RU2703895C1 - Digital signal production method for electric musical instruments - Google Patents
Digital signal production method for electric musical instruments Download PDFInfo
- Publication number
- RU2703895C1 RU2703895C1 RU2019115320A RU2019115320A RU2703895C1 RU 2703895 C1 RU2703895 C1 RU 2703895C1 RU 2019115320 A RU2019115320 A RU 2019115320A RU 2019115320 A RU2019115320 A RU 2019115320A RU 2703895 C1 RU2703895 C1 RU 2703895C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- digital
- counter
- signal
- musical instruments
- electric musical
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10H—ELECTROPHONIC MUSICAL INSTRUMENTS; INSTRUMENTS IN WHICH THE TONES ARE GENERATED BY ELECTROMECHANICAL MEANS OR ELECTRONIC GENERATORS, OR IN WHICH THE TONES ARE SYNTHESISED FROM A DATA STORE
- G10H7/00—Instruments in which the tones are synthesised from a data store, e.g. computer organs
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Electrophonic Musical Instruments (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к электромузыкальным инструментам и позволяет получать звуковой сигнал в виде цифровых отсчетов, используя принцип гетеродинирования (получения разностной частоты). Это дает возможность сочетать преимущества цифровых методов обработки сигналов с мгновенным откликом инструмента на действия музыканта.The invention relates to electric musical instruments and allows you to receive an audio signal in the form of digital samples using the principle of heterodyning (obtaining the differential frequency). This makes it possible to combine the advantages of digital signal processing methods with the instant response of the instrument to the musician's actions.
Уровень техникиState of the art
Известен способ получения аналогового звукового сигнала с помощью гетеродинирования - образования разностной частоты при взаимодействии сигналов от двух генераторов (Волошин В.И., Федорчук Л.И. Электромузыкальные инструменты. М., «Энергия», 1971, с. 23). В качестве элемента, производящего разностную частоту, используют специальный смеситель (детектор биений). Для реализации цифровых методов обработки сигналов, обеспечивающих широкие возможности в области звукоформирования, требуется дополнительный аналого-цифровой преобразователь и качественный фильтр на его входе, подавляющий остатки высокочастотных составляющих.A known method of producing an analog sound signal using heterodyning - the formation of a differential frequency during the interaction of signals from two generators (Voloshin VI, Fedorchuk LI Electromusical instruments. M., "Energy", 1971, S. 23). As an element producing a difference frequency, a special mixer (beating detector) is used. To implement digital signal processing methods that provide ample opportunities in the field of sound formation, an additional analog-to-digital converter and a high-quality filter at its input are required, which suppresses the remnants of high-frequency components.
Известны способы получения цифрового сигнала с помощью гетеродинирования, осуществляемого D-триггером или логическими элементами «И»/«ИЛИ»/«ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» (терменвокс «Skywave H1» - URL: http://www.thereminworld.com/files/Pages/28/files/SkywaveHi.pdf, дата обращения: 20.03.2019; И. Нечаев. Терменвокс. «Радио», 1986, №10, c. 49). Получающийся сигнал представляет собой цифровую последовательность нулей и единиц, которая требуют сглаживания (фильтрации), а в ее спектре присутствуют неблагозвучные комбинационные частоты.Known methods for obtaining a digital signal using heterodyning performed by a D-trigger or logical elements “AND” / “OR” / “EXCLUSIVE OR” (Theremin “Skywave H1” - URL: http://www.thereminworld.com/files/Pages /28/files/SkywaveHi.pdf, access date: 03/20/2019; I. Nechaev. Theremin. Radio., 1986, No. 10, p. 49). The resulting signal is a digital sequence of zeros and ones that require smoothing (filtering), and its spectrum contains dissonant combination frequencies.
Известны электромузыкальные инструменты, по способу взаимодействия имитирующие инструменты типа «Терменвокс», и у которых звуковой сигнал получается с помощью цифровых генераторов (проект «OpenTheremin» - URL: http://www.gaudi.ch/OpenTheremin/, дата обращения: 20.03.2019); терменвокс «Theremini» фирмы Moog Music Inc., США). Эти генераторы управляются данными, получаемыми в результате измерения частоты перестраиваемого генератора, а из-за задержек, свойственных алгоритмам измерения, такие инструменты имеют низкую скорость реакции на действия музыканта.Electromusical instruments are known that mimic instruments such as “Theremin” by the method of interaction, and for which an audio signal is obtained using digital generators (OpenTheremin project - URL: http://www.gaudi.ch/OpenTheremin/, access date: 20.03. 2019); Theremini "Theremini" company Moog Music Inc., USA). These generators are controlled by data obtained by measuring the frequency of the tunable generator, and due to the delays inherent in the measurement algorithms, such instruments have a low reaction rate to the actions of the musician.
Наиболее близким аналогом к изобретению является способ получение цифрового сигнала на основе генератора фазы и таблицы синуса, который в технике построения музыкальных синтезаторов получил название «табличный синтез» («Wavetable Synthesis»), а в приемопередающей и измерительной технике - «DDS» («Direct Digital Synthesis»). При таком способе значение специального регистра («аккумулятора фазы») достаточно большой разрядности N увеличивается с частотой Fs на некоторую величину Δ, причем старшие разряды регистра используются для адресации к таблице, описывающей один период генерируемого колебания (в простейшем случае - синусоидального). Увеличение происходит с игнорированием переполнения, поэтому рост циклически повторяется с некоторых минимальных значений. Частота циклов определяется разрядностью регистра и величиной приращения Δ:The closest analogue to the invention is a method of obtaining a digital signal based on a phase generator and a sine table, which in the technique of constructing musical synthesizers is called "table synthesis"("WavetableSynthesis"), and in the transceiver and measuring technique - "DDS"("Direct Digital Synthesis "). With this method, the value of a special register (“phase accumulator”) of sufficiently large bit N increases with a frequency F s by a certain value Δ, and the higher bits of the register are used to address a table that describes one period of the generated oscillation (in the simplest case, a sinusoidal one). The increase is ignored overflow, so the growth is cyclically repeated from some minimum values. The frequency of the cycles is determined by the width of the register and the increment Δ:
F= Fs∙Δ/2N F = F s ∙ Δ / 2 N
Обычно Fs представляет собой частоту дискретизации звукового сигнала, а чтобы у последнего отсутствовали паразитные спектральные компоненты, необходимо (в соответствии с критерием Котельникова-Найквиста), чтобы величина Δ была меньше значения 2N, как минимум, в два раза. Если таблица описывает сигнал с формой, отличной от синусоидальной, то требования к максимальному значению Δ ужесточаются. Вместо таблицы могут использоваться другие способы перекодирования, например - алгоритмические.Usually, F s represents the sampling frequency of the audio signal, and so that the latter does not have spurious spectral components, it is necessary (in accordance with the Kotelnikov-Nyquist criterion) that the value of Δ be less than 2 N by at least two times. If the table describes a signal with a shape other than sinusoidal, then the requirements for the maximum value of Δ are tightened. Instead of the table, other recoding methods can be used, for example, algorithmic ones.
Для имитации слитности звучания музыкальных инструментов глиссандирующего типа (тромбона, гавайской гитары, «Терменвокса» и проч.) величина Δ должна обновляться достаточно плавно и часто. Это не всегда достижимо на практике, так как сенсоры или алгоритмы, используемые для измерения положения рук музыканта, имеют ограниченную скорость выдачи результатов.To simulate the unified sound of musical instruments of the gliding type (trombone, ukulele, "Thereminvox", etc.), the Δ value should be updated quite smoothly and often. This is not always achievable in practice, since the sensors or algorithms used to measure the position of the musician’s hands have a limited speed of outputting results.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение звукового сигнала в виде цифровых отсчетов (сэмплов) гетеродинным способом - с помощью образования разностной частоты при взаимодействии частот двух источников сигналов.The technical result of the invention is to obtain an audio signal in the form of digital samples (samples) in a heterodyne way - by means of the formation of a difference frequency in the interaction of the frequencies of two signal sources.
Указанный технический результат достигают использованием цифрового генератора фазы и перекодирования фазы в отсчеты звукового сигнала, причем в качестве генератора фазы используют счетчик тактовых импульсов и соединенный с ним узел выборки-хранения, счетчик тактируют от одного источника сигнала, а узел выборки-хранения - от другого. Запоминаемые с помощью узла выборки-хранения состояния счетчика представляют собой циклически изменяющуюся фазу сигнала разностной частоты, которую алгоритмически или с помощью таблиц перекодируют в цифровые отсчеты звукового сигнала.The indicated technical result is achieved using a digital phase generator and phase conversion to the sound signal samples, the clock pulse counter and the sampling-storage unit connected to it being used as the phase generator, the counter is clocked from one signal source, and the sampling-storage unit from another. The counter states stored by the sampling and storing unit represent a cyclically changing phase of the difference frequency signal, which is algorithmically or using tables to be transcoded into digital samples of the audio signal.
Процесс образования разностной частоты наглядно показан на фигуре 1. График 1 представляет собой ступенчато увеличивающееся значение счетчика. Как только счетчик достигает своего максимального значения, счет повторяется сначала. У обычного двоичного счетчика переполнение вызывает повтор счета с нулевого значения. Тогда период работы счетчика T будет определяться периодом тактового сигнала Tclk и разрядностью счетчика N:The process of generating the differential frequency is clearly shown in figure 1.
T = 2N∙Tclk.T = 2 N ∙ T clk .
Соответственно, частота переполнений счетчика будет равна:Accordingly, the frequency of counter overflows will be equal to:
f = 1/T = 1/(2N∙Tclk).f = 1 / T = 1 / (2 N ∙ T clk ).
С частотой fs = 1/Ts производится запоминание («фотографирование») состояния счетчика, причем результаты этого процесса, отмеченные точками 2, образуют огибающую 3, которая имеет пилообразный вид. Частота повторения «зубьев» огибающей соответствует разностной частоте:With a frequency f s = 1 / T s , the state of the counter is memorized (“photographed”), and the results of this process, marked with points 2, form an
F = f-fs.F = ff s .
При условии, когда f меньше fs (или когда счетчик работает на уменьшение), огибающая примет зеркальный вид.Provided that f is less than f s (or when the counter works to decrease), the envelope will take a mirror form.
Для получения сигнала синусоидальной (или другой) формы, значения отсчетов 2, соответствующие пилообразному сигналу 3, перекодируют с помощью таблиц или соответствующих алгоритмов.To obtain a sinusoidal (or other) waveform, the values of samples 2 corresponding to the
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фигуре 1 показан процесс образования разностной частоты между частотой переполнений счетчика f=1/T и частотой «фотографирования» его состояния fs=1/Ts.The figure 1 shows the process of the formation of the differential frequency between the frequency of the counter overflows f = 1 / T and the frequency of "photographing" its state f s = 1 / T s .
На фигуре 2 показан вариант осуществления изобретения с использованием счетчика и регистра-защелки, которые тактируются фронтами импульсов, приходящих с двух разных генераторов.Figure 2 shows an embodiment of the invention using a counter and a register-latch, which are clocked by the edges of the pulses coming from two different generators.
На фигуре 3 показан вариант осуществления изобретения с использованием микроконтроллера, имеющего в своем составе необходимые узлы (обведены штриховой линией), причем для формирования конечного звукового сигнала используется управляемый усилитель и два цифро-аналоговых преобразователя: один - для получения сигнала требуемой формы, другой - его амплитудной огибающей.Figure 3 shows an embodiment of the invention using a microcontroller incorporating the necessary nodes (circled by a dashed line), and a controlled amplifier and two digital-to-analog converters are used to form the final sound signal: one to receive the signal of the required shape, the other to amplitude envelope.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Предлагаемый способ может быть реализован так, как показано на фигуре 2. Двоичный счетчик 6 тактируется импульсами, приходящими с генератора тактовой частоты 4. Регистр-защелка 7 соединена с выходом счетчика 6 и по фронту импульсов, приходящих с перестраиваемого генератора 5, производит выборку и хранение текущего состояния счетчика. Выход регистра-защелки представляют собой цифровые значения фазы сигнала, которые с помощью таблицы синуса 8 перекодируются в звуковой сигнал. Этот сигнал передается на дальнейшую цифровую обработку, либо сразу на цифро-аналоговый преобразователь для последующего звукоусиления (не показан). Вместо таблицы синуса может использоваться таблица сигнала другой формы, перекодирование может быть не табличным, а алгоритмическим, причем возможна как аппаратная, так и программная реализация.The proposed method can be implemented as shown in figure 2. The
Регистр-защелка может также быть частью счетчиков-таймеров, входящих в состав более сложных интегральных схем - микроконтроллеров, цифровых сигнальных процессоров, микросхем с программируемой логикой и т.д. Их использование позволяет сократить количество компонентов в конечном изделии. Например, на фигуре 3 показан вариант реализации изобретения для использования его в электромузыкальном инструменте типа «Терменвокс». Он включает в себя микроконтроллер (показан штриховой линией), содержащий:The latch register can also be part of the timer counters that are part of more complex integrated circuits - microcontrollers, digital signal processors, programmable logic chips, etc. Their use reduces the number of components in the final product. For example, figure 3 shows an embodiment of the invention for use in an Theremin type electric musical instrument. It includes a microcontroller (shown by a dashed line) containing:
- счетчик-таймер с защелкой 10 («Capture Counter» или «Capture Timer» в английской терминологии),- counter-timer with latch 10 (“Capture Counter” or “Capture Timer” in English terminology),
- устройство цифровой обработки 11,- a
- генератор тактовой частоты 4,-
- два цифро-аналоговых преобразователя 12 и 13,- two digital-to-
- делитель частоты 9.-
В этом варианте реализации с помощью счетчика-таймера 10, имеющего встроенный узел выборки-хранения, получают цифровые отсчеты фазы, которые поступают в устройство цифровой обработки 11 (реализуется программно), а результаты обработки через цифро-аналоговые преобразователи 12 и 13 подаются на внешний управляемый усилитель 14.In this embodiment, using the
Необходимость использования двух цифро-аналоговых преобразователей может быть вызвана недостаточной разрядностью преобразователей, имеющихся у микроконтроллеров общего применения (обычно от 10 до 12 двоичных разрядов). Два таких преобразователя, один из которых используется для получения требуемой формы звукового сигнала, а другой - его амплитудной огибающей, позволяют получить звук приемлемого качества при широком диапазоне изменения громкостей.The need to use two digital-to-analog converters can be caused by insufficient capacity of converters available for microcontrollers of general use (usually from 10 to 12 binary digits). Two such transducers, one of which is used to obtain the desired shape of the sound signal, and the other by its amplitude envelope, allows to obtain sound of acceptable quality with a wide range of volume changes.
Также, для реализации бесконтактного управления перестраиваемый генератор 5 управляется емкостью руки музыканта, а делитель частоты 9 обеспечивает понижение частоты, необходимое для улучшения линейности музыкальной шкалы при использовании высоких рабочих частот (способ, описанный в патенте RU 2670397).Also, to implement contactless control, the
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019115320A RU2703895C1 (en) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | Digital signal production method for electric musical instruments |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019115320A RU2703895C1 (en) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | Digital signal production method for electric musical instruments |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2703895C1 true RU2703895C1 (en) | 2019-10-22 |
Family
ID=68318422
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019115320A RU2703895C1 (en) | 2019-05-20 | 2019-05-20 | Digital signal production method for electric musical instruments |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2703895C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU100483A1 (en) * | 1953-08-10 | 1954-11-30 | И.Д. Симонов | Unified Sound Device |
US3617901A (en) * | 1967-08-15 | 1971-11-02 | Philips Corp | Method of producing tones of an equally tempered scale |
US3840689A (en) * | 1971-03-31 | 1974-10-08 | Nippon Musical Instruments Mfg | Tone generator for electronic musical instrument |
RU2683121C1 (en) * | 2018-06-13 | 2019-03-26 | Илья Витальевич Мамонтов | Method of obtaining the signal volume control in theremin |
-
2019
- 2019-05-20 RU RU2019115320A patent/RU2703895C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU100483A1 (en) * | 1953-08-10 | 1954-11-30 | И.Д. Симонов | Unified Sound Device |
US3617901A (en) * | 1967-08-15 | 1971-11-02 | Philips Corp | Method of producing tones of an equally tempered scale |
US3840689A (en) * | 1971-03-31 | 1974-10-08 | Nippon Musical Instruments Mfg | Tone generator for electronic musical instrument |
RU2683121C1 (en) * | 2018-06-13 | 2019-03-26 | Илья Витальевич Мамонтов | Method of obtaining the signal volume control in theremin |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2010141933A (en) | High performance signal generation | |
US6396313B1 (en) | Noise-shaped digital frequency synthesis | |
JPS5930308A (en) | Phase/amplitude converter | |
JP2005198296A (en) | Multi-stage numeric counter oscillator | |
US9824673B2 (en) | Apparatus for tracking the fundamental frequency of a signal with harmonic components stronger than the fundamental | |
JPS5917838B2 (en) | Waveform generator for electronic musical instruments | |
JPH0439690B2 (en) | ||
US8699985B1 (en) | Frequency generator including direct digital synthesizer and signal processor including the same | |
CN102723931A (en) | Wide-dynamic high-accuracy and edge time adjustable impulse wave producing method | |
CN111642139A (en) | Frequency regulator, frequency regulating method thereof and electronic equipment | |
KR900012197A (en) | Digital signal generator | |
JP2580774B2 (en) | Music synthesizer | |
JP6694836B2 (en) | Trigger circuit, trigger generation method, sampling oscilloscope, and sampling method | |
RU2703895C1 (en) | Digital signal production method for electric musical instruments | |
JPS6140118B2 (en) | ||
CN103095297B (en) | Method for generating accurate frequency by direct digital frequency synthesizer | |
JP2024023650A (en) | A/D conversion circuit | |
CN113376585B (en) | High-resolution pulse signal synthesizer | |
Liu et al. | Design and implementation of a ultra-high timing resolution pulse generator based on real-time computation | |
RU2694078C1 (en) | Method of heterodyning in electric musical instruments | |
US10303423B1 (en) | Synchronous sampling of analog signals | |
US4646611A (en) | Electronic musical instrument | |
JPH07502151A (en) | Arbitrary waveform generator structure | |
JP6733237B2 (en) | Frequency delta-sigma modulation signal output device | |
Sia et al. | Digital-signal-processor-based waveform generator |