfrequenz praktisch ungedämpft, darüber hinaus aber praktisch vollständig unterdrückt sind.It is preferred that the frequency spectrum of the sound patterns is limited to frequencies below a cutoff frequency, the cutoff frequency being less than the cutoff frequency of the interpolation filter. For example, the sound patterns are limited to the audible spectrum, the so-called audio spectrum. By taking the double measure before saving the sound pattern, i.e. the preemphasis on the one hand and the limitation of the frequency spectrum on the other hand, after the reproduction, sound patterns are obtained which are practically unattenuated up to the cutoff frequency, but are practically completely suppressed.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Klangmuster aus einzelnen Klangmerkmalen zusammengesetzt, die in Form von Abtastwerten digital gespeichert sind, gesteuert ausgelesen, einer Abtastratenwandlung unterworfen, nach der alle Klangmerkmale mit einer einheitlichen Systemabtastrate zur Verfügung stehen, und dann zusammengesetzt, wobei zumindest einige Klangmerkmale Komponenten unterschiedlicher Frequenz aufweisen, alle Klangmerkmale zum Startzeitpunkt eines Klanges eine vorbestimmte Phasenbeziehung zueinander aufweisen und die Komponenten eines Klangmerkmales zu diesem Startzeitpunkt eine vorbestimmte Phasenbeziehung zu den anderen Komponenten des gleichen Klangmerkmals aufweisen. Diese Ausführungsform kann auch ohne die Merkmale der Preemphasis verwirklicht werden. 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 zusammensetzen, wie dies von der harmonischen Synthese bekannt 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 angesteuert und verwaltet werden. Erfindungsgemäß werden nicht nur Sinusschwingungen erzeugt, sondern Frequenzgemische, die bereits eine Vielzahl von Oberschwingungen 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 eines Instruments bestimmen. Wenn man den "Grundklang" eines Instruments als Klangmerkmal extrahiert und speichert, benötigt man für die Klangmuster, die den einzelnen Tönen des Instruments entsprechen, nur noch einige wenige weitere Klangmerkmale, um die Töne mit hoher Ähnlichkeit nachzubilden. Das Erstaunliche dabei ist, daß die akustische Wiedergabe des Grund-Klangmerkmals nicht unbedingt eine Ähnlichkeit mit dem Klang des nachzubildenden Instruments aufweisen muß. Ähnlichkeiten, die für die Zusammenfassung von Teilen unterschiedlicher Klangmuster in gemeinsame Klangmerkmale ausgenutzt werden können, bestehen aber nicht nur zwischen 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 Instrumentenfamilienübergreifende Klangmerkmale finden, die weiter zur Verminderung des Speicherbedarfs verwendet werden können. Die Klangmerkmale können beispielsweise manuell, d.h. aufgrund von Hörproben, herausgefunden 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.In a preferred embodiment, the sound patterns are put together from individual sound features, which are stored digitally in the form of sample values, are read out in a controlled manner, are subjected to a sampling rate conversion according to which all sound features are available with a uniform system sampling rate, and are then combined, at least some sound features being components of different types Have frequency, all sound features at the start time of a sound have a predetermined phase relationship to one another and the components of a sound feature at this start time have a predetermined phase relationship to the other components of the same sound feature. This embodiment can also be implemented without the features of the preemphasis. A sound feature is therefore a frequency mix that is stored in the memory in the form of a predetermined number of samples. Would be a sound feature containing only a single frequency, one could assemble practically any tone from a multitude of sound characteristics, as is known from harmonic synthesis. However, a separate sine wave oscillator with its own amplitude control is required for each overtone. With an overtone-rich but deep tone of, for example, 40 Hz with overtones up to 10 kHz, approximately 250 oscillators come together. Each of these must be controlled and managed. According to the invention, not only sine vibrations are generated, but frequency mixtures that can already contain a large number of harmonics. One takes advantage of the fact that with the many sound patterns that are stored in the memory, certain similarities prevail which determine, for example, the characteristic sound pattern of an instrument. If you extract and save the "basic sound" of an instrument as a sound feature, you only need a few more sound features for the sound patterns that correspond to the individual tones of the instrument in order to reproduce the tones with high similarity. The astonishing thing is that the acoustic reproduction of the basic sound feature does not necessarily have to be similar to the sound of the instrument to be reproduced. Similarities that can be used to combine parts of different sound patterns into common sound characteristics exist not only between the tones of a single instrument, but also between sound patterns of different instruments, for example in the case of instrument families such as brass, woodwind or strings. However, you can also find cross-instrument sound characteristics that can be used to further reduce memory requirements. The sound characteristics can, for example, be found out manually, ie on the basis of audio samples. Another option is to look at wave trains, generated by the individual instruments. Here, too, certain similarities can be recognized, which can then be extracted in the form of sound characteristics. Finally, suitable calculation methods can be developed to extract the similarities between individual sounds as sound characteristics.

Wichtig bei der Zusammensetzung von einzelnen Klangmerkmalen 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 einzelnen 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 vorkommen, daß sich einzelne Obertöne verstärken oder auslöschen und damit das Klangbild verfälschen. Die Klangmerkmale sind hierbei nicht auf eine Periode der Grundwelle beschränkt. Wie beim normalen Sampling, d.h. Abtasten, können praktisch beliebig lange Klangmuster abgespeichert werden.What is important in the composition of individual sound features to the desired sounds is the fact that the individual sound features at the start time, i.e. when the sound is first composed, have a predetermined phase relationship to one another. The same applies to the individual frequency components of a single sound feature. Only in this case does the superimposition of the individual sound characteristics lead to the desired synthesis, i.e. to the sound to be reproduced. If the individual sound features do not have this predetermined phase relationship, i.e. depending on the coincidence when the individual sound characteristics start, it can happen that individual overtones are amplified or extinguished and thus distort the sound image. The sound characteristics are not limited to a period of the fundamental wave. As with normal sampling, i.e. Sampling, sound patterns of practically any length can be saved.

Bevorzugterweise weisen alle Klangmerkmale zum Startzeitpunkt einen Nulldurchgang auf. Dies erleichtert 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.All sound features preferably have a zero crossing at the start time. This facilitates the establishment of the desired phase relationship. In addition, this structure essentially corresponds to the model of a natural musical instrument. With conventional musical instruments, too, the tone begins with an amplitude value of zero.

Bevorzugt ist auch, daß alle Komponenten eines Klangmerkmals zum Startzeitpunkt einen Nulldurchgang aufweisen. Die Amplitude einer Komponente kann sich nach dem Startzeitpunkt positiv oder negativ entwickeln. Wenn sich die Amplitude im Zeitbereich nach dem Start negativ entwickelt, die erste Ableitung nach der Zeit also negativ ist, bedeutet dies, daß die betreffende Komponente 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 darstellen. Ein Klangmerkmal mit einer solchen Komponente wird also die Komponente eines weiteren Klangmerkmals mit der gleichen Frequenz ganz oder teilweise auslöschen. Die "negative" Amplitude dient hier natürlich nur als Rechengröße, da für das Ohr der Betrag der Amplitude entscheidend ist.It is also preferred that all components of a sound feature have a zero crossing at the start time. The amplitude of a component can develop positively or negatively after the start time. If the amplitude develops negatively in the time range after the start, i.e. the first derivative after the time is negative, this means that the relevant component of the same frequency, which initially assumes an amplitude greater than zero after the start time, is out of phase by 180 °. Such a component can be represented in the frequency spectrum with a negative amplitude. A sound feature with such a component will completely or partially cancel out the component of another sound feature with the same frequency. The "negative" amplitude is of course only used here as a calculation parameter, since the amount of the amplitude is decisive for the ear.

Bevorzugterweise wird jedes Klangmerkmal mit einer Anzahl von Abtastwerten gespeichert, die eine vorbestimmte Beziehung mit der höchsten in dem Klangmerkmal vorkommenden Frequenz aufweist, wobei die Sperrfrequenz des Interpolationsfilters abängig von der Abtastfrequenz gewählt wird, mit der die Abtastwerte aus den Klangmustern erzeugt worden sind und bevorzugterweise in der Größenordnung von 50 % bis 60 % der Abtastfrequenz gewählt. In diesem Bereich hat man die größte Sicherheit, daß kein Aliasing auftritt. Dabei ist es vorteilhaft, daß die Grenzfrequenz in der Größenordnung von 30 % bis 50 % der Abtastfrequenz gewählt wird. Damit lassen sich praktisch beliebige Sperr- oder Grenzfrequenzen realisieren, so daß auch über die Charakteristik des Interpolationsfilters eine Beeinflussung der Wiedergabe der Klangmuster möglich ist. Insbesondere kann durch eine geschickte Wahl der Sperrfrequenz des Interpolationsfilters oder der Grenzfrequenz der sogenannte Alias-Effekt unterdrückt werden, der gerade mit hohen Frequenzen unerwünschte Störungen bei der Wiedergabe des Klangmusters bewirkt. Es ist also nicht notwendig, alle Klangmerkmale mit der gleichen, hohen Abtastfrequenz, 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.Each sound feature is preferably stored with a number of samples which has a predetermined relationship with the highest frequency occurring in the sound feature, the blocking frequency of the interpolation filter being selected depending on the sampling frequency with which the samples were generated from the sound patterns and preferably in on the order of 50% to 60% of the sampling frequency. In this area you have the greatest certainty that no aliasing will occur. It is advantageous that the cutoff frequency is selected in the order of 30% to 50% of the sampling frequency. In this way, practically any blocking or limit frequencies can be realized, so that the characteristics of the interpolation filter also influence the reproduction of the sound pattern is possible. In particular, the so-called alias effect can be suppressed by a clever choice of the blocking frequency of the interpolation filter or the cut-off frequency, which causes undesirable disturbances in the reproduction of the sound pattern, especially at high frequencies. It is therefore not necessary to sample all sound features with the same, high sampling frequency, that is to say the system sampling rate, and to store the resulting high number of sampling values. Rather, the number of samples is limited to what is absolutely necessary.

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 einzigen Klang, um dessen zeitliche Veränderung darzustellen.The sound features are advantageously subjected to an amplitude control before the assembly. For example, a sound feature that predominantly contains overtones can be amplified in one case to produce a sound that is rich in overtones, but in another case can only be used with a low amplification, so that the overtones are not so clearly audible. With the same sound characteristic, different sounds can already be generated by the amplitude control. This also applies to a single sound to show its change over time.

Bevorzugterweise erfolgt die Amplitudensteuerung mit Hilfe von digital gespeicherten Amplituden-Hüllkurven. In einem Klang lassen sich dann auch wechselnde Frequenzgemische realisieren. Dies kann zu interessanten Schwebungseffekten führen.The amplitude control is preferably carried out with the aid of digitally stored amplitude envelopes. Changing frequency mixes can then also be realized in one sound. This can lead to interesting beat effects.

Dabei wird bevorzugt, daß die Amplituden-Hüllkurven aus Hüllkurven-Merkmalen zusammengesetzt werden. Die Technik, die Gemeinsamkeiten in den einzelnen Kurven oder Schwingungen nur einmal abzuspeichern und mehrfach zu verwenden, läßt sich also auch bei den Hüllkurven verwenden.It is preferred that the amplitude envelopes are composed of envelope characteristics. The technology, the similarities in the individual curves or storing vibrations only once and using them multiple times can also be used for the envelopes.

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. Vielmehr läßt sich ein Klangmerkmal, das gerade ausgelesen wird, auch in mehreren parallel angeordneten Bearbeitungsstrecken weiter verarbeiten. Auch läßt sich ein Klangmerkmal, von dem bereits einige Komponenten ausgelesen sind, wieder von Beginn an auslesen, ohne daß das erste Auslesen des Klangmerkmals gestört wird. Dies ist letztendlich lediglich eine Frage der Speicherverwaltung oder der Auslesesteuerung. Dadurch läßt sich ein polyphones Spiel realisieren.Individual sound features are advantageously used to generate a plurality of sounds. This is also possible at the same time, since the sound characteristics are not lost when they are read out of the memory. Rather, a sound feature that is being read out can also be processed further in a plurality of processing sections arranged in parallel. A sound feature, of which some components have already been read out, can also be read out again from the beginning without the first reading of the sound feature being disturbed. Ultimately, this is just a question of memory management or readout control. This allows a polyphonic game to be realized.

Bevorzugterweise ist durch das Zusammensetzen der Klangmerkmale sowohl eine Verstärkung als auch eine Abschwächung von Frequenzkomponenten im resultierenden Signal erzielbar. Diese Verstärkung oder Abschwächung läßt sich einerseits durch das einfache Überlagern der Klangmerkmale erzielen. Wenn ein Klangmerkmal eine der oben erwähnten Komponenten mit negativer Amplitude aufweist, wird die entsprechende Frequenz, sofern sie in dem anderen Klangmerkmal ebenfalls vorkommt, abgeschwächt werden. Der gleiche Effekt, allerdings 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, das Klangmerkmale, die mit einer negativen Amplituden-Hüllkurve versehen sind, beim Zusammenfügen nicht zu einem anderen Klangmerkmal addiert, sondern von diesem subtrahiert werden.By combining the sound features, both an amplification and an attenuation of frequency components in the resulting signal can preferably be achieved. This amplification or weakening can be achieved on the one hand by simply superimposing the sound characteristics. If a sound feature has one of the above-mentioned components with negative amplitude, the corresponding frequency, if it also occurs in the other sound feature, will be attenuated. The same effect, but not limited to a single frequency, can be achieved by providing the sound feature with a negative amplitude envelope. The term negative amplitude envelope is also used here for illustrative purposes only introduced. This is to express that sound features that have a negative amplitude envelope are not added to another sound feature when they are joined, but are subtracted from it.

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 Klangmerkmale hohen Verarbeitungsfrequenzen leicht realisieren. Streng genommen müssen lediglich innerhalb einer Periode der System-Abtastrate von beispielsweise 44,1 kHz alle Verarbeitungen abgeschlossen sein, um dem Musikinstrument den Augenblickswert des nachzubildenden Klanges zur Verfügung zu stellen. Bei einer angenommenen System-Abtastrate von 44,1 kHz sind dies mehr als 20 µs.In a particularly preferred embodiment, the reading out and the sampling rate conversion of a plurality of sound features are carried out by means which are common to a plurality of sound features and which process the sound features in series or in the multiplex method. This can be easily achieved due to the high processing frequencies in relation to the frequencies of the sound features. Strictly speaking, all processing only has to be completed within a period of the system sampling rate of, for example, 44.1 kHz, in order to provide the musical instrument with the instantaneous value of the sound to be reproduced. Assuming a system sampling rate of 44.1 kHz, this is more than 20 µs.

Mit Vorteil wird während des Auslesens eines Abtastwerts eines Klangmerkmals aus dem Speicher die Abtastratenbearbeitung eines Abtastwerts eines anderen Klangmerkmales durchgeführt, das im vorausgehenden Zugriff auf den Speicher ausgelesen worden ist. Die Berechnung von einzelnen Werten erfolgt also zeitlich hintereinander, wodurch sich ein gewisses Pipelining realisieren läßt.Advantageously, during the reading out of a sample of a sound feature from the memory, the sampling rate processing of a sample of another sound feature is carried out, which was read out in the previous access to the memory. The calculation of individual values thus takes place in succession, which means that a certain pipelining can be implemented.

Bevorzugterweise erfolgt das Zusammensetzen der einzelnen Klangmerkmale mit Hilfe eines Akkumulators, in den Augenblickswerte der mit der einheitlichen Systemabtastrate versehenen Klangmerkmale seriell addiert bzw. subtrahiert werden, wobei der Inhalt zu einem vorbestimmten Zeitpunkt ausgelesen wird. Für das "Füllen" des Akkumulators steht dabei eine komplette Periode der Systemabtastrate zur Verfügung. Es ist also nicht notwendig, daß alle Klangmerkmale eines Klanges gleichzeitig bearbeitet werden. Vielmehr eröffnet diese bevorzugte Ausführungsform die Möglichkeit einer seriellen Bearbeitung von einzelnen Klangmerkmalen hintereinander, wobei durch den Akkumulator die Möglichkeit gegeben ist, die einzelnen Klangmerkmale zusammenzusetzen.The individual sound features are preferably assembled with the aid of an accumulator in which instantaneous values of the sound features provided with the uniform system sampling rate are added or subtracted serially, the content being read out at a predetermined point in time. For the "filling" of the battery stands a complete period of the system sampling rate is available. It is therefore not necessary that all sound features of a sound are processed at the same time. Rather, this preferred embodiment opens up the possibility of serial processing of individual sound features in succession, the accumulator making it possible to assemble the individual sound features.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist jeder Klang aus maximal sechzehn Klangmerkmalen zusammengesetzt. In vielen Fällen werden auch zwei bis acht Klangmerkmale ausreichen. Die Entscheidung, wie viele Klangmerkmale verwendet werden, ist letztlich eine Frage des Gehörempfindens. Durch die Beschränkung auf sechzehn Klangmerkmale wird eine Beschränkung der abzuspeichernden und zu verwaltenden Datenmengen bewirkt.In a particularly preferred embodiment, each sound is composed of a maximum of sixteen sound features. In many cases, two to eight sound characteristics will suffice. The decision on how many sound features to use is ultimately a question of hearing. The limitation to sixteen sound characteristics means that the amount of data to be stored and managed is limited.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden für einen Klang parallel mehrere Sätze von Klangmerkmalen zusammengesetzt, die mit gegenläufigen Amplitudensteuerkurven überlagert werden. Damit läßt sich auf einfache Art und Weise der Klang eines Instruments nachbilden, der sich auch mit einer Vielzahl von Klangmerkmalen ansonsten schwer nachbilden ließe. Als Beispiel 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.In a further preferred embodiment, a plurality of sets of sound features are put together in parallel for a sound and are superimposed with opposite amplitude control curves. This allows the sound of an instrument to be simulated in a simple manner, which would otherwise be difficult to simulate even with a multitude of sound features. As an example, reference is made to a trumpet into which a damper is inserted during the blowing. Another example is a clarinet or saxophone, the players of which greatly change the tension of the lower lip when playing.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Interpolationsfilter verwendet, dessen Grenzfrequenz sich in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz selbsttätig verändert. Damit läßt sich eine Speicherplatzersparnis bei den Abtastwerten für die Klangmuster erreichen. Wenn beispielsweise der Kammerton a nur einen geringen Obertongehalt aufweist, z.B. dann, wenn das Klangmuster von einer Flöte stammt, die im wesentlichen nur die dritte Oberwelle (1760 Hz) hat, so genügt zur Erzeugung der Abtastwerte eine Abtastfrequenz von ca. 3,5 kHz, also nur ca. acht Abtastwerte pro Wellenzug. Dies ergibt in diesem Beispiel eine Speicherersparnis von mehr als 90 %. Bei der Wiedergabe mit der Systemabtastrate des Musikinstruments von beispielsweise 44,1 kHz müssen dann natürlich wieder 100,2 Abtastwerte erzeugt bzw. errechnet werden. In diesem Zusammenhang zeigt sich auch der Vorteil der selbsttätigen Anpassung der Grenzfrequenz des digitalen Interpolationsfilters besonders deutlich. Die Grenzfrequenu stellt sich bei einer Abtastfrequenz von 3,5 kHz beispielsweise auf einen Wert in der Größenordnung von 1,4 kHz ein.In a preferred embodiment, an interpolation filter is used, the cut-off frequency of which changes automatically as a function of the sampling frequency. This saves storage space in the samples for the sound pattern. If For example, the chamber tone a has only a low harmonic content, for example, if the sound pattern comes from a flute that essentially only has the third harmonic (1760 Hz), a sampling frequency of approximately 3.5 kHz is sufficient to generate the samples. So only about eight samples per wave train. In this example, this results in a memory saving of more than 90%. When reproducing with the system sampling rate of the musical instrument of 44.1 kHz, for example, 100.2 samples must of course then be generated or calculated again. In this context, the advantage of automatically adjusting the cut-off frequency of the digital interpolation filter is particularly evident. The limit frequency is set at a sampling frequency of 3.5 kHz, for example, to a value in the order of 1.4 kHz.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Musikinstrument zur Errzeugung von Klängen anzugeben, bei dem mit geringem Aufwand die Klänge möglichst naturgetreu wiedergegeben werden. Diese Aufgabe wird bei einem elektronischen Mustikinstrument zur Erzeugung von Klängen mit einer Speichereinrichtung, in der Klangmuster in Form von Abtastwerten digital gespeichert sind, einer Ausleseeinrichtung, die die Abtastwerte gesteuert aus der Speichereinrichtung ausliest, einem digitalen Interpolationsfilter, das eine Abtastratenwandlung durchführt und an seinem Ausgang die Klangmerkmale mit einer für das gesamte Musikinstrument einheitlichen Systemabtastrate zur Verfügung stellt, und einem Digital/Analog-Wandler, der an den Ausgang des Interpolationsfilters angeschlossen ist, gelöst, bei dem das Interpolationsfilter eine ausgeprägte Dämpfung unterhalb der Sperrfrequenz aufweist, und die Abtastwerte Klangmustern entsprechen, deren höherfrequente Anteile, die im Interpolationsfilter gedämpft werden, verstärkt sind.The invention is also based on the object of specifying an electronic musical instrument for generating sounds, in which the sounds are reproduced as faithfully as possible with little effort. This object is achieved in an electronic mustikinstrument for generating sounds with a storage device in which sound patterns are stored digitally in the form of samples, a readout device which reads the samples in a controlled manner from the storage device, a digital interpolation filter which carries out a sampling rate conversion and at its output provides the sound characteristics with a system sampling rate that is uniform for the entire musical instrument, and a digital / analog converter, which is connected to the output of the interpolation filter, in which the interpolation filter has a pronounced attenuation below the cutoff frequency, and the samples sound patterns correspond, the higher-frequency components that are attenuated in the interpolation filter are amplified.

Das Musikinstrument hat also die Information, die es zur Erzeugung der Klänge benötigt, in sich gespeichert. Bei einem Tastendruck oder bei Auftreten eines Erzeugungssignals liest die Ausleseeinrichtung die gespeicherten Abtastwerte aus, die dann nachfolgend verarbeitet werden. Dadurch daß die gespeicherten Werte ein anderes Frequenzspektrum aufweisen als die wiederzugebenden Werte - sie sind nämlich erfindungsgemäß in den oberen Frequenzbereichen verstärkt -, läßt sich problemlos das Interpolationsfilter mit der ausgeprägten Dämpfung verwenden, ohne daß am Ausgang des Interpolationfilters bzw. des nachgeschalteten Digital/Analog-Wandlers unerwünschte Verzerrungen hörbar werden.The musical instrument therefore has the information it needs to generate the sounds stored in it. When a key is pressed or when a generation signal occurs, the readout device reads out the stored samples, which are then processed subsequently. Because the stored values have a different frequency spectrum than the values to be reproduced - namely, according to the invention they are amplified in the upper frequency ranges - the interpolation filter with the pronounced attenuation can be used without problems, without the output of the interpolation filter or the downstream digital / analog Unwanted distortion can be heard.

Bevorzugterweise weist das Musikinstrument einen Akkumulator, der mit dem Ausgang des Interpolationsfilters verbunden ist und seriell eingelesene Werte aufsummiert und die Summe ausgibt, wobei das Aufsummieren und das Ausgeben innerhalb einer Periode der Systemabtastrate erfolgt, und eine Audio-Einrichtung auf, die das Ausgangssignal des Digital/Analog-Wandlers hörbar macht. In einem derartigen Musikinstrument lassen sich die einzelnen Klangmerkmale deswegen überlagern, weil das Interpolationsfilter für eine Abtastratenwandlung sorgt. Die Klangmerkmale stehen beim Ausgang des Interpolationsfilters zwar nach wie vor in digitaler Form zur Verfügung, jedoch sind sie dort alle mit der Systemabtastrate abgetastet, d.h. innerhalb jeder Periode der Systemabtastrate steht ein Augenblickwert jedes Klangmerkmals stabil zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.The musical instrument preferably has an accumulator, which is connected to the output of the interpolation filter and adds up values which have been read in serially and outputs the sum, the addition and output taking place within a period of the system sampling rate, and an audio device which produces the output signal of the digital / Makes the analog converter audible. In such a musical instrument, the individual sound features can be overlaid because the interpolation filter ensures a sampling rate conversion. The sound features are still available in digital form at the output of the interpolation filter, but they are all sampled there at the system sampling rate, i.e. within each period of the system sampling rate, an instantaneous value of each sound feature is stable and available for further processing.

In jeder Periode der Systemabtastrate lassen sich also die einzelnen Augenblickswerte überlagern. Das Ausgangssignal beinhaltet dann die Addition bzw. Substraktion der einzelnen Frequenzen, was zum Frequenzspektrum des nachzubildenden Klanges führt.The individual instantaneous values can therefore be superimposed in each period of the system sampling rate. The output signal then contains the addition or subtraction of the individual frequencies, which leads to the frequency spectrum of the sound to be reproduced.

Bevorzugterweise weist das Interpolationsfilter 32 oder weniger Pole auf. Dies ist gegenüber den überlicherweise verwendeten Interpolationsfiltern, die größenordnungsmäßig 100 oder mehr Pole aufweisen, eine erhebliche Rechen- und Verarbeitungszeitersparnis und ermöglicht eine schnelle Verarbeitung der ausgelesenen Werte, da bei einer geringeren Anzahl von Polen eine geringere Anzahl von Rechenoperationen notwendig sind. Für den Fall, daß das Filter für mehrere Klänge gleichzeitig zur Verfügung stehen muß, also beispielsweise die Rechenoperationen für einen polyphonen Klang durchführen muß, läßt sich bei den angegebenen 32 oder weniger Polen eine entsprechend größere Klangvielfalt gleichzeitig erzeugen. Im Vergleich zu den ansonsten üblichen hundert- oder mehr-poligen Filtern läßt sich die Klangvielfalt praktisch mehr als verdreifachen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Interpolationsfilter acht Pole auf. Man erhält hier zwar einen relativ breiten Übergangsbereich, d.h. die Dämpfung setzt relativ frühzeitig ein. Durch die vorgesehene Preemphasis läßt sich dieser Effekt jedoch problemlos ausgleichen.The interpolation filter preferably has 32 or fewer poles. Compared to the commonly used interpolation filters, which have an order of magnitude of 100 or more poles, this saves a considerable amount of computation and processing time and enables the read-out values to be processed quickly, since a smaller number of poles means that fewer computation operations are necessary. In the event that the filter has to be available for several sounds at the same time, for example has to perform the arithmetic operations for a polyphonic sound, a correspondingly greater variety of sounds can be generated simultaneously with the 32 or fewer poles specified. Compared to the otherwise usual hundred or more-pole filters, the variety of sounds can be practically more than tripled. In a particularly preferred embodiment, the interpolation filter has eight poles. A relatively broad transition range is obtained here, i.e. damping sets in relatively early. However, this effect can be easily compensated for by the pre-emphasis provided.

Bevorzugterweise ist zwischen dem Interpolationsfilter und dem Akkumulator eine Amplitudensteuereinrichtung angeordnet. Diese Amplitudensteuereinrichtung sorgt dafür, daß einzelne Klangmerkmale stärker oder schwächer bei der Zusammensetzung der Klänge Einfluß nehmen.An amplitude control device is preferably arranged between the interpolation filter and the accumulator. This amplitude control device ensures that individual sound features have a stronger or weaker influence on the composition of the sounds.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind Ausleseinrichtung, Interpolationsfilter, Akkumulator und gegebenenfalls Amplitudensteuereinrichtung in einem Klangerzeugungsmodul zusammengefaßt und mehrere Klangerzeugsmodule sind parallel angeordnet. Dies erweitert die Möglichkeit der Polyphonie. Mehrere parallel angeordnete Klangerzeugungsmodule können eine ungleich größere Anzahl von Klängen parallel erzeugen, ohne daß sich eine Beschränkung in Bezug auf Rechen- oder Verarbeitungszeit ergibt.In a preferred embodiment, readout device, interpolation filter, accumulator and optionally amplitude control device are combined in one sound generation module and a plurality of sound generation modules are arranged in parallel. This extends the possibility of polyphony. A plurality of sound generation modules arranged in parallel can produce an incomparably larger number of sounds in parallel, without there being any restriction in terms of computing or processing time.

Ein weiterer vorteilhafter Effekt läßt sich erzielen, wenn die einzelnen Klangmerkmale eine vorbestimmte zusätzliche Veränderung der Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Hierdurch läßt sich erreichen, daß sich beim Zuhörer der Eindruck einstellt, es spielten eine Vielzahl von Instrumenten gleichzeitig, wie bei einem Orchester.A further advantageous effect can be achieved if the individual sound features have a predetermined additional change in the phase shift with respect to one another. This makes it possible for the listener to feel that a large number of instruments are playing at the same time, like an orchestra.

Bevorzugterweise weist die Klangerzeugungseinrichtung mindestens einen Transputer zur Verarbeitung der Klangmerkmale zu Klangsignalen auf. Ein Transputer, wie er z.B. von der Firma Inmos vertrieben wird, ist eine programmierbare Schaltungskomponente, die die parallele Bearbeitung von Prozessen mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht. "Transputer" ist ein Kunstwort, das aus der Zusammenziehung von "Transistor" und "Computer" entstanden ist. Ein Transputer verhält sich also einerseits wie ein Computer, andererseits aber auch pysikalisch wie ein Halbleiterschaltungselement. Ein Transputer ist eine in sich geschlossene Einheit, die Prozesse intern verwaltet und lediglich die Eingänge und die Ausgänge des Prozesses nach außen führt. Transputer ermöglichen die parallele Bearbeitung von Prozessen mit hoher Geschwindigkeit. Dabei ist es unerheblich, ob tatsächlich mehrere Einheiten in dem Transputer vorgesehen sind, die parallel arbeiten, oder ob in einer speziellen Ausführungsform eine Einheit, d.h. ein einzelner Transputer, die Parallelität simuliert. Dies ist einmal darauf zurückzuführen, daß jeder Transputer einen lokalen Speicher aufweist, auf den er zurückgreifen kann. Der Transputer kann sich also in hohem Maße selbst verwalten, ohne auf die Beschränkungen eines Bus oder eines Controllers für einen externen Speicher, auf den möglicherweise auch noch andere Prozessoren zugreifen müssen, angewiesen zu sein. Ein anderer Grund für die hohe Geschwindigkeit bei Parallelverarbeitung ist, daß der Transputer über eine sehr schnelle Schnittstelle, einen sogenannten Link, verfügt, über den er mit anderen Transputern, anderen Schnittstellen oder anderen Komponenten kommunizieren kann. Hierbei müssen lediglich die Endergebnisse der Prozesse, also der Datenbearbeitung, und die Eigendaten nach außen gelangen bzw. von außen zugeführt werden. Kommunikationsprobleme, wie sie bei der herkömmlichen Verwendung von Prozessoren als Haupt- und Unterprozessoren oder als parallele Prozessoren auftraten, kommen bei Transputern nicht vor. Da sich die Verarbeitung von Signalen zur Klangerzeugung in den meisten Fällen in parallele Prozesse aufteilen läßt, steigt mit zunehmender Zahl von Transputern die Leistungsfähigkeit des Musikinstruments nahezu linear an. Gerade bei der Nachbildung von Klängen laufen insbesondere bei polyphonem Spiel eine Vielzahl von parallelen Prozessen ab. Dies entspricht in vielen Fällen auch dem Original der Nachbildung, beispielsweise wenn ein Orchester mit vielen parallel arbeitetenden Instrumenten oder ein Piano, das vollgriffig gespielt wird, nachgebildet werden soll. Die parallelen Prozesse sind beispielsweise die Erzeugung von Einzeltönen, die parallel zueinander erzeugt werden. Darüber hinaus laufen aber auch bei der Erzeugung eines Einzeltones eine Vielzahl von parallelen Prozessen ab, beispielsweise wenn der Ton durch ein mehrpoliges digitales Filter interpoliert wird. Im Extremfall kann man jeden Pol als eigenen Prozeß betrachten.The sound generating device preferably has at least one transputer for processing the sound features into sound signals. A transputer, such as that sold by the company Inmos, is a programmable circuit component that enables parallel processing of processes at high speed. "Transputer" is an artificial word that emerged from the contraction of "transistor" and "computer". A transputer thus behaves like a computer on the one hand, but also physically like a semiconductor circuit element. A transputer is a self-contained unit that manages processes internally and only leads the process inputs and outputs to the outside. Transputers allow the parallel processing of processes at high speed. It is irrelevant whether there are actually several units in the transputer that work in parallel, or whether in a special embodiment a unit, ie a single transputer, simulates the parallelism. This is due to the fact that each transputer has local memory that it can access. The transputer can therefore manage itself to a great extent without being dependent on the restrictions of a bus or a controller for an external memory, which may also have to be accessed by other processors. Another reason for the high speed in parallel processing is that the transputer has a very fast interface, a so-called link, through which it can communicate with other transputers, other interfaces or other components. In this case, only the end results of the processes, i.e. data processing, and the own data have to be conveyed to the outside or supplied from outside. Communication problems, such as occurred with the conventional use of processors as main and subprocessors or as parallel processors, do not occur with transputers. Since the processing of signals for sound generation can in most cases be divided into parallel processes, the performance of the musical instrument increases almost linearly with an increasing number of transputers. Especially when simulating sounds, a multitude of parallel processes take place, especially with polyphonic playing. In many cases, this corresponds to the original of the replica, for example if an orchestra with many instruments working in parallel or a piano that is played with full grip is to be replicated. The parallel processes are, for example, the generation of single tones that are generated parallel to one another. Beyond running but also in the production of a single tone a large number of parallel processes, for example when the tone is interpolated by a multi-pole digital filter. In extreme cases, each pole can be viewed as a separate process.

Bevorzugterweise ist eine Vielzahl von Klangerzeugungsmodulen vorgesehen, wobei die Kommunikation zwischen der Ausleseeinrichtung und den Klangerzeugungsmodulen mit Hilfe mindestens eines Transputers erfolgt. Auch hier sind die Vorteile eines Transputers wieder ersichtlich. Die Kommunikation zwischen der Dateneingangseinrichtung und den Modulen war bisher immer durch die Leistungsfähigkeit eines Prozessors begrenzt, der entweder viele Eingangssignale aufnehmen konnte oder viele Module gleichzeitig verwalten konnte. Durch die Verwendung von Transputern läßt sich nun der Datenfluß zwischen der Dateneingangseinrichtung und den Modulen der Verarbeitungseinrichtung wesentlich besser steuern, ohne daß man darauf beschränkt ist, bestimmte Signalpfade von der Dateneingangseinrichtung bestimmten Modulen in der Verarbeitungseinrichtung zuzuweisen. Vielmehr können alle Module mit allen Elementen der Dateneingangseinrichtung verbunden werden, um der Klangerzeugung zu dienen.A plurality of sound generation modules is preferably provided, the communication between the reading device and the sound generation modules being carried out with the aid of at least one transputer. The advantages of a transputer can be seen here too. The communication between the data input device and the modules has always been limited by the performance of a processor that could either accept many input signals or manage many modules at the same time. By using transputers, the data flow between the data input device and the modules of the processing device can now be controlled much better without being limited to assigning certain signal paths from the data input device to certain modules in the processing device. Rather, all modules can be connected to all elements of the data input device in order to serve the sound generation.

Bevorzugterweise bildet der Transputer in jedem Modul mindestens ein digitales Interpolationsfilter. Mit Hilfe des Interpolationsfilters lassen sich aus den Abtastwerten, die hier als Stützstellen dienen, die zeitlichen Amplitudenfolgen eines jeden Klanges nachbilden. Die Verwendung des Interpolationsfilters hat den Vorteil, daß am Ausgang des Interpolationsfilters alle Klänge mit einer für das gesamte Musikinstrument einheitlichen Abtastrate, der sogenannten System-Abtastrate, zur Verfügung stehen. Die Weiterverarbeitung der noch in digitaler Form zur Verfügung stehenden Daten kann dann ebenfalls in digitaler Form erfolgen, ohne daß eine Wandlung in analoge Form und wieder zurück, unter Umständen sogar mehrfach, erforderlich wäre. Durch die Interpolation wird also eine Abtastraten-Wandlung ("Sample Rate Conversion") durchgeführt. Das digitale Interpolationsfilter besteht aus einer Hintereinanderschaltung von mehreren Addierern und Multiplizierern. Die Verwendung des Transputers hat den Vorteil, daß jede Addition und jede Multiplikation als eigener Prozeß aufgefaßt und realisiert werden kann. Da der Transputer mehrere Prozesse parallel durchführen kann, lassen sich also auch die einzelnen für jeden Pol erforderlichen mathematischen Operationen parallel durchführen. Aufeinanderfolgende Werte können dann in Form einer Pipeline gleichzeitig berechnet werden.The transputer preferably forms at least one digital interpolation filter in each module. With the help of the interpolation filter, the temporal amplitude sequences of each sound can be simulated from the sampled values, which serve here as support points. The use of the interpolation filter has the advantage that all sounds at the output of the interpolation filter with a uniform sampling rate for the entire musical instrument, the so-called system sampling rate. The further processing of the data still available in digital form can then also be carried out in digital form without the need for conversion to analog form and back again, possibly even several times. The interpolation thus carries out a sample rate conversion. The digital interpolation filter consists of a series connection of several adders and multipliers. The use of the transputer has the advantage that each addition and each multiplication can be understood and implemented as a separate process. Since the transputer can carry out several processes in parallel, the individual mathematical operations required for each pole can also be carried out in parallel. Successive values can then be calculated simultaneously in the form of a pipeline.

Dabei ist bevorzugt, daß der Transputer in jedem Modul mehrere parallel angeordnete digitale Interpolationsfilter bildet, die mehrere Klangmuster parallel bearbeiten. Bereits mit einem Modul lassen sich also mehrere Klänge parallel erzeugen, ohne daß eine Zeitscheiben-Verwaltung notwendig ist, die jedem Interpolationsfilter nur einen Bruchteil der in einer Periode der System-Abtastrate zur Verfügung stehenden Zeit zuweist.It is preferred that the transputer forms several parallel interpolation filters in each module, which process several sound patterns in parallel. Already with one module, several sounds can be generated in parallel without the need for time slice management, which assigns each interpolation filter only a fraction of the time available in a period of the system sampling rate.

Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Beschickung einer Speichereinrichtung für ein elektronisches Musikinstrument anzugeben, bei dem mit geringem Aufwand die Klänge möglichst naturgetreu wiedergegeben werden.It is also an object of the present invention to provide a device for loading a storage device for an electronic musical instrument, in which the sounds are reproduced as faithfully as possible with little effort.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung mit einer Aufnahmeeinrichtung zum Erzeugen von Klangmusters in Gestalt von elektrischen oder magnetischen Signalen aus Schallwellen, einer Abtasteinrichtung, die die Klangmuster mit einer Abtastfrequenz zu vorbestimmten Zeitpunkten abtastet und Abtastwerte erzeugt, und mit einer Speichereinrichtung, die die Abtastwerte in die Speichereinrichtung einschreibt, versehen, wobei zwischen der Aufnahmeeinrichtung und der Abtasteinrichtung eine Preemphasis-Einrichtung angeordnet ist, die die Klangmuster in vorbestimmten Frequenzbereichen verstärkt.To achieve this object, the device is provided with a recording device for generating sound patterns in the form of electrical or magnetic signals from sound waves, a scanning device that scans the sound patterns at a sampling frequency at predetermined times and generates samples, and with a storage device that stores the samples in inscribes the memory device, provided, a pre-emphasis device being arranged between the recording device and the scanning device, which amplifies the sound patterns in predetermined frequency ranges.

Die Beschickungsvorrichtung sorgt also im voraus dafür, daß die durch das digitale Filter erfolgte Dämpfung wieder kompensiert wird.The loading device therefore ensures in advance that the damping carried out by the digital filter is compensated again.

Dabei ist bevorzugt, daß die Preemphasis-Einrichtung die Klangmuster in einem Frequenzbereich verstärkt, der unter 50 % der Abtastfrequenz liegt. Die Verstärkung erfolgt also in einem relativ breiten Frequenzband, so daß die abgespeicherten Abtastwerte, wenn sie nicht durch das elektronische Musikinstrument ausgelesen werden, wahrscheinlich gar nicht als zu den Klangmustern zugehörig erkannt werden könnten.It is preferred that the pre-emphasis device amplifies the sound patterns in a frequency range that is below 50% of the sampling frequency. The amplification therefore takes place in a relatively broad frequency band, so that the stored samples, if they are not read out by the electronic musical instrument, could probably not be recognized at all as belonging to the sound patterns.

Mit Vorteil weist die Preemphasis-Einrichtung eine frequenzabhängige Verstärkungskennlinie auf, die im wesentlichen umgekehrt proportional, im besten Fall sogar ganau umgekehrt proportional, zur frequenzabhängigen Durchlaßkennlinie des Interpolationsfilters ist. Je stärker die Dämpfung im Interpolationsfilter in Abhängigkeit von der Frequenz ist, desto stärker ist die Verstärkung bzw. die Anhebung der gleichen Frequenzen in der Preemphasis-Einrichtung. Nachdem das Signal, d.h. die ausgelesenen Abtastwerte, durch das Interpolationsfilter gelaufen sind, ist die vorher aufgebrachte Preemphasis durch die Dämpfung des Filters kompensiert worden.The pre-emphasis device advantageously has a frequency-dependent gain characteristic which is essentially inversely proportional, in the best case even exactly inversely proportional, to the frequency-dependent pass characteristic of the interpolation filter. The greater the attenuation in the interpolation filter as a function of the frequency, the greater the amplification or the increase in the same frequencies in the pre-emphasis device. After the signal, ie the sampled values, have passed through the interpolation filter, the previously applied pre-emphasis has been compensated for by the attenuation of the filter.

Es ist auch bevorzugt, daß die Preemphasis-Einrichtung Frequenzanteile oberhalb der Grenzfrequenz abschwächt. Die Preemphasis-Einrichtung schneidet also Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz ab bzw. dämpft sie erheblich.It is also preferred that the pre-emphasis device attenuates frequency components above the cut-off frequency. The pre-emphasis device cuts off frequencies above the cut-off frequency or attenuates them considerably.

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,
Fig. 4
ein Klangmerkmal im Zeitbereich,
Fig. 5
eine schematische Darstellung einer Beschickungseinrichtung,
Fig. 6
eine schematische Darstellung eines Filters,
Fig. 7
eine schematische Darstellung eines Filterelements,
Fig. 8
Frequenzabhängigkeiten von Filterdämpfung und Preemphasis-Verstärker und
Fig. 9
eine nähere Darstellung der Verwendung von Transputern.
The invention is described below with reference to a preferred embodiment in conjunction with the drawing. In it show:
Fig. 1
1 shows a schematic representation of the components of a musical instrument,
Fig. 2
1 shows a schematic illustration of a sound generation module,
Fig. 3
Sound characteristics and sound patterns in the frequency domain,
Fig. 4
a sound feature in the time domain,
Fig. 5
a schematic representation of a loading device,
Fig. 6
a schematic representation of a filter,
Fig. 7
a schematic representation of a filter element,
Fig. 8
Frequency dependencies of filter attenuation and pre-emphasis amplifier and
Fig. 9
a more detailed description of the use of transputers.

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 weiter gegeben 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. Die Informationen für den Klang sind im Steuerkurvenspeicher 11 und dem Abtastwertspeicher 12 abgelegt.An electronic musical instrument generally has a keyboard 1, operating elements 2 and interfaces 3. The keyboard, which comprises one or more manuals with a range of four to eight octaves and / or a pedal, is used by the practicing musician to generate tone sequences. When you press a key, you usually hear a tone. Depressing several keys simultaneously causes the polyphonic generation of several tones. The timbre can be set or changed using the controls 2. Signals from other devices, for example other electronic musical instruments, computers or storage media, can be coupled into the electronic musical instrument via the interfaces 3. Keyboard 1, control element 2 and interfaces 3 are connected to an interface processor 4, which in turn has a memory 5. The interface processor 4 manages the signals received from the keyboard 1, the operating elements 2 and the interfaces 3 and generates a suitable code which is passed on to a main processor 6. The main processor 6 has a memory 7 in which, among other things, the processing instructions for the signals received by the interface processor 4 are stored. After the main processor 6 has processed the signals received by the interface processor 4, it sends 18 addresses and / or commands via a control bus, with the aid of which tone generation modules can generate 8-10 tones. A variety of tone generating modules 8-10 can be provided. In principle, their number is only limited by the capacity of the main processor 6. Each tone generation module 8-10 is capable of generating one or more tones simultaneously. The tone is generated digitally, with each tone generation module 8-10 being connected to a control curve memory 11 and to a sample value memory 12, both of which are common to all tone generation modules 8-10 are able to access. The electronic musical instrument emulates other musical instruments, for example a piano, a string instrument or a wind instrument or also a drum set, by means of the tone generation modules 8-10. The information for the sound is stored in the control curve memory 11 and the sample value memory 12.

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.The sound generating modules 8-10 generate digital signals, which they put on an audio bus 17. Also connected to the audio bus 17 are effect processors 13-15 which, if desired, subject the digital output signals of the tone generation modules 8-10 to a digital effect treatment, for example the generation of a reverb, a distortion, a vibrato or other effects.

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.The structure of a sound generation module is shown schematically in FIG. 2. In principle, all sound generation modules 8-10 have the same structure. You can also use the same operating instructions, i.e. Programs in the individual processors can be controlled.

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.The sound generation module 8 has a control processor 19 with memory 20, which receives information from the main processor 6 via the control bus 18. The control processor 19 is connected on the one hand to a control curve processor 21 and on the other hand to a phase processor 22. Upon request from the control processor 19, the control curve processor 21 accesses the control curve memory common to all tone generation modules 8-10, determines the value of a control curve at the required point by interpolation and, if necessary, calculates a final value from a plurality of such values, which it returns to the control processor 19. The control curves are used to determine the frequency sequence, the volume sequence and the relative importance of individual components control the sounds to be generated for a variety of sound components. The individual values can be calculated one after the other, the separation of memory access and processing permitting the simultaneous execution of both functions for successive calls.

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.The control curve values can be stored in the control curve memory 11, for example, in the form of successive base values. If the ordinate distance of all base values is the same, only the abscissa values are saved. Otherwise, pairs of values from ordinates and abscissa can be saved.

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.The various tone generation modules 8-10 can access the control curve memory cyclically at specified time intervals in order to rule out access conflicts. In another embodiment, individual tone generation modules 8-10 may have different priorities, with the highest priority tone generation module having access to the cam memory 11 before anyone else, if need be.

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.The control processor 19 transfers its output data to a phase processor 22. The phase processor 22 has the task of tracking the phase for each of the sound components for a fixed time interval from the information received from the control processor 19. The phase processor calculates an address from the phase values and thus accesses the sample value memory 12. So-called sound features are stored in the form of sample values in the sample value memory 12. The samples can only include one period of a sound, so-called "waves", but they can also include sound features of an entire tone, ie the tone from the beginning to the end, so-called "samples". This can be useful, for example, if a tone changes irregularly from start to decay. This is the case, for example, with a drum cymbal sound. Another example is the blowing behavior of pipe organs, which have a much richer frequency spectrum at the moment of blowing than in the steady state.

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.The data read from the sample value memory 12 with the aid of the addresses generated by the phase processor 22 are forwarded directly to an interpolation filter 23. The calculation of the individual phase values can also take place here one after the other, with the separation of memory access by the phase processor 22 and processing by the interpolation filter 23 making it possible to carry out both functions simultaneously for successive values. The interpolation filter 23 calculates amplitude values from the sample values stored in the sample value memory 12 at a number of support points specified by the phase processor. The support points are determined by a system sampling rate. After passing through the interpolation filter, all tones are available with a uniform system sampling rate. At the times determined by the sampling rate, the instantaneous values of the sounds to be digitally reproduced are therefore always available in the entire musical instrument. They can then simply be added or subtracted without having to pay attention to different phase relationships.

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.An amplitude processor 24, which is also controlled by the control processor 19, is connected to the output of the interpolation filter 23. The amplitude processor 24 has the task of controlling the amplitude of the output signal of the interpolation filter 23. Since the output of the interpolation filter 23 is available in digital form, this means that the individual digital values are subjected to predetermined mathematical operations. The amplitude can be amplified, for example, by multiplication by a factor greater than 1. A weakening takes place by multiplying by a factor smaller than 1. It is also possible to form a "negative" amplitude by multiplying by a negative factor. A negative amplitude is, of course, only to be understood here as a calculation variable, since a difference between a positive and a negative amplitude cannot be made audible.

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 Akkumulator 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.An accumulator is connected to the output of the amplitude processor 24 and can also be controlled by the control processor 19. The accumulator has the task of summing up digital signals which are supplied to it at successive points in time and passing them on to the audio bus 17 at a point in time following the individual summation points in time. Sounds can thus be “put together” in the accumulator 25. An accumulator for each tone generation module is shown. However, it is also possible to provide only one accumulator for the entire musical instrument. The accumulator can also be replaced by an adder, which adds up the digital quantities emerging at its inputs at predetermined times.

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 überlagen 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°.The sounds are stored in the form of sound features in the sample value memory 12. A sound is composed of a plurality of individual sound features in the accumulator 25. At least one sound feature thereof has components of different frequencies. As a rule, however, most or even all of the sound features will consist of a frequency mix. The individual sound features are stored in successive samples. A special feature is that all sound features are stored with a predetermined phase relationship to one another. In the present exemplary embodiment, all sound features begin with a zero crossing of the amplitude. All frequency components also have a predetermined phase relationship to one another within the sound feature. It is also preferred here that all frequency components have a zero crossing at the start time. With this special regulation it is possible to easily overlay the individual sound characteristics and to create targeted overlay effects. FIG. 3a shows a first sound feature with three frequencies f1, f3 and f7, each of which has the significance 80, 30 and 10. For example, this is a frequency spectrum with the fundamental wave f1 and the third and seventh harmonics f3 and f7. Such a sound feature does not necessarily have to evoke a memory of the instrument to be reproduced with the aid of this sound feature. 3b shows a further sound feature which, however, does not contain a fundamental wave, but only the third and seventh harmonics f3 and f7. It is remarkable that the seventh harmonic is shown with a negative amplitude. This means nothing else than that the seventh harmonic f7 has a negative slope at the start time, ie its amplitude immediately less than zero immediately after the start time. It has a phase shift of 180 ° compared to a seventh harmonic, which has a positive slope at the start.

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.3c shows the superposition of the two sound features from FIGS. 3a and 3b. The positive frequency component f7 in FIG. 3a is canceled out by the negative sound component f7 in FIG. 3b. The superimposition thus leads to a frequency spectrum which only contains the fundamental wave and the third harmonic, the amplitude of the third harmonic being the sum of the corresponding frequency components from the sound feature from FIG. 3a and the sound feature from FIG. 3b.

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. 3d shows a further composite frequency spectrum, in which only the sound features from FIGS. 3a and 3b have also been used. In contrast to FIG. 3c, where the two sound features of FIGS. 3a and b have been added, the sound feature of FIG. 3b was subtracted from the sound feature of FIG. 3a for the frequency spectrum from FIG. 3d. The third harmonic f3 is therefore only available with the difference. The seventh harmonic f7, on the other hand, is available with the sum of its amplitudes, since the subtracting corresponds to a negative quantity by the addition of its amount. The subtraction can take place, for example, by multiplying the output value of the interpolation filter 23 in the amplitude processor 24 by a factor (−1).

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.3e shows a third frequency spectrum, which has also been generated from the two sound features according to FIGS. 3a and b. 3a was read unchanged into the accumulator 25, the sound feature according to FIG. 3b was multiplied in the amplitude processor 24 by a factor of 0.5. As a result, the frequency components of the third and seventh harmonics are only increased or decreased by an amount attenuated by a factor of 0.5.

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 einerseites 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.The use of individual sound features is not necessarily limited to the reproduction of a sound from a single instrument. Of course, it can be expected that all tones of an instrument to be reproduced have a certain commonality. However, the frequency spectrum will not be the same for all tones. In this case, for example, the sound feature common to all tones of an instrument can be extracted and, in other sound features, only the differences to the individual tones, which will be different over the range of the instrument, can be additionally stored. Surprisingly, however, it turned out that it is also possible to find out individual sound characteristics that are the same for a group of instruments. Furthermore, by cleverly selecting the sound characteristics, practically all sound characteristics can be used for several tones or even sounds. In the present case, only two sound features have been combined for the sake of simplicity. However, the special effect is better seen when a larger number of sound features, for example three or four, are combined with one another. However, using more than sixteen sound features to create a sound is not particularly advantageous in most cases, since on the one hand each sound feature requires additional storage space, on the other hand the differences that are to be created by adding a seventeenth sound feature are practically inaudible. If you were to make a single sound characteristic directly audible, it would probably be impossible to find any or only a few similarities with the instrument to be reproduced. The desired sound is only obtained by superimposing several sound characteristics.

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 Werte 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.The individual sound features are stored in the sample value memory 12 in the form of sample values. Sound characteristics with only a few overtones are also stored with only a relatively few samples. No information about the highest frequency occurring in the sound feature can be derived from the sound feature itself. The frequency with which the individual sound feature is reproduced results only from the sampling rate conversion in the interpolation filter 23. This should be made clear using an example shown in FIG. 4. Only the sample values marked with an x are stored in the sample value memory 12. The interpolation filter 23 calculates intermediate values at positions predetermined by the phase processor 22, which are identified by a vertical line. These intermediate values are read into the accumulator at the system sampling rate. Assuming, for example, a system sampling rate of 44.1 kHz, the accumulator 25 sums up all the values that are applied to the input at discrete times within 22.7 μs. At the end of these 22.7 µs, the totalized values are then read out. 4, the sound according to FIG. A is read out within 15 periods of the system sampling rate, in FIG. 4b, however, within 30 periods. The tone according to FIG. 4b thus sounds an octave lower than the tone according to FIG. 4a. In a scale representation, the vertical lines should be much denser. However, the overview would suffer from this. For example, for a representation of a tone with the frequency 440 Hz, approximately 100 periods of the system sampling rate would have to be represented in the figure.

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.A single sound feature can therefore be used for different pitches of a single sound. The frequencies stored in the sound feature only indicate the relationship of the frequencies, for example the relationship of a fundamental frequency to the harmonics. These relative frequencies are only converted into an absolute frequency spectrum by converting the sampling rate in the interpolation filter 23. The information that is stored in a sound feature is limited to the most necessary. The number of stored samples corresponds to twice the highest frequency occurring in the sound feature.

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.Sound patterns that change significantly over time can be stored as sound feature sets that are mixed differently, i.e. time-dependent, with the aid of the amplitude control. It is also possible to crossfade from one sound to another. The amplitude control curves are constructed so that their sum always remains constant. The individual amplitude control curves are therefore opposite.

Das Interpolationsfilter 23 führt eine "Sample Rate Conversion" durch, wie sie beispielsweise aus "Musical Applications of Microprocessors" von Chamberlin bekannt ist. Auch das Interpolationsfilter 23 kann über einen Bus mit dem Schnittstellenprozessor 4 verbunden sein. Dieser Prozessor 4 versorgt das Interpolationsfilter 23 mit Informationen über die zu erzeugende Tonhöhe, z.B. über die Frequenz, mit der die Abtastwerte aus der Speichereinrichtung 7 wiedergegeben werden sollen. Die Frequenzinformation wird dem Interpolationsfilter 23 in Form einer Phaseninformation übermittelt, d.h. das Interpolationsfilter 23 erhält über den Schnittstellenprozessor 4 die Information, welchen Phasenabstand die einzelnen Stützstellen voneinander haben sollen. Das Interpolationsfilter 23 führt eine Interpolation zwischen den einzelnen Abtastwerten gemäß seiner gespeicherten Filterkoeffizienten durch.The interpolation filter 23 carries out a "sample rate conversion", as is known, for example, from Chamberlin's "Musical Applications of Microprocessors". The interpolation filter 23 can also be connected to the interface processor 4 via a bus. This processor 4 supplies the interpolation filter 23 with information about the pitch to be generated, for example about the frequency with which the samples are to be reproduced from the memory device 7. The frequency information is transmitted to the interpolation filter 23 in the form of phase information, ie the interpolation filter 23 receives the information via the interface processor 4 which phase distance the individual support points should have from one another. The interpolation filter 23 carries out an interpolation between the individual samples according to its stored filter coefficients.

Das fertig bearbeitete digitale Signal wird einem Digital/Analog-Wandler 26 zugeführt, der das digitale Signal in ein analoges wandelt. Das analoge Signal wird einer Audioeinheit 16 zugeführt, die das analoge, aber elektrische Signal hörbar macht, also daraus Schallwellen erzeugt und diese an die Luft ankoppelt.The finished digital signal is fed to a digital / analog converter 26, which converts the digital signal into an analog one. The analog signal is fed to an audio unit 16 which makes the analog but electrical signal audible, that is to say generates sound waves therefrom and couples it to the air.

Fig. 6 zeigt den schematischen Aufbau des Interpolationsfilters 23, wobei acht im Prinzip gleich aufgebaute Pole 31 dargestellt sind. Jeder Pol erhält über einen Bus 32 die Phaseninformation, d.h. die Information über die Lage der Stützstelle innerhalb des Klangmusters bei der gewünschten Frequenz, an der aus den Abtastwerten der Augenblickswert berechnet werden soll. Über den Bus 33 werden die aus der Speichereinrichtung 7 mit Hilfe einer Ausleseeinrichtung ausgelesenen Abtastwerte dem digitalen Interpolationsfilter 23 zugeführt. Die Abtastwerte, die über den Bus 33 zugeführt werden, stehen jedem Filterpol, gegebenenfalls zeitlich versetzt, zur Verfügung. Der Ausgang eines Filterpols wird zum Eingang des jeweils nächsten Filterpols weitergegeben.FIG. 6 shows the schematic structure of the interpolation filter 23, eight poles 31, which are basically the same structure, being shown. Each pole receives the phase information via a bus 32, i.e. the information about the position of the support point within the sound pattern at the desired frequency at which the instantaneous value is to be calculated from the sample values. The sampled values read out from the memory device 7 with the aid of a readout device are fed to the digital interpolation filter 23 via the bus 33. The sample values which are supplied via the bus 33 are available to each filter pole, possibly with a time offset. The output of a filter pole is passed on to the input of the next filter pole.

Fig. 7 zeigt schematisch den Aufbau eines einzelnen Filterpols. In einem Speicher 38, der als RAM oder als ROM ausgebildet sein kann, sind Filterkoeffizienten abgelegt, die unter der Steuerung des über den Bus 32 zugeführten Phasenwerts ausgelesen werden können. Der Filterkoeffizientenspeicher 38 ist über Busleitungen 39, 40 mit einem Interpolator 41 verbunden, der ebenfalls die Phasenwert-Information erhält. Der Filterkoeffizientenspeicher 38 stellt über die Busleitungen 39, 40 jeweils zwei aufeinanderfolgende Filterkoeffizienten zur Verfügung, mit deren Hilfe der Interpolator 41 beispielsweise eine lineare Interpolation durchführen kann.Fig. 7 shows schematically the structure of a single filter pole. Filter coefficients are stored in a memory 38, which may be in the form of RAM or ROM, and can be read out under the control of the phase value supplied via bus 32. The filter coefficient memory 38 is connected via bus lines 39, 40 to an interpolator 41, which also receives the phase value information. The filter coefficient memory 38 provides two successive filter coefficients via the bus lines 39, 40, with the aid of which the interpolator 41 can, for example, carry out a linear interpolation.

Der Ausgang des Interpolators 41 ist mit einem Multiplizierer 36 verbunden, der den Ausgang des Interpolators 41 mit den Abtastwerten, die über den Bus 33 zugeführt werden, multipliziert. Der Ausgang des Multiplizierers 36 ist mit einem Addierer 37 verbunden, der den Ausgangswert des Multiplizierers 36 zum Ausgangswert des vorherigen Filterpols addiert. Zu diesem Zweck wird der Ausgang des vorherigen Filterpols über einen Bus 34 dem zweiten Eingang des Addierers 37 zugeführt. Der Ausgang des Addieres 37 wird über einen Bus 35 zum nächsten Filterpol weitergegeben. Beim letzten Filterpol (Filterpol 8) entspricht der Bus 35 dem Ausgang 42.The output of the interpolator 41 is connected to a multiplier 36 which multiplies the output of the interpolator 41 by the samples which are supplied via the bus 33. The output of the multiplier 36 is connected to an adder 37 which adds the output value of the multiplier 36 to the output value of the previous filter pole. For this purpose, the output of the previous filter pole is fed to the second input of the adder 37 via a bus 34. The output of the adder 37 is passed on to the next filter pole via a bus 35. At the last filter pole (filter pole 8), bus 35 corresponds to output 42.

Das Interpolationsfilter 23 ist ein Filter mit relativ niedriger Ordnung, d.h. es weist nur 32 oder weniger, im vorliegenden Fall sogar nur 8 Pole, auf. Filter mit einer derart niedrigen Ordnung schneiden bei ihrer Sperrfrequenz fA nicht scharf ab, sondern haben unterhalb davon schon eine teilweise erhebliche Dämpfung. Dieser Sachverhalt ist schematisch in Fig. 8 dargestellt. Hier ist im oberen Teil die Abhängigkeit der Amplitude A von der Frequenz f dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, daß es sich bei dem vorliegenden Filter 23 um ein Tiefpaßfilter handelt, das am Ende eines Durchlaßbereichs 43 bereits eine maximale Dämpfung D auf das Eingangssignal ausübt. Der Durchlaßbereich endet hier bei der Grenzfrequenz fG, d.h. der höchsten im Klangmuster vorkommenden Frequenz. In einem darin anschließenden Bereich 44, der im folgenden der Einfachheit halber "Übergangsbereich" bezeichnet werden soll, werden die Signalanteile mit den entsprechenden Frequenzen zwar noch durchgelassen, aber schon stärker als mit der Dämpfung D gedämpft. An den Übergangsbereich 44 schließt sich ein Sperrbereich 45 an. Frequenzen in diesem Bereich werden praktisch vollständig unterdrückt.The interpolation filter 23 is a filter with a relatively low order, ie it has only 32 or fewer, in the present case even only 8 poles. Filters with such a low order do not cut off sharply at their cut-off frequency f A , but already have a considerable attenuation below it. This state of affairs is shown schematically in FIG. 8. The dependence of the amplitude A on the frequency f is shown in the upper part. It can clearly be seen that the present filter 23 is a low-pass filter which already exerts a maximum attenuation D on the input signal at the end of a pass band 43. The pass band ends here at the cut-off frequency f G , ie the highest frequency occurring in the sound pattern. In a region 44 adjoining it, which for the sake of simplicity will be referred to in the following, the signal components with the corresponding frequencies are still allowed to pass through, but are attenuated more strongly than with the damping D. A blocking area 45 adjoins the transition area 44. Frequencies in this range are almost completely suppressed.

Mit der Tiefpaßfilter-Eigenschaft des Interpolationsfilters 23 soll erreicht werden, daß störende Frequenzanteile, die durch die Abtastung des ursprünglichen Klangmusters entstehen, unterdrückt werden. Dazu muß die Grenzfrequenz fG so gelegt werden, daß sie mindestens so weit unter der halben Abtastfrequenz fS/2 des ursprünglichen Klangmusters liegt, wie die Sperrfrequenz fA über fS/2. Hierbei ergibt sich nun durch die "billige" Ausführung des Filters das Problem, daß man in dem Fall, wo man den Sperrbereich 45 in der Nähe der Grenzfrequenz fG beginnen läßt, eine zu starke Dämpfung der Frequenzanteile erhält, die eigentlich noch vollständig in dem wiederzugebenden Klangmuster enthalten sein müßten. Verschiebt man hingegen den Durchlaßbereich 44 weiter in Richtung einer höheren Frequenz, d.h. läßt man die Grenzfrequenz fG innerhalb des Übergangsbereichs oder sogar an dessen linker Seite liegen, werden auch störende Frequenzen durchgelassen, die die Wiedergabe des Klangmusters hörbar und störend verändern.The purpose of the low-pass filter property of the interpolation filter 23 is to suppress disturbing frequency components which arise from the sampling of the original sound pattern. For this purpose, the cut-off frequency f G must be set such that it lies at least as far below half the sampling frequency f S / 2 of the original sound pattern as the cut-off frequency f A above f S / 2. The problem with the "cheap" design of the filter now arises that, in the case where the blocking region 45 is allowed to begin near the cut-off frequency f G , the frequency components are damped too much, which is actually still completely in the sound pattern to be reproduced should be included. If, on the other hand, the pass band 44 is shifted further in the direction of a higher frequency, ie if the cut-off frequency f G is left within the transition region or even on its left side, interfering frequencies are also let through, which audibly and disturbingly change the reproduction of the sound pattern.

Man kann jedoch die Dämpfung im Durchlaßbereich 43, also bei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz fG, dann zulassen, wenn man dafür sorgt, daß die entsprechenden Frequenzen der Klangmuster vor der Abspeicherung entsprechend angehoben oder verstärkt worden sind. Fig. 5 zeigt eine dafür geeignete Anordnung. Mit Hilfe eines Mikrophons 46 werden Klangmuster, beispielsweise von einem herkömmlichen musikalischen Instrument, aufgenommen und in elektrische Signale umgewandelt. Der Ausgang des Mikrophons 46 wird einer Preemphasis-Einrichtung 47 zugeführt, die ausgewählte Frequenzanteile des vom Mikrophon 46 erzeugten elektrischen Signals verstärkt.However, the attenuation in the pass band 43, that is to say at frequencies below the cut-off frequency f G , can be permitted if it is ensured that the corresponding frequencies of the sound patterns have been correspondingly raised or amplified before being stored. 5 shows a suitable arrangement for this. With the aid of a microphone 46, sound patterns, for example from a conventional musical instrument, are recorded and converted into electrical signals. The output of the microphone 46 is fed to a pre-emphasis device 47, which amplifies selected frequency components of the electrical signal generated by the microphone 46.

Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors V von der Frequenz f. Es ist zu sehen, daß die Verstärkung umso stärker wird, je stärker die Dämpfung im Durchlaßbereich 43 ist. Die derart veränderten Klangmuster werden einer Abtasteinrichtung 40 zugeführt, die die Klangmuster mit einer Abtastfrequenz abtasten, die dem Doppelten der höchsten in dem Klangmuster vorkommenden Frequenz entspricht. Die derart abgetasteten Abtastwerte werden in dem Speicher 7 abgelegt.8 shows the dependence of the gain factor V on the frequency f. It can be seen that the greater the attenuation in the pass band 43, the greater the gain. The sound patterns changed in this way are fed to a sampling device 40, which sample the sound patterns at a sampling frequency which corresponds to twice the highest frequency occurring in the sound pattern. The sampled values sampled in this way are stored in the memory 7.

Bei der "Sample Rate Conversion" nach dem Auslesen mit Hilfe des Interpolationsfilters 23 werden die höher frequenten Anteile der Klangmuster zwar gedämpft, diese Dämpfung wird jedoch durch die vorherige Anhebung kompensiert, so daß ein Signal am Ausgang des Interpolationsfilter zur Verfügung steht, das alle Frequenzen bis zur Grenzfrequenz fG ungedämpft, höhere Frequenzen aber nahezu vollständig gedämpft enthält.In the "Sample Rate Conversion" after reading out with the help of the interpolation filter 23, the higher-frequency components of the sound pattern are damped, but this damping is compensated for by the previous increase, so that a signal is available at the output of the interpolation filter that contains all frequencies up to the cut-off frequency f G undamped, but contains higher frequencies almost completely damped.

Durch den Aufbau des Interpolationsfilters erfolgt eine automatische Anpassung der Grenzfrequenz fG an die ursprüngliche Abtastrate, mit der das Klangmuster in der Abtasteinrichtung 48 abgetastet worden ist. Das Interpolationsfilter 23 interpoliert entsprechend der Filterkoeffizienten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten, wobei unerheblich ist, ob die Abtastwerte ursprünglich zeitlich dicht aufeinander gefolgt sind oder zeitlich weiter voneinander entfernt waren. Die zeitliche Beziehung wird erst durch die Phaseninformation über die Leitung 32 hergestellt, mit deren Hilfe das Interpolationsfilter 23 die nötige Anzahl von Stützstellen berechnet, die für die weitere Verarbeitung mit der System-Abtastrate notwendig sind. Die Tiefpaßfilter-Eigenschaft des Interpolationsfilters 23 ergibt sich aus der Art der Interpolation zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Abtastwerten, d.h. die "relative" Grenzfrequenz, also die auf die ursprüngliche Abtastrate bezogene Grenzfrequenz und wird durch die im Speicher 38 abgelegten Filterkoeffizienten bestimmt.The structure of the interpolation filter automatically adjusts the cut-off frequency f G to the original sampling rate at which the sound pattern in the sampling device 48 has been sampled. The interpolation filter 23 interpolates according to the filter coefficients between two successive samples, it being irrelevant whether the samples originally followed one another closely in time or were further apart in time. The temporal relationship is only established by the phase information via line 32, with the aid of which the interpolation filter 23 calculates the necessary number of support points that are necessary for further processing at the system sampling rate. The low-pass filter property of the interpolation filter 23 results from the type of interpolation between the two successive ones Sampled values, ie the “relative” cutoff frequency, that is to say the cutoff frequency based on the original sampling rate, and is determined by the filter coefficients stored in the memory 38.

Der Hauptprozessor 6 besteht aus mehreren Transputern 50, 51, 52. Die einzelnen Transputer dieses Hauptprozessors 6 bearbeiten die eintreffenden Eingangsdaten im wesentlichen parallel, wobei die Bearbeitung der einzelnen Eingangsdaten in einem der Transputer 50-52 unabhängig von der Bearbeitung in den anderen Transputern 50-52 erfolgt. Es ist also nur ein sehr geringes Maß an Kommunikation zwischen den einzelnen Transputern 50-52 notwendig. Nachdem der Hauptprozessor 6 die vom Schnittstellenprozessor 4 empfangenen Signale bearbeitet hat, sendet er über den Steuerbus 18 Adressen und/oder Befehle, mit deren Hilfe die Tonerzeugungsmodule 8-10, die ebenfalls mit dem Steuerbus 18 verbunden sind, Töne erzeugen können. Es können eine Vielzahl von Tonerzeugungsmodulen 8-10 vorgesehen sein. Ihre Kapazität wurde bisher durch die Leistungsfähigkeit des verwaltenden Prozessors begrenzt. Durch den Einsatz des Hauptprozessors 6, der eine beliebige Anzahl von Transputern 50-52 aufweisen kann, ergeben sich praktisch keine Beschränkungen mehr in der Anzahl der zu verwaltenden Tonerzeugungsmodule 8-10.The main processor 6 consists of several transputers 50, 51, 52. The individual transputers of this main processor 6 process the incoming input data essentially in parallel, the processing of the individual input data in one of the transputers 50-52 being independent of the processing in the other transputers 50- 52 takes place. So only a very small amount of communication between the individual transputers 50-52 is necessary. After the main processor 6 has processed the signals received by the interface processor 4, it sends addresses and / or commands via the control bus 18, with the aid of which the tone generation modules 8-10, which are also connected to the control bus 18, can generate tones. A variety of tone generating modules 8-10 can be provided. Up to now, their capacity has been limited by the performance of the managing processor. By using the main processor 6, which can have any number of transputers 50-52, there are practically no more restrictions in the number of tone generation modules 8-10 to be managed.

Claims (26)

Verfahren zur Klangerzeugung mit einem elektronischen Musikinstrument, bei dem in einem Vorbereitungsabschnitt Klangmuster in einer Speichereinrichtung (7) in Form von Abtastwerten digital gespeichert werden und in einem Klangerzeugungsabschnitt die Abtastwerte aus der Speichereinrichtung (7) ausgelesen werden, in einem Interpolationsfilter (23) digital interpoliert werden und digital-analog gewandelt werden, wobei bei der digitalen Interpolation eine Dämpfung unterhalb der Sperrfrequenz des Interpolationsfilters (23) zugelassen wird und im Vorbereitungsabschnitt die höherfrequenten Anteile der Klangmuster, die im Interpolationsfilter (23) gedämpft werden, vor der Speicherung verstärkt werden.Method for sound generation with an electronic musical instrument, in which sound patterns are stored digitally in the form of sample values in a preparation section in a preparation section and the sample values are read out from the memory device (7) in a sound generation section, digitally interpolated in an interpolation filter (23) and are converted from digital to analog, with digital interpolation allowing attenuation below the blocking frequency of the interpolation filter (23) and in the preparation section the higher-frequency components of the sound patterns that are attenuated in the interpolation filter (23) are amplified before being stored. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der höherfrequenten Anteile vor der Abspeicherung mit einer frequenzabhängigen Verstärkungskennlinie erfolgt, die der frequenzabhängigen Durchlaßkennlinie im Durchlaßbereich (43) im wesentlichen umgekehrt proportional ist.Method according to Claim 1, characterized in that the amplification of the higher-frequency components takes place with a frequency-dependent gain characteristic which is essentially inversely proportional to the frequency-dependent pass characteristic in the pass region (43). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzspektrum der Klangmuster auf Frequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz beschränkt wird, wobei die Grenzfrequenz kleiner als die Sperrfrequenz des Interpolationsfilters (23) ist.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the frequency spectrum of the sound patterns is limited to frequencies below a cut-off frequency, the cut-off frequency being lower than the cut-off frequency of the interpolation filter (23). Verfahren zur Klangerzeugung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klangmuster aus einzelnen Klangmerkmalen zusammengesetzt werden, die in Form von Abtastwerten digital abgespeichert sind, gesteuert ausgelesen werden, einer Abtastratenwandlung unterworfen werden, nach der alle Klangmerkmale mit einer einheitlichen Systemabtastrate zur Verfügung stehen, und dann zusammengesetzt werden, wobei zumindest einige Klangmerkmale Komponenten unterschiedlicher Frequenz aufweisen, alle Klangmerkmale zum Startzeitpunkt eines Klanges eine vorbestimmte Phasenbeziehung zueinander aufweisen und die Komponenten eines Klangmerkmals zu diesem Startzeitpunkt eine vorbestimmte Phasenbeziehung zu den anderen Komponenten des gleichen Klangmerkmals aufweisen.Method for sound generation, in particular according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sound patterns are composed of individual sound features which are digitally stored in the form of sample values, are read out in a controlled manner, are subjected to a sampling rate conversion, according to which all sound features are standardized System sampling rate are available, and then put together, wherein at least some sound features have components of different frequency, all sound features have a predetermined phase relationship to one another at the start time of a sound and the components of a sound feature have a predetermined phase relationship to the other components of the same sound feature at this start time. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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, wobei die Sperrfrequenz des Interpolationsfilters (4) abhängig von der Abtastfrequenz gewählt wird, mit der die Abtastwerte aus den Klangmustern erzeugt worden sind und insbesondere in der Größenordnung von 50 % bis 60 % der Abtastfrequenz gewählt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that each sound feature is stored with a number of samples which has a predetermined relationship with the highest frequency present in the sound feature, the blocking frequency of the interpolation filter (4) being selected as a function of the sampling frequency with which the samples have been generated from the sound patterns and in particular is selected in the order of 50% to 60% of the sampling frequency. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz (fG) in der Größenordnung von 30 % bis 50 % der Abtastfrequenz gewählt wird.A method according to claim 5, characterized in that the cut-off frequency (f G ) is selected in the order of 30% to 50% of the sampling frequency. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klangmerkmale vor dem Zusammensetzen einer Amplitudensteuerung, insbesondere mit Hilfe von digital gespeicherten Amplituden-Hüllkurven, die aus Hüllkurven-Merkmalen zusammengesetzt werden, unterworfen werden.Method according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the sound features are subjected to an amplitude control before the assembly, in particular with the aid of digitally stored amplitude envelope curves which are composed of envelope curve features. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Klangmerkmale zur Erzeugung einer Mehrzahl von Klängen verwendet werden.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that individual sound features are used to generate a plurality of sounds. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Zusammensetzen der Klangmerkmale sowohl eine Verstärkung als auch eine Abschwächung von Frequenzkomponenten im resultierenden Signal erzielbar ist.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that both the amplification and the attenuation of frequency components in the resulting signal can be achieved by combining the sound features. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslesen und die Abtastratenwandlung von mehreren Klangmerkmalen durch für jeweils mehrere Klangmerkmale gemeinsame Einrichtungen erfolgt, die die Klangmerkmale seriell oder im Multiplexverfahren bearbeiten, wobei insbesondere während des Auslesens eines Abtastwerts eines Klangmerkmals aus dem Speicher die Abtastratenbearbeitung eines Abtastwerts eines anderen Klangmerkmals durchgeführt wird, das im vorausgehenden Zugriff auf den Speicher ausgelesen worden ist.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the reading out and the sampling rate conversion of a plurality of sound characteristics is carried out by means common to a plurality of sound characteristics in each case, which process the sound characteristics in series or in a multiplex process, in particular during the reading out of a sample value of a sound characteristic from the Memory the sampling rate processing of a sample of another sound feature is performed, which has been read out in the previous access to the memory. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammensetzen der einzelnen Klangmerkmale mit Hilfe eines Akkumulators erfolgt, in den Augenblickswerte der mit der einheitlichen Systemabtastrate versehenen Klangmerkmale seriell addiert bzw. substrahiert werden, wobei der Inhalt zu einem vorbestimmten Zeitpunkt ausgelesen wird und insbesondere jeder Klang aus maximal sechzehn Klangmerkmalen zusammengesetzt wird.Method according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the individual sound features are put together with the aid of an accumulator, in which instantaneous values of the sound features provided with the uniform system sampling rate are added or subtracted serially, the content being read out at a predetermined point in time and in particular each sound is composed of a maximum of sixteen sound characteristics. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Klang parallel mehrere Sätze von Klangmerkmalen zusammengesetzt werden, die mit gegenläufigen Amplitudensteuerkurven überlagert werden.Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that for a sound several sets of sound features are put together in parallel, which are superimposed with opposite amplitude control curves. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Interpolationsfilter (23) verwendet wird, dessen Sperrfrequenz (fA) sich in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz (fS) selbsttätig verändert.Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that an interpolation filter (23) is used, the blocking frequency (f A ) of which changes automatically as a function of the sampling frequency (f S ). Elektronisches Musikinstrument zur Erzeugung von Klängen mit einer Speichereinrichtung (7), in der Klangmuster in Form von Abtastwerten digital gespeichert sind, einer Ausleseeinrichtung (6) die die Abtastwerte gesteuert aus der Speichereinrichtung (1) ausliest, einem digitalen Interpolationsfilter (23), das eine Abtastratenwandlung durchführt und an seinem Ausgang die Klangmerkmale mit einer für das gesamte Musikinstrument einheitlichen Systemabtastrate zur Verfügung stellt, und einem Digital/Analog-Wandler (26), der mit dem Ausgang des Interpolationsfilters in Verbindung steht, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Interpolationsfilter (23) eine ausgeprägte Dämpfung aufweist, und die Abtastwerte Klangmustern entsprechen, deren höherfrequente Anteile, die in dem Interpolationsfilter (23) gedämpft werden, verstärkt sind.Electronic musical instrument for generating sounds with a storage device (7), in which sound patterns are stored digitally in the form of samples, a readout device (6) which reads the samples in a controlled manner from the storage device (1), a digital interpolation filter (23), the one Performs sampling rate conversion and provides the sound features at its output with a system sampling rate that is uniform for the entire musical instrument, and a digital / analog converter (26) which is connected to the output of the interpolation filter, in particular for carrying out the method according to a of claims 1 to 13, wherein the interpolation filter (23) has a pronounced attenuation, and the samples correspond to sound patterns whose higher-frequency components which are attenuated in the interpolation filter (23) are amplified. Musikinstrument nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einem Akkumulator (25), der mit dem Ausgang des Interpolationsfilters (23) verbunden ist und eingelesene Werte aufsummiert und die Summe ausgibt, wobei das Aufsummieren und das Ausgeben innerhalb einer Periode der Systemabtastrate erfolgt, und eine Audio-Einrichtung (16), die das Ausgangssignal des Digital/Analog-Wandlers (26) hörbar macht.Musical instrument according to claim 14, characterized by an accumulator (25) which is connected to the output of the interpolation filter (23) and adds up read values and outputs the sum, the adding and output taking place within a period of the system sampling rate, and an audio Device (16) which makes the output signal of the digital / analog converter (26) audible. Musikinstrument nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Interpolationsfilter (23) zweiunddreißig oder weniger Pole (31), insbesondere acht Pole (31), aufweist.Musical instrument according to claim 14 or 15, characterized in that the interpolation filter (23) has thirty-two or fewer poles (31), in particular eight poles (31). Musikinstrument nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Interpolationsfilter (23) und dem Akkumulator (25) eine Amplituden-Steuereinrichtung (24) angeordnet ist.Musical instrument according to claim 15 or 16, characterized in that an amplitude control device (24) is arranged between the interpolation filter (23) and the accumulator (25). Musikinstrument nach einem der Ansprühe 15 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) parallel angeordnet sind.Musical instrument according to one of Claims 15 to 17, characterized in that readout device (22), interpolation filter (23), accumulator (25) and possibly amplitude control device (24) are combined in one sound generation module (8-10) and several sound generation modules (8-10 ) are arranged in parallel. Musikinstrument nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der einzelnen Klangerzeugungsmodule (8-10) eine vorbestimmte Phasenverschiebung zueinander aufweisen.Musical instrument according to claim 18, characterized in that the output signals of the individual sound generating modules (8-10) have a predetermined phase shift with respect to one another. Elektronisches Musikinstrument nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Klangerzeugungsmodule (4-14) mindestens einen Transputer (4-7) zur Verarbeitung der Klangmerkmale zu Klangsignalen aufweist.Electronic musical instrument according to claim 18 or 19, characterized in that the sound generating modules (4-14) has at least one transputer (4-7) for processing the sound features into sound signals. Musikinstrument nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Klangerzeugungsmodulen (8-10) vorgesehen sind, wobei die Kommunikation zwischen der Ausleseeinrichtung (1-3) und den Klangerzeugungsmodulen (8-10) mit Hilfe mindestens eines Transputers (5-7) erfolgt.Musical instrument according to claim 20, characterized in that a plurality of sound generating modules (8-10) are provided, the communication between the reading device (1-3) and the sound generating modules (8-10) using at least one transputer (5-7) he follows. Musikinstrument nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Transputer (19, 21-24) in jedem Modul mindestens das digitale Interpolationsfilter (23), insbesondere mehrere parallel angeordnete digitale Interpolationsfilter (23), die mehrere Klangmuster parallel bearbeiten, bildet.Musical instrument according to claim 20 or 21, characterized in that the transputer (19, 21-24) in each module forms at least the digital interpolation filter (23), in particular a plurality of digital interpolation filters (23) arranged in parallel, which process several sound patterns in parallel. Vorrichtung zur Beschickung einer Speichereinrichtung für ein elektronisches Musikinstrument nach einem der Ansprüche 14 bis 22, mit einer Aufnahmeeinrichtung (24) zum Erzeugen von Klangmustern in Gestalt von elektrischen oder magnetischen Signalen aus Schallwellen, einer Abtasteinrichtung (26), die die Klangmuster mit einer Abtastfrequenz zu vorbestimmten Zeitpunkten abtastet und Abtastwerte erzeugt, und mit einer Speicherbeschickungseinrichtung, die die Abtastwerte in die Speichereinrichtung (1) einschreibt, wobei zwischen der Aufnahmeinrichtung (24) und der Abtasteinrichtung (26) eine Preemphasis-Einrichtung (25) angeordnet ist, die die Klangmuster in vorbestimmten Frequenzbereichen verstärkt.Device for loading a storage device for an electronic musical instrument according to one of claims 14 to 22, with a receiving device (24) for generating sound patterns in the form of electrical or magnetic signals from sound waves, a sampling device (26) which converts the sound patterns with a sampling frequency samples predetermined times and generates samples, and with a memory loading device which stores the samples in the memory device (1) inscribes, a pre-emphasis device (25) being arranged between the recording device (24) and the scanning device (26), which amplifies the sound patterns in predetermined frequency ranges. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Preemphasis-Einrichtung (47) die Klangmuster in einem Frequenzbereich verstärkt, der unter 50 % der Abtastfrequenz liegt.Device according to claim 23, characterized in that the pre-emphasis device (47) amplifies the sound patterns in a frequency range which is below 50% of the sampling frequency. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Preemphasis-Einrichtung eine frequenzabhängige Verstärkungskennlinie aufweist, die im wesentlichen umgekehrt proportional zur frequenzabhängigen Durchlaßkennlinie des Interpolationsfilters (23) ist.Apparatus according to claim 23 or 24, characterized in that the pre-emphasis device has a frequency-dependent gain characteristic which is essentially inversely proportional to the frequency-dependent pass characteristic of the interpolation filter (23). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Preemphasis-Einrichtung (47) Frequenzanteile oberhalb der Grenzfrequenz (fG) abschwächt.Device according to one of claims 23 to 25, characterized in that the pre-emphasis device (47) attenuates frequency components above the cut-off frequency (f G ).
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