Способ определения высоты тона у электромузыкальных инструментов гетеродинного типа
METHOD FOR DETERMINING PITCH IN ELECTRIC MUSICAL INSTRUMENTS OF HETERODYNE TYPE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электромузыкальным инструментам, у которых звуковой сигнал получают с помощью гетеродинирования - образования тона разностной частоты (биений) при взаимодействии сигналов от двух высокочастотных генераторов. Определение высоты тона (частоты звукового сигнала) требуется для визуальной индикации, автоматического отключения звука при переходе в «область отрицательных биений» и динамического изменения характеристик звука (тембра, спецэффектов и т.д.) в зависимости от текущей высоты тона.
Проблемными характеристиками при определении высоты тона являются точность (разрешение) и быстродействие.
Уровень техники
Для электромузыкальных инструментов гетеродинного типа, ожидающих вступления в игру (в частности - терменвоксов), известен способ определения высоты тона «на слух» при помощи малогабаритного телефонного капсюля, вставляемого в ухо исполнителя, на который постоянно подается звуковой сигнал (например, с выхода «Phones» при соответствующей конфигурации терменвокса «Etherwave Plus» фирмы Moog Music Inc., США). Такой способ является альтернативой визуальному индикатору высоты тона и позволяет музыканту быстро и с минимальным промахом вступать в игру после продолжительной паузы. Недостатком способа является слуховая дезориентация исполнителя и необходимость иметь абсолютный слух при вступлении без музыкального сопровождения.
Известен способ определения высоты тона с помощью измерения частоты звукового сигнала, снимаемого с какой-либо точки звукового тракта. Измерение осуществляется, как правило, цифровым методом, а результат переводится в форму, удобную для последующей обработки или прямого восприятия исполнителем. Например, известна практика подключения промышленных электронных тюнеров к гнезду «Tuner» терменвокса «Etherwave PRO» фирмы Moog Music Inc., США, либо к специально организованной точке подключения (руководство «Understanding, Customizing, and Hot-rodding Your Etherwave Theremin» - URL: http://www.suonoelettronico.com/downloads/HotRodEtherwav.pdf, дата обращения: 25.01.2020). Недостатком способа является невозможность обеспечить требуемую точность и быстродействие при определении очень низких частот. Также этот способ принципиально не позволяет установить, работает ли инструмент в так называемой «области отрицательных биений» (т.е. превышает ли частота перестраиваемого генератора частоту опорного или нет), что необходимо для реализации функции автоматического отключения звука.
Известен способ определения высоты тона с помощью преобразования частоты звукового сигнала в напряжение (например, для последующей индикации в «Визуализаторе высоты тона терменвокса» Л. Королёва - Радио, 2005, №10-11, c.48, или для управления внешними устройствами в терменвоксе «Theremax» фирмы PAiA Electronics Inc., США), но он также неудовлетворительно работает в области низких частот и не позволяет идентифицировать «область отрицательных биений».
Известен способ определения «области отрицательных биений» в терменвоксе «Skywave H1» (URL: http://www.thereminworld.com/files/Pages/28/files/SkywaveHi.pdf, дата обращения: 25.01.2020), заключающийся в сравнении периодов высокочастотных сигналов, подаваемых на вход формирователя разностной частоты (смесителя). Высоту тона этот способ не определяет.
Известен способ получения звукового сигнала в цифровых бесконтактных инструментах, имитирующих игру на терменвоксе (например, в проекте «The Digital Theremin» - URL: http://eet.etec.wwu.edu/simonsk3/project.html, дата обращения: 25.01.2020). В этом способе производится измерение текущей частоты высокочастотного перестраиваемого генератора, а затем на основе полученных данных осуществляется цифровой синтез звукового сигнала. Задача определения высоты генерируемого тона здесь не стоит, так как исходные данные, задающие частоту звукового сигнала, уже известны и могут быть сразу использованы для обработки и индикации. Инструментами гетеродинного типа такие синтезаторы не являются.
Наиболее близким аналогом к изобретению является способ определения текущей рабочей частоты, используемый в некоторых радиопередатчиках (трансиверах). У таких передатчиков (например, у коротковолнового трансивера «Десна» - URL: http://www.cqham.ru/desna.htm, дата обращения: 25.01.2020) излучаемый сигнал формируется с помощью смесителя, на вход которого подаются сформированный на некоторой промежуточной частоте исходный сигнал и сигнал от перестраиваемого генератора («генератора плавного диапазона»). Частота сигнала после такого преобразования и последующей фильтрации равняется сумме или разности частот исходных сигналов. Для определения частоты излучаемого сигнала производят измерение частоты сигнала на входе смесителя (т.е. частоты перестраиваемого генератора), а искомую величину вычисляют, складывая или вычитая из результата некоторую константу.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность определять с высокой точностью, высоким быстродействием и в широком диапазоне текущую высоту тона, включая факт попадания в «область отрицательных биений».
Указанный технический результат достигают измерением частот сигналов, поступающих на формирователь разностной частоты, с последующим расчетом частоты звукового сигнала (высоты тона) на основе их разности. По знаку разности определяют достижение «области отрицательных биений».
Высота тона с физической точки зрения - это частота звукового сигнала, выраженная номером октавы, названием ноты и величиной отклонения от ноты в долях полутона или в центах. Прямое измерение звуковой частоты, как было отмечено ранее, может не дать требуемую точность и/или быстродействие. Так, распространенный метод измерения количества периодов сигнала за фиксированный промежуток времени потенциально неприменим из-за плохих достигаемых характеристик. Например, при времени измерения 0,1 с и разрешении в четверть полутона (минимальные требования для визуальной индикации) диапазон измеряемых частот ограничен снизу значением 688 Гц (это область ноты «Фа» 2-ой октавы).
Измерение длительности периода сигнала с дальнейшим переводом результатов в частоту хоть и обеспечивает необходимое разрешение (при достаточно высокой частоте счетных импульсов), но время измерения ограничено длительностью одного периода сигнала. Так, для обеспечения времени измерения 0,1 с определяемая частота не должна опускаться ниже 10 Гц. Этого вполне достаточно для визуальной индикации высоты тона, однако поиск «точки нулевых биений» (в целях оперативной настройки терменвокса) предполагает достижение более низких частот.
Дополнительная причина, по которой измерение частоты звукового сигнала может не дать требуемую точность, заключается в необходимости преобразовывать звуковой сигнал в прямоугольную форму (чтобы не зависеть от его формы и амплитуды). Остатки высокочастотных составляющих, присутствующие в звуковом сигнале после гетеродинирования, будут влиять на положение фронтов результирующего прямоугольного сигнала и вносить этим самым дополнительную погрешность.
В электромузыкальных инструментах гетеродинного типа имеется возможность производить измерения частоты не звукового сигнала, а исходных сигналов, подаваемых на формирователь разностной частоты. Частоту звукового сигнала при этом можно вычислить как разность частот исходных сигналов. Переход от измерения низких (звуковых) частот к высоким (радиочастотам) позволяет уменьшить длительность измерения, так как период последних достаточно мал. Наилучшие результаты дает метод (ставший возможным лишь с развитием цифровой техники), при котором вместо измерения длительности одного периода с дальнейшим переводом результатов в частоту измеряют длительность (T) интервала, включающего в себя нескольких (N) периодов измеряемого сигнала с последующим расчетом частоты по формуле:
ƒ=N/T
Величина N может быть задана жестко (и тогда время измерения будет напрямую зависеть от входной частоты), либо может определяться динамически в зависимости от периода входного сигнала (тогда время измерения можно сделать почти постоянным).
n
-1
-5
Описанный в документе «AN2283. Measuring Frequency» компании Cypress MicroSystems, Inc., США (URL: https://www.cypress.com/file/67281/download, дата обращения: 25.01.2020), «гибридный метод» дает относительную ошибку, приближающуюся к 1/2 (где n - разрядность двоичного счетчика, используемого для измерения с помощью счетных импульсов длительности интересуемого интервала). Количество счетных импульсов при частоте их следования 24 МГц (типично для микроконтроллеров этой компании) за интервал измерения 0,1 с составит 0,1/24000000=2400000, что даст n ≈ 21 и относительную ошибку 4,8⋅10 %. При измерении частот в области 100 кГц (что типично для генераторов, используемых в терменвоксах) мы получим абсолютную ошибку 0,048 Гц, которая при расчете разностной частоты удвоится и составит 0,095 Гц. Если частота второго генератора известна (например, стабилизирована кварцевым резонатором), удвоения не будет. Таким образом, определение разностной частоты будет происходить с точностью до долей Герца при комфортном для музыканта быстродействии. А так как при гетеродинировании частота генераторов меняется в незначительных пределах, то такая точность будет обеспечиваться во всем интервале звуковых частот, включая инфразвуковые биения.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 показан способ определения высоты тона с помощью измерения частот сигналов, подаваемых на формирователь разностной частоты.
На фигуре 2 показан вариант осуществления изобретения, в котором производят измерение только одной частоты, а значение второй считают известным.
На фигуре 3 показан вариант осуществления изобретения, в котором частоты сигналов измеряют в промежуточных точках их получения (перед делителями частоты).
На фигуре 4 показан вариант осуществления изобретения, в котором измеряют длительности периодов сигналов.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ может быть реализован так, как показано на фигуре 1. Опорный генератор 1, перестраиваемый генератор 2 и формирователь разностной частоты 3 образуют основу электромузыкального инструмента гетеродинного типа, например - терменвокса. Узел 4, производящий измерение частот, вычисление их разности, обработку (приведение результата к требуемой форме) и отображение, подключен к входам формирователя разностной частоты и может быть выполнен на основе микроконтроллера или микросхемы программируемой логики.
2
1
В другом варианте реализации, показанном на фигуре 2, производят измерение частоты только перестраиваемого генератора (ƒ), а частота опорного генератора (ƒ) считается известной и может храниться в энергонезависимой памяти в виде константы.
Третий вариант реализации (фигура 3) отражает наличие в сигнальном тракте дополнительных блоков 5, производящих преобразование частоты (в данном случае - деление). В этом варианте частота измеряется не на входе формирователя, а в промежуточных точках ее получения, что учитывается при вычислении разностной частоты.
1
2
1
2
1
2
1
1
В четвертом варианте реализации (фигура 4) частоты сигналов ƒ и ƒ получают на основе измерения длительностей их периодов T и T (как обратные величины /T и /T). Для повышения разрешения вместо длительности одного периода может использоваться длительность нескольких таких периодов. Все измерения и вычисления могут также производиться микроконтроллером или микросхемой программируемой логики.