Brevet FR2643739A1 — publié le 19900831

La présente invention a trait à un instrument de musique numérique de type échantillonneur audio à mémoire de masse à technologie optique, offrant une capacité de stockage et une qualité de restitution du son inégalés par l'intermédiaire d'un système largement évolutif. Le domaine de la musique électronique est aujourd'hui marqué par un développement croissant des techniques numériques, qui ont rapidement supplanté les techniques issues de la lutherie électronique analogique, bien que celles-ci fussent à peine sorties de l'enfance. Les moyens informatiques mis au service de la musique ont ouvert des perspectives que l'on pouvait encore difficilement envisager avec les synthétiseurs analogiques de la première génération. En effet, ceux-ci opéraient à partir de divers dispositifs analogiques commandés le plus souvent en tension, tels que des oscillateurs et des filtres. Plus tard, le développement rapide des microordinateurs et des techniques digitales connexes ont permis l'avènement des synthétiseurs numériques bénéficiant des études réalisées parallèlement pour les systèmes informatiques travaillant également en numérique.En réalité, un synthétiseur numérique audio peut n'être qu'un périphérique particulier d'un ordinateur, dont les étages finaux de sortie sont analogiques aux fins de produire des sons. Dans l'histoire du mariage entre les techniques numériques et la musique, on s'est heurté à de multiples problèmes, concernant en particulier les tranferts de données et surtout les capacités de stockage importantes nécessitées par l'échantillonnage des sons requis par les techniques numériques. Le problème du transfert a été résolu par la création de la norme MIDI pour Musical Instrument Digital Interface, qui permet schématiquement d'utiliser un ordinateur pour émuler un magnétophone. Plus precisément, il s'agit d'une interface conçue pour les instruments de musique numériques, définissant un standard pouvant piloter plusieurs instruments en totale synchronisation. Dans la plupart des cas, les instruments de musique numériques sont basés sur un échantillonneur, c' est-à-dire un système capable d'enregistrer n importe quel événement sonore et de le restituer, apres un éventuel traitement, a n'importe quelle hauteur. Cette technique est actuellement la meilleure pour reproduire un son, puisque la source sonore au départ est réèlle et non pas construite de toute pièce par un principe de synthèse. L'échantillonnage est en fait la fragmentation en une suite d'échantillons - c'est-à-dire de données représentant l'amplitude d'un signal à un instant précis - d'un signal analogique.C'est le passage du continu au discret sur 1saxe des temps, le nombre d'intervalles dépendant du taux d'échantillonnages choisi, sachant que cette fréquence d'échantillonnage doit être au moins égale à deux fois la fréquence la plus élevée du signal échantillonné - d'après le théorème de Shannon - pour une restitution correcte du son. Actuellement il existe beaucoup d'instruments permettant de digitaliser des sons et offrant un certain nombre de possibilités de traitement des signaux ainsi numérisés. Toutefois, ces appareils ne peuvent digitaliser qu' un petit nombre de sons, du fait d'une capacité de stockage faible, alors que chaque son digitalisé occupe une grande place en mémoire, qui doit aussi contenir les algorithmes de traitement des signaux parfois gourmands en espace-mémoire : dans ce domaine, on peut se trouver très vite confronté à des problèmes insolubles de taille de mémoire, résolus par des astuces qui ne sont pas toujours satisfaisantes pour l'oreille. En réalité, les instruments actuellement disponibles sur le marché n'autorisent la digitalisation que d'une dizaine de sons au maximum, et la rapidité d'accès aux sons stockés est réduite. La présente invention s'affranchit de toutes ces limitations en proposant un instrument performant offrant des possibilités étendues quant à la capacité de stockage des sons digitalisés et à la rapidité d'accès à ces sons. A cet effet, l'instrument de musique numérique de l'invention fonctionne suivant le principe général des échantillonneurs audio basé sur une configuration informatique standard, et il est caractérisé en ce qu'il se développe autour d'une unité centrale de traitement classique exploitant un logiciel adapté, à laquelle sont connectés - une carte électronique spécifique à convertisseurs digital-analogique et analogique-digital et à interfaces d'entrée-sortie numériques ou analogiques, - un périphérique mémoire de masse à technologie optique, - un moyen de communication entre l'utilisateur et l'unité de traitement compatible avec une interface utilisant le protocole de communication de la norme MIDI, - et un moyen de filtrage du signal de sortie analogique audio de l'instrument. Les possibilités dudit instrument sont considérablement améliorées par rapport à ses devanciers grâce à l'utilisation de supports mémoires de masse à technologie optique. En se servant d'un lecteur de disque optique numérique, ou d'un lecteur de disque compact servant de mémoire dont les données sont accessibles seulement en lecture, du type CD-ROM, comme mémoire de masse, il est possible de disposer d'un instrument de musique contenant plus de 2000 sons ou timbres en mémoire, ce qui n'a jamais été réalisé à ce jour, loin s'en faut. Un des avantages supplémentaire de l'utilisation du CD-ROM réside dans le fait que les sons sont échantillonnés sur une fréquence de 44,1 kHz avec un format de 16 bits, identique au disque compact audio.Par conséquent, on pourra utiliser comme banque de sons, outre des disques compacts spécialement prévus et pressés à cet effet, des disques audio classiques sur lesquels il est possible d'effectuer des traitements variés dépendant du logiciel de travail. Deux configurations générales sont possibles pour l'instrument de l'invention : d'une part, un instrument de musique complet intégré en un seul boîtier comprenant l'unité contrale de traitement et tous les périphériques, d'autre part un dispositif éclaté en plusieurs modules et basé sur un ordinateur, - plus spécifiquement un microordinateur, standard auquel sont connectés les différents périphériques sous leur forme classique. Dans ce second cas, la carte numérique analogique peut être adaptée à la configuration existante de l'ordinateur. Un tel système présente l'avantage de nécessiter des coûts d'investissement sensiblement réduits pour un matériel d'une capacité de stockage et de restitution amplement supérieur à tous les matériels actuellement disponibles. Au surplus, malgré la taille de l'espace mémoire en jeu, la rapidité d'accès aux sons est sans commune mesure avec ce qui existe aujourd'hui sur le marché des échantillonneurs musicaux. Selon le cas, le logiciel de gestion de l'instrument de musique peut être implanté directement sur le disque optique numérique. Bien entendu, ce type de dispositif musical est largement évolutif de par sa structure même : la possibilité d'implanter les logiciels sur disque compact laisse l'utilisateur libre d'étoffer le système en utilisant des programmes supplémentaires bien que le logiciel de base comporte toutes les caractéristiques de traitement et de synthèse de signaux offertes par les programmes musicaux standards.Au surplus, la facilité d'emploi des disques compacts n'introduit pas de limitation dans la constitution des banques de sons : selon l'emploi envisagé par l'utilisateur, il est possible d'enrichir la banque de sons par d'autres disques pressés ou non pour l'occasion. --r L'appareil de l'invention étant en réalité un microordinateur auquel on a donné la possibilité de devenir -un instrument de musique puissant, il sera possible de le prévoir doté d'une large compatibilité avec les systèmes informatiques existants, et en particulier avec d'autres échantillonneurs musicaux, tels que ceux qui fonctionnent avec des racks de disques durs.Le système tel que conçu est également largement ouvert à d'autres éléments de la même famille de disques à technologie optique, tel que le disque compact programmable à accès autorisé en lecture (CD-PROM), les diques compacts inscriptibles, voire réinscriptibles (CD-I et CD-R > , sans oublier, pour certaines applications, les disques optiques combinant des signaux audio et vidéo. Des deux points de vue musical et technique, l'intérêt d'un instrument de musique combinant les éléments décrits pour l'invention est marqué par plusieurs points importants - la qualité du son due à la technologie choisie permettant un format de 16 bits avec une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kHz, - polytimbralité, conséquence de la richesse de la banque de son et de la configuration de la carte électronique à convertisseurs analogique-digital et digital-analogique. Si l'on dispose par exemple de huit sorties séparées, on peut par conséquent produire huit sons différenciés, de timbres éventuellement différents, et pas seulement huit notes d'un même accord. Cela équivaut à huit synthétiseurs actuels différents, chacun étant uniformément réglé pour produire un timbre précis.C'est la conception de la carte électronique et en particulier le nombre de convertisseurs, qui détermine finalement les possibilités polytimbrales de l'instrument. - Souplesse du système, qui peut être adapté à différents microordinateurs. - Compatibilité avec la norme de communication MIDI (Musical Instrument Digital Interface), permettant le pilotage de divers instruments équipés des dispositifs correspondants, tels que des claviers, percussions, guitares électriques, instruments à vents et à cordes etc... - Possibilité d'enregistrer à tout moment des sons, numérisés et sauvés sur disque dur, réutilisables et combinables avec d'autres sons issus de la mémoire optique. Le schéma de base de l'instrument de musique numérique selon l'invention est représenté sur la figure unique disposée en annexe. Lorsqu'il s'agit de la configuration utilisant un ordinateur standard, l'instrument n'est pas autre chose qu'un ordinateur musical. On se contentera-de décrire plus en détail cette version de l'instrument, sachant que l'autre configuration ne se différencie pas de la première au niveau structurel fondamental. Le microordinateur (2) relie le périphérique "MIDI" (3) au convertisseurs digital-analogique de la carte électronique spécifique (4). Pour simplifier la description, on supposera que le moyen de communication entre l'utilisateur et le microordinateur est un instrument de type clavier. Ce clavier maître "MIDI" (3) ou synthétiseur sert à transmettre les notes jouées par l'opérateur au microordinateur (2), par le protocole de communication de la norme "MIDI". Le lecteur de disques compacts (CD-ROM) lit les différents disques compacts contenant la banque des timbres sonores échantillonnés, servant ainsi de mémoire de masse. Le microordinateur (2) contiendra le logiciel de traitement, qui se charge d'envoyer l'échantillon - prélevé au préalable sur le CD-ROM et stocké en mémoire vive - vers les convertisseurs. La hauteur de l'échantillon et son timbre sont calculés par le programme en fonction des notes jouées sur le clavier-maître (3). Le logiciel est conçu de façon à permettre l'utilisation de l'instrument en séquenceur 32 pistes capable de se transformer en véritable mini-studio d'enregistrement. La partie traitement du signal permet la modifications de l'enveloppe et de la forme de l'onde, l'inversion des phases, le traitement des harmoniques etc... sur les échantillons prélevés sur le dique compact. L'ordinateur standard comportant bien évidemment ses périphériques classiques, le logiciel autorise la sauvegarde sur disques durs ou disquettes des sons, modifiés par l'éditeur ou non, provenant des différents disques compacts autres que celui qui est livré avec l'instrument. La conception de l'architecture d'ensemble du logiciel, écrit en langage C ou directement en langage machine, permet une souplesse maximale d'utilisation lors du choix du son effectué par l'opérateur : le microprocesseur de l'unité centrale est du type MC 68000, autorisant une grande rapidité de traitement des informations. A cause de l'importance de la place en mémoire nécessitée par le stockage de sons échantillonnés, la configuration minimale du système informatique comprend une mémoire vive de 1 mégat-octet. Une haute résolution graphique est en outre prévue pour améliorer l'utilisation visuelle du logiciel, dont la convivialité sera par ailleurs augmentée par l'utilisation combinée d'une souris et du clavier. Selon des exemples possibles de configuration, la carte électronique spécifique (4) comportera, soit 16 convertisseurs digital-analogique et un convertisseur analogique-digital pour l'enregistrement, soit un bi-convertisseur analogique-digital. Le fait d'utiliser des convertisseurs 16 bits permettra d'avoir un rapport signal-bruit d'environ 96 décibels. La fréquence d'échantillonnage étant de 44,1 kHz, au standard des disques compacts audio, la bande passante du son sera de 22,05 kHz couvrant ainsi toute la bande audio. En sortie audio (6), les convertisseurs seront équipés de filtres passe-bas (5) qui seront chargés d'éliminer du signal la fréquence parasite née du signal d'horloge (7) qui est gênante lors de la restitution du son. Cette carte (4) est connectée sur le bus d'extension (8) de l'ordinateur. L'ensemble dispose d'une sortie stéréo et de 4 ou 16 sorties séparées, selon deux exemples possibles. Dans un premier cas, l'instrument sera un échantillonneur sonore polyphonique à huit voix dont la polytimbralité atteindra 16 instruments, alors que le second cas représente un échantillonneur à 32 voix à polytimbralité équivalènte au premier. La carte électronique spécifique (4) pourra comporter une interface analogique d'entrée réservée à un microphone, afin de pouvoir effectuer des traitements sur des sons naturels enregistrables, comme par exemple la voix humaine ou des bruits d'un environnement particulier. Bien entendu, les exemples qui précèdent ne sont qu'illustratifs et ne doivent pas être considérés comme limitatifs. Au contraire, l'invention englobe toute variante de forme et de mode de réalisation. REVENDICATIONS 1. Instrument de musique numérique de type échantillonneur audio basé sur un système informatique, caractérisé en ce qu'il est articulé autour d'une unité centrale de traitement classique gérant un logiciel d'exploitation musicale, à laquelle sont connectés : - une carte électronique spécifique à convertisseurs digital-analogique et analogique-digital et à interfaces d'entrée-sortie numériques ou analogiques, - un périphérique mémoire de masse à technologie optiques - un moyen de communication entre l'utilisateur et l'unité de traitement compatible avec une interface utilisant le protocole de communication de la norme MIDI, - un moyen- de filtrage du signal de sortie analogique audio de l'instrument. 2. Instrument de musique numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le périphérique mémoire de masse est un lecteur de disque optique numérique. 3. Instrument de musique numérique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le périphérique. mémoire de masse est un lecteur de disques compacts dont les données sont accessibles seulement en lecture, classique ou du type CD-ROM. 4. Instrument de musique numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'unité centrale utilisée est intégrée dans un ordinateur standard auquel sont connectés les autres périphériques. 5. Instrument de musique numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'unité centrale de traitement et ses périphériques sont intégrés dans un même boîtier constituant l'instrument.