REVERBERATION GENERATION METHOD AND DEVICE FOR ANALOQOUS TONE SIGNALS

Abstract: 1. Device for generating reverberation for analog audio signals, comprising an A/D converter for converting the analog audio signals into digital audio signals, a processing unit for processing the digital audio data, a D/A converter for reconverting the processed digital audio data and a microprocessor controlling the device, the processing unit exhibiting an audio data store and a 16-bit computer for additions and multiplications, which are connected to lines for the digital audio data, characterized in that the converters (AD, DA) are designed for processing 12- or 14-bit audio data and in that the controlling microprocessor (MP) is connected to the lines (4) for the digital audio data, designed for internal 16-bit processing and used as computer for all-pass calculations, which executes multiplications which are limited to particular values which result from very few steps such as 0.5, 0.625, 0.75, 0,875 by shifting and, if necessary, adding digital values.

Description: Vorrichtung zur Erzeugung von Hall für analoge Tonsignale und Verfahren zu deren Betrieb Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hall für analoge Tonsignale, mit einem A/D-Wandler zur Umwandlung der analogen Tonsignale in digitale Tondaten, einer Verarbeitungseinheit zur Behandlung der digitalen Tondaten, einem D/A-Wandler zur Rückwandlung der behandelten digitalen Tondaten und einem Mikroprozessor, wobei die Verarbeitungseinheit einen Tondaten-Speicher und einen Rechner für Additionen und Multiplikationen aufweist, die mit Leitungen fUr die digitalen Tondaten verbunden sind, und ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (digitales Hallgerat "Lexicon 224") wird der gewünschte Hall dadurch erzeugt, dass mehrere Allpass-Filter-Berechnungen nacheinander erfolgen, wobei die Tondaten, die zu unterschiedlichen Zeiten gespeichert worden sind, addiert werden, nachdem sie teilweise zuvor mit einem Verstärkungsfaktor kleiner 1 multipliziert worden sind. Sämtliche Rechenarbeitsgange müssen innerhalb eines Arbeitstaktes der Wandler durchgeführt sein. Da zur einwandfreien Nachbildung der Analogsignale durch Digitaldaten die Taktzeiten klein gehalten werden mUssen, andererseits aber die Rechenvorgänge wegen der zahlreichen Multiplikationen eine grosse Zahl von Einzelschritten erfordern, weist die Verarbeitungseinheit einen als Arithmetik-Prozessor ausgebildeten Rechner mit sehr hoher Taktfrequenz und einen dieser Frequenz angepassten Tondaten-Speicher auf. Beides sind sehr aufwendige Baugruppen, so dass die Hallvorrichtung insgesamt sehr teuer ist. Ausserhalb des Leitungssystems der digitalen Tondaten gibt es einen Mikroprozessor, der mit einem Fernbedienungsteil, der Zeitsteuerung der Verarbeitungseinheit, einem Progratrinispeicher teil und ggf. weiteren Steuereinrichtungen verbunden ist. Er dient zur Auswahl und Beeinflussung des Hallprogramms unter Berücksichtigung der Einstellungen des Fernbedienungsteils. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die zur Erzeugung des gewünschten Halls einen wesentlich einfacheren Aufbau hat und daher auch preiswerter hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Mikroprozessor mit Leitungen für die digitalen Tondaten verbunden und als Rechner verwendet ist, der die Multiplikationen durch Verschieben und gegebenenfalls Addieren von Digitalwerten ausführt. Mikroprozessoren haben eine vergleichsweise geringe Taktfrequenz. Wenn mit ihrer Hilfe zwei Digitalwerte multipliziert werden sollen, könnten innerhalb eines Arbeitstakts der Wandler höchstens ein oder zwei Multiplikationen durchgeführt werden, was fUr die Hallerzeugung unzureichend ist. Wenn aber die Multiplikation auf bestimmte Werte beschränkt wird, nämlich diejenigen, die sich durch Verschieben und ggf. Addieren, also Summieren oder Subtrahieren, ergeben, erfordern diese Multiplikationen nur ganz wenige Schritte. Die Taktfrequenz eines üblichen Mikroprozessors reicht daher aus, die erforderliche Zahl von Multiplikationen und sonstigen Rechenarbeitsgängen innerhalb eines Arbeitstaktes der Wandler durchzuführen. Da der Mikroprozessor nicht nur Steuerungsaufgaben versieht, sondern auch als Rechner arbeitet, kann der bisher verwendete Spezialrechner (Arithmetik-Prozessor)hoher Taktfrequenz entfallen. Darüber hinaus kann mit einem normalen, lediglich der Taktfrequenz eines Mikroprozessors angepassten Tondaten- Speicher gearbeitet werden. Infolgedessen kommt man mit einfachen Bauelementen aus, die in grosser Stückzahl am Markt zur Verfugung stehen. Dementsprechend kann die Vorrichtung mit geringerem Kostenaufwand hergestellt werden. Günstig ist es, wenn der Mikroprozessor für eine interne 16 bit-Verarbeitung ausgelegt ist. Da es zur ausreichenden Auflösung der Analogsignale erforderlich ist, mindestens 8 bit-Tondaten zu verwenden, kann das Verschieben und Addieren der Digitalwerte jeweils in einem Arbeitsschritt durchgeführt werden. Besonders günstig ist es, wenn die Wandler für die Verarbeitung von 12 bis 14 bit-Tondaten ausgelegt sind. Dies ergibt eine besonders genaue Nachbildung der analogen Tonsignale durch digitale Tondaten. Der Mikroprozessor mit der internen 16 bit-Verarbeitung kann auch mit diesen 12 bis 14 bit-Tondaten die erforderlichen Berechnungen durchführen. Auf der anderen Seite genügt es, wenn der Mikroprozessor Anschlüsse für 8 Tondaten-Leitungen aufweist. 12 bit-Tondaten werden dann mittels einer einzigen Instruktion in zwei Schritten übertragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, dass der Mikroprozessor zum Abruf verschiedener Hall-Programme aus einem Programmspeicher mit einer Fortschaltvorrichtung versehen ist, die einen Rückstell-Anschluss (Reset), der zur Ansteuerung des ersten Programms dient, und einen Weiterschalt-Anschluss (Interrupt), der zur Ansteuerung des jeweils nächsten Programms dient, aufweist. Durch eine sehr einfache Ansteuerung ist es daher möglich, eines von mehreren Hall-Programmen auszuwählen. Es empfiehlt sich, dass im Eingangskreis der analogen Tonsignale eine Kompressorschaltung zur physiologischen Anpassung des Hallsignals vorgesehen ist. Auf diese Weise wird eine gehörrichtige Anhebung des Hallanteils bei kleinen Lautstärken bewirkt. Günstig ist es auch, dass im Eingangskreis der analogen Tonsignale eine Emphasisschaltung und im Ausgangskreis der analogen Tonsignale eine diese Emphasis kompensierende Deemphasisscha Itung vorgesehen ist. Dies ergibt eine optimale Ausnutzung der Wandler für mittlere und hohe Frequenzen. Desweiteren kann im Ausgangskreis der analogen Tonsignale eine Squelch-Schaltung zur UnterdrUckung kleinster Amplituden vorgesehen sein. Diese unterdrückt die Ausgangssignale sobald ein vorgegebener Pegel unterschritten ist. Damit wird ein unerwünschtes Quantisierungsrauschen und eine störende Quantisierungsverzerrung unterbunden. Ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung, bei dem jeweils mehrere Allpass-Filter-Berechnungen unter Multiplikation mit einem Verstärkungsfaktor kleiner 1 erfolgen, ist dadurch gekennzeichnet, dass alle Multiplikationen mit demselben Verstärkungsfaktor erfolgen. Auf diese Weise können alle digitalen Tondaten in der gleichen Weise behandelt werden, was erhebliche Vereinfachungen mit sich bringt. Insbesondere sollten die Multiplikationen mit dem Verstärkungsfaktor 0,75 erfolgen. Dieser Wert führt mit dem kleinstmöglichen Zeitaufwand, nämlich zweimaligem Verschieben der digitalen Tondaten und einmaligem Addieren der verschobenen Daten, zu sehr ansprechenden Hall-Ergebnissen. Es kommen aber auch andere Verstärkungs faktoren, wie 0,5 oder 0,625 oder 0,875 u. dgl. in Betracht. Empfehlenswert ist es, dass vier Allpass-Filter Berechnungen nacheinander erfolgen. Dies ergibt einen sehr ausgeprägten Hall. Die vier Berechnungen lassen sich unter Berücksichtigung der zuvor beschriebenen Massnahmen bei heute auf dem Markt befindlichen Mikroprozessoren gerade noch durchführen. Eine weitere vorteilhafte Massnahme besteht darin, dass die nacheinander am A/D-Wandler auftretenden digitalen Tondaten unter zyklisch wiederkehrenden Adressen in den Tondaten-Speicher eingelesen werden, die Adressen der für die einzelnen Allpass-Filter-Berechnungen aufzurufenden Tondaten durch eine fortschaltbare Basiszahl bzw. sich hiervon durch fest eingegebene Subtraktionswerte unterscheidende Hilfszahlen bestimmt werden, die Basiszahl zyklisch bis zur doppelten Adressenzahl des Tonsignal-Speichers fortgeschaltet wird und als Adressen die um die erste Binärstelle verkürzten Basis- bzw. Hilfszahlen verwendet werden. Durch die Ausnutzung unvollständiger Adressendekodierung vom Mikroprozessor zum Tondaten-Speicher gelingt es, während des gesamten Betriebes mit Hilfe desselben Subtraktions-Arbeitsganges aus der fortschaltbaren Basiszahl sämtliche erforderlichen Adressen zu gewinnen. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 2 die Darstellung eines Allpass-Filters, Fig. 3 im Blockschaltbild die Hintereinander schaltung mehrerer Allpass-Filter-Berech nungen und Fig. 4 eine schematische Darstellung des Ton signal-Speichers. Bei der Hall-Vorrichtung der Fig. 1 wird ein analoges Tonsignal über einen Eingang 1 einer Emphasis-Schaltung EM zugeführt, die eine Höhenanhebung und eine Bassabschwächung erzeugt, um bei allen Frequenzen dieses analogen Eingangssignals bei den jeweils zu erwartenden Maximalamplituden die A/D- und D/A-Wandlergenauigkeit auszunutzen. Das analoge Tonsignal wird danach einer Compressor Schaltung Co zugeführt, in welcher das Tonsignal zwischen -30 dB und -50 dB um 10 dB zwecks physiologischer Anpassung komprimiert wird. Es folgt ein Filterkreis F1, der einen sechspoligen Tschebyschev-Tiefpass zur Erfüllung der Bedingung des Abtasttheorems (Bandbegrenzung) aufweist. Es folgt ein Abtastund Haltekreis SH und ein Analog-Digital-Wandler AD, Der Abtast- und Haltekreis SH sorgt dafür, dass während der A/D-Wandlung ein stabiles Signal am A/D-Wandler-Eingang vorhanden ist. Die Wandlung erfolgt mit einem 12 bit-Baustein bei einer Taktfrequenz von beispielsweise 10 kHz. Zur Verarbeitungseinheit 2 gehört ein Mikroprozessor MP, dem ein Programm-Speicher PM zugeordnet ist, und ein Tondaten-Speicher SM. Als Programm-Speicher kann beispielsweise ein 2k x 8 ROM, als Tondaten-Speicher ein 8k x 8 RAM verwendet werden. Ausgangsseitig ist ein Digital-Analog-Wandler DA vorgesehen, der wiederum ein 12 bit-Baustein ist. Es folgt eine Deemphasisschaltung DE, die die Wirkung der Emphasisschaltung EM kompensiert, so dass der Gesamtfrequenzgang linear wird. Es schliesst sich ein Filterkreis F2 an, der wegen des Abtasttheorems einen sechspoligen Tschebyschev-Tiefpass bei 4 kHz aufweist. Um das verbleibende Quantisierungsrauschen nach dem Ausklingen des Halls zu unterdrücken, ist eine Squelch-Schaltung SC vorgesehen, an welche die Ausgangsleitung 3 für das analoge Tonsignal anschliesst. Der Mikroprozessor MP besitzt acht Datenanschlüsse D, die mit einem 8 bit-Datenbus 4 verbunden sind. Dieser Datenbus ist mit dem Analog Digital-Wandler AD, dem Digital-Analog-Wandler DA, dem Tondaten-Speicher SM und dem Programm-Speicher PN verbunden und führt daher nicht nur Programmsignale sondern dient auch als Tondaten-Leitung vor, bei und nach der Verarbeitung. Ferner gibt es zwölf Adressenanschlüsse A, die über einen 12 bit-Adressenbus 5 mit dem Programm Speicher PM und dem Tonsignal-Speicher SM verbunden ist. Die Steueranschlüsse C sind über einen Steuerbus 6 mit dem Abtast- und Haltekreis SH, dem Analog-Digital-Wandler AD, dem Digital-Analog-Wandler DA, dem Programm-Speicher PM und dem Tondaten-Speicher SM verbunden. Aus Vereinfachungsgründen sind ausserdem vorgesehene Decoder oder Schnittstellen nicht eingezeichnet. Der Mikroprozessor MP hat eine interne 16 bit-Verarbeitung und kann beispielsweise mit einer internen Rechengeschwindigkeit von 2 MHz betrieben werden. Er besitzt ferner eine Fortschaltvorrichtung 7, um verschiedene Hall-Programme aus dem Programrn-Speicher PV wirksarn werden zu lassen. Zu diesem Zweck ist ein Rückstell-Anschluss R und ein Weiterschalt Anschluss I vorgesehen. Wird an den Rückstell Anschluss R ein Impuls gelegt, wird aus einem Programmzyklus das erste Programm angesteuert. Jedesmal wenn an den Weiterschalt-Anschluss I ein Impuls gelegt wird, wird auf das nächstfolgende Programm des Zyklus weitergeschaltet. Die Fig. 2 und 3 erläutern, wie die im Analog Digital-Wandler AD gewonnenen digitalen Tondaten in der Verarbeitungseinheit 2 behandelt werden. Fig. 2 zeigt den Berechnungsvorgang für ein Allpass-Filter. Fig. 3 zeigt, dass vier derartige Filter-Berechnungen hintereinander durchgeführt werden. Fig. 2 soll andeuten, dass ein zutretendes digita Tonsignal sl in Form digitaler Tondaten und ein verzögertes Tonsignal s2 durch Addition Al zu einem Summensignal s3 addiert werden. Das verzögerte Signal s2 wird durch Multiplikation V1 eines Signals s4 mit dem Faktor k erzeugt. Das Signal s4 wird dem Tondaten-Speicher SM unter einer Adresse z -n entnommen. n gibt an, un wieviel Wandler-Arbeitstakte früher das Tonsignal s3 in den Speicher SM eingeschrieben worden ist. Das verzögerte Signal s4 wird einer Addition A2 mit einem Signal s5 unterworfen, das durch Multiplikation V2 des Signals s3 mit dem Faktor -k erzeugt wurde. Das austretende Summensignal s6 wird dann weiterverarbeitet. Fig. 3 zeigt, dass bei der hintereinander erfolgenden Berechnung von 4 solchen Allpass-Filtern der Verstärkungsfaktor k immer den gleichen Wert 0,75 hat. Dieser wird beispielsweise dadurch gewonnen, dass die jeweiligen Tondaten um eine Binärstelle und nochmals um eine Binärstelle verschoben werden (was jeweils einer Multiplikation mit dem Faktor 0,5 entspricht) und die beiden verschobenen Werte alsdann summiert werden. Die Verzögerungszeiten entsprechen hier n = 1285, 1120, 550 und 450 Arbeitstakten. Auf diese Weise ergibt sich bei einer Taktzeit der Wandler AD und DA von 0,1 ms eine Hallzeit von etwa 3 s. Durch Wahl anderer Kenngrössen lässt sich die Hallzeit zwischen 0,1 und 5 s einstellen, so dass alle sinnvollen Hallzeiten, die heute üblicherweise in der Musik eingesetzt werden, mit diesem System erzielt werden können. Fig. 4 zeigt im Bereich I schematisch diejenigen Adressen, unter denen im Speicher SM Tondaten abgespeichert werden können. Beispielsweise gehen diese Adressen von 00000 bis 11111. Im Bereich II ist dieser Speicher moch einmal mit denselben Adressen dargestellt, der dieselben Adressen aufweist. Eine Basiszahl B, die vor der Adresse eine weitere Stelle besitzt, wird in Richtung des Pfeiles x fortgeschaltet. Durch Subtraktion mit fest eingegebenen Werten sind mit der Basiszahl B mehrere Hilfszahlen H1, H2 und H verknüpft, welche daher die gleiche Fortschaltung wie die Basiszahl erfahren. Die Basiszahl B wird bis zum doppelten Speicher einhalt, d.h. bis ans Ende des Bereichs II, gezählt. Da als Adresse aber jeweils die Basisbzw. Hilfszahl ohne die erste Binärstelle dient, (unvollständige Dekodierung),werden die digitalen Tondaten lediglich aus dem tatsächlich vorhandenen Speicher abgerufen, egal ob der Mikroprozessor den Bereich I oder II adressiert. Es wird daher nur eine geringe Arbeitskapazität des Mikroprozessors für die Adressenverwaltung benötigt. Das Ausführungsbeispiel arbeitet mit Werten, wie sie bei handelsüblichen Mikroprozessoren verwirklicht werden können. So weit neuere Mikroprozessoren höhere Taktfrequenzen haben, lassen sich auch Multiplikationen durchführen, bei denen das Verschieben und Addieren mehr Schritte erfordert oder mehr als vier Allpass-Filter- Berechnungen nacheinander durchgeführt werden. Die Multiplikationen umfassen auch solche Massnahmen, bei denen verschobene Signale nicht durch Summation sondern durch Subtraktion addiert werden, beispielsweise vom Ursprungssignal.

Claims: Patentansp rüche 1. Vorrichtung zur Erzeugung von Hall für analoge Tonsignale, mit einem A/D-Wandler zur Um wandlung der analogen Tonsignale in digitale Tondaten, einer Verarbeitungseinheit zur Behandlung der digitalen Tondaten, einem D/A-Wandler zur Rückwandlung der behandelten digitalen Tondaten und einem Mikroprozessor, wobei die Verarbeitungseinheit einen Ton daten-Speicher und einen Rechner für Addi tionen und Multiplikationen aufweist, aie mit Leitungen für die digitalen Tondaten verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (MP) mit Leitungen (4) für die digitalen Tondaten verbunden und als Rechner verwendet ist, der die Multi plikationen durch Verschieben und gegebenen falls Addieren von Digitalwerten ausführt. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Mikroprozessor (wie) für eine interne 16 bit-Verarbeitung ausgelegt ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Wandler (AD, DA) für die Verarbeitung von 12 bis 14 bit-Tondaten ausgelegt sind. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikro prozessor (MP) Anschlüsse für 8 Tondaten Leitungen (4) aufweist. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikro prozessor (MP) zum Abruf verschiedener Hall Programme aus einem Programmspeicher (PM) mit einer Fortschaltvorrichtung (7) versehen ist, die einen Rückstell-Anschluss (R), der zur Ansteuerung des ersten Programms dient, und einen Weiterschalt-Anschluss (I), der zur Ansteuerung des jeweils nächsten Pro gramms dient, aufweist. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Eingangskreis der analogen Tonsignale eine Kompressorschaltung (Co) zur physiologischen Anpassung des Hallsig nals vorgesehen ist. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Eingangskreis der analogen Tonsignale eine Emphasisschaltung (EM) und im Ausgangskreis der analogen Tonsig nale eine diese Emphasis kompensierende Deemphasisschaltung (DE) vorgesehen ist. 8. Vorrichtung nach einet der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Ausgangs kreis der analogen Tonsignale eine Squelch Schaltung (SC) zur Unterdrückung kleinster Amplitudenvorgesehen ist. 9. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem jeweils mehrere Allpass-Filter-Berechnungen unter Multiplikation mit einem Verstärkungsfaktor kleiner als 1 erfolgen, dadurch gekennzeich net, dass alle Multiplikationen mit demselben Verstärkungsfaktor (R) erfolgen. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, dass die Multiplikationen mit dem Verstärkungsfaktor 0,75 erfolgen. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass vier Allpass Filter-Berechnungen nacheinander erfolgen. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die nach einander am A/D-Wandler auftretenden digi talen Tondaten unter zyklisch wiederkehren den Adressen in den Tondaten-Speicher eingele sen werden, die Adressen der für die einzelnen Allpass-Filter-Berechnungen aufzurufenden Tondaten durch eine fortschaltbare Basiszahl bzw. sich hiervon durch fest eingegebene Subtraktionswerte unterscheidende Hilfszahlen bestimmt werden, die Basiszahl zyklisch bis zur doppelten Adressenzahl des Tondaten- Speichers fortgeschaltet wird und als Adressen die um die erste Binär-Stelle verkürzten Basis- bzw. Hilfszahlen verwendet werden (unvollständige Dekodierung).

Inventors: DITTMAR, WILFRIED, DIPL.-ING., FRANZ, REINHARD, SCHEIDEGGER, CHRISTIAN, DIPL.-PHYS.
Applicants: FRANZ, REINHARD
Application year: 1983
Main classification: G10K11
IPC codes: G10K15