Способ гетеродинирования у электромузыкальных инструментов
METHOD OF HETERODYNING IN ELECTRIC MUSICAL INSTRUMENTS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электромузыкальным инструментам гетеродинного типа, у которых звуковой (музыкальный) сигнал образуется в результате биений (получения разностной частоты) между частотами двух источников сигнала. Например, у инструментов типа «Терменвокс» биения получаются в результате взаимодействия сигналов опорного и перестраиваемого генераторов, причем частота последнего меняется в зависимости от перемещения руки исполнителя относительно антенны.
Изобретение позволяет производить гетеродинирование сигналов и одновременно получать звуковой сигнал в виде цифровых отсчетов. Это дает возможность создавать инструменты, сочетающие преимущества цифровых методов обработки сигналов с сохранением принципа гетеродинирования, обеспечивающего мгновенный отклик на действия музыканта.
Уровень техники
Известен способ гетеродинирования у электромузыкальных  инструментов, при котором звуковой тон получается в результате подачи сигналов от двух высокочастотных генераторов (опорного и перестраиваемого) на узел, формирующий сигнал разностной частоты. В «Музыкальном приборе с катодными лампами» (патент СССР №890) и последующих инструментах типа «Терменвокс» (Волошин В.И., Федорчук Л.И. Электромузыкальные инструменты. М., «Энергия», 1971, с.23) управление частотой перестраиваемого генератора осуществляется с помощью емкостного датчика («антенны высоты тона»). В другом инструменте - «Волны Мартено» (Thomas Bloch. The Ondes Martenot. - URL: https://www.thomasbloch.net/en_ondes-martenot.html, дата обращения: 20.03.2019) - рука исполнителя через механическую передачу изменяет емкость переменного конденсатора, который входит в состав перестраиваемого генератора.
В качестве узла, формирующего сигнал разностной частоты при данном способе, используется специальный смеситель («детектор биений»), а выходной сигнал получается аналоговым. Последующая (с целью получения требуемых качеств звука - тембра, громкости и т.д.) обработка  производится также в аналоговом виде, который, однако, имеет недостаток - усложнение схемы и рост числа входящих в нее компонентов при увеличении количества и сложности выполняемых функций. Это приводит к тому, что подобные  инструменты имеют в своем составе только простейшую звукогенераторную часть, а для получения требуемого звучания музыканты вынуждены использовать модули внешних эффектов, зачастую построенные на основе цифровых технологий.
Известны электромузыкальные инструменты, которые по звучанию и способу взаимодействия с музыкантом схожи с инструментом типа «Терменвокс», и у которых получение (синтез) звука осуществляется цифровым способом (проект «OpenTheremin» - URL: http://www.gaudi.ch/OpenTheremin/, дата обращения: 20.03.2019); терменвокс «Theremini» фирмы Moog Music Inc., США). Инструментами гетеродинного типа их назвать нельзя, поскольку звуковой тон получается не в результате биений, а с помощью цифровых генераторов, которые управляются данными, получаемыми в результате измерения частоты перестраиваемого генератора. Из-за задержек, присущих алгоритмам измерения частоты, скорость реакции снижается, что затрудняет исполнение мелодий и осуществление приема «вибрато». Это является серьезным недостатком таких инструментов.
В измерительной и радиоприемной технике известны способы гетеродинирования с использованием синхронного детектора, работающего в асинхронном режиме (Г.Петин. Ключевой синхронный детектор. - Схемотехника, 2003, №3, c. 14), но выходной сигнал при этом также получается аналоговым.
Известны способы гетеродинирования с использованием цифровых сигналов и логических элементов «И»/«ИЛИ»/«ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», а также - D-триггеров, с последующим аналоговым сглаживанием получающихся цифровых последовательностей (И. Нечаев. Терменвокс. - Радио, 1986, №10, c.49; терменвокс «Skywave H1» - URL: http://www.thereminworld.com/files/Pages/28/files/SkywaveHi.pdf , дата обращения: 20.03.2019). В спектре такого сигнала присутствуют неблагозвучные комбинационные частоты, а сам выходной сигнал получается аналоговым.
Известен способ получения цифрового сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), работающего во второй или более высоких зонах Найквиста (Справочник по радиолокации. / Под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. под общей ред. B.C. Вербы. В 2 книгах. Книга 2. Москва: Техносфера, 2014., рис. 25.10) или в стробоскопическом режиме (патент РФ №2613843), и переносящий спектр радиочастотного сигнала в нулевую область. Такой способ используется в радиолокации, сведений о применении данного способа для получения музыкального сигнала не имеется.
Наиболее близким аналогом к изобретению является стробоскопический метод наблюдения периодических сигналов, используемый в цифровых осциллографах, в частности – осциллографах фирмы Tektronix, США («Sampling Oscilloscope Techniques», Tek Technique Primer 47W-7209, Tektronix Inc., 1989 - URL: http://www.cbtricks.com/miscellaneous/tech_publications/scope/sampling.pdf , дата обращения: 20.03.2019). Здесь с помощью схемы «выборки-хранения» осуществляется стробирование мгновенного значения сигнала с частотой, в несколько раз ниже частоты этого сигнала и находящейся с ней в кратном соотношении, при этом момент «выборки» каждый раз задерживается на очень малую величину. В результате, имея медленный АЦП, оказывается возможным оцифровывать и наблюдать быстроменяющийся входной периодический сигнал. Данный способ эквивалентен гетеродинированию, поскольку через образование разностных частот производится перенос спектра сигнала из одной области в другую. Сведений о применении данного способа для получения музыкального сигнала не имеется.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение звукового сигнала в виде цифровых отсчетов (сэмплов) гетеродинным способом - как разность между частотами двух источников сигнала.
Технический результат достигают тем, что в качестве элемента, производящего разностную частоту, используют аналого-цифровой преобразователь, частоту сэмплирования которого задают одним источником сигнала, а на вход подают сигнал от второго источника.
s
s
При классическом аналого-цифровом преобразовании частота сэмплирования f выбирается, как минимум, в два раза больше частоты самой высшей гармоники входного сигнала (согласно теореме Котельникова-Найквиста). В противном случае (см. фигуру 1) побочные спектральные продукты f - nf (где f - частота входного сигнала, а n - достаточно большое число, соответствующее номеру гармоники) попадают в звуковой диапазон, что воспринимается как паразитные призвуки.
s
s
В предлагаемом  способе (см. фигуру 2) частота входного сигнала f  близка к частоте сэмплирования f , и продукт преобразования F= f - f, который был бы вреден при классическом аналого-цифровом преобразовании, здесь выполняет полезную функцию - он представляет собой разностную звуковую частоту.
s
s
s
Фигура 2 соответствует частному случаю, когда оцифровывается синусоидальный сигнал. В общем случае спектр сигнала может содержать гармоники  2f, 3f, 4f  и т.д., которые, взаимодействуя с частотами,  кратными частоте сэмплирования, дадут разностные частоты, соответствующие гармоникам звукового сигнала 2F, 3F, 4F  и т.д. (см. фигуру 3). В итоге звуковой сигнал будет повторять форму входного сигнала. Наглядно это показано на фигуре 4, где сигналы представлены во временной области. Входной сигнал 1, имеющий период T,  сэмплируется (оцифровывается) с периодом T ,  а огибающая получающегося цифрового сигнала показана штриховой линией 2.  В представленном случае величина T меньше T , поэтому огибающая повторяет форму исходного сигнала. Когда T больше T , огибающая примет зеркальный вид, что несущественно с точки зрения звуковосприятия.
Краткое описание чертежей
s
s
На фигуре 1 показан спектр оцифрованного сигнала, имеющего частоту основного тона f значительно ниже частоты сэмплирования f. Часть высших гармоник из ряда 2f, 3f, 4f и т.д., вычитаясь из частоты сэмплирования f, попадает в звуковой диапазон.
s
s
На фигуре 2 показан спектр сигнала с частотой f, близкой к частоте сэмплирования f . Соответствующий им разностный тон F = f-f находится в звуковом диапазоне.
s
s
На фигуре 3 показан спектр сигнала несинусоидальной формы с частотой f, близкой к частоте сэмплирования f , и имеющего гармоники 2f, 3f, 4f и т.д. Соответствующие им разностные частоты nF= nf - nf лежат в звуковом диапазоне. Масштаб по оси частот здесь использован более мелкий, чем на фигурах 1 и 2.
s
s
s
На фигуре 4 показан принцип работы АЦП в стробоскопическом режиме: входной сигнал 1  с частотой 1/T (где T - период сигнала) оцифровывается  с частотой 1/T (где T - период сэмплирования), причем T чуть больше, чем T. Получающиеся выборки имеют огибающую 2, которая повторяет форму исходного сигнала 1, но «растянута» по времени.
На фигуре 5 показан базовый вариант осуществления изобретения.
На фигуре 6 показан вариант осуществления изобретения с использованием интегральной микросхемы, имеющей в своем составе необходимые узлы (обведены штриховой линией), причем один канал АЦП используется для получения звукового сигнала, другой - информации о громкости.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ может быть реализован так, как показано на  фигуре 5. АЦП 5, который может представлять собой как отдельный узел, так и входить в состав более сложных микросхем, оцифровывает сигнал, приходящий с перестраиваемого генератора 3. Опорный генератор 4 задает частоту преобразования АЦП. Получающийся цифровой код, представляющий собой отсчеты звукового сигнала, направляется  на дальнейшую цифровую обработку, либо сразу на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для последующего звукоусиления (на рисунке не показан). Роли генераторов могут меняться местами, оба генератора могут быть также фиксированными или перестраиваемыми.
Для реализации п.2 формулы изобретения параметры частотозадающих элементов источников сигнала (генераторов) делают зависимыми от движений музыканта, например емкость колебательного контура генератора - от приближения руки к датчику.
Для реализации п.3 формулы изобретения частоты источников сигнала  устанавливаются в требуемых соотношениях с помощью частотозадающих элементов (кварцевых резонаторов, колебательных контуров, RC-цепочек и т.д), либо используются дополнительные каскады деления/умножения частоты.
Для реализации п.4 формулы изобретения используют сдвоенный (строенный, счетверенный) АЦП, либо к одиночному АЦП добавляют аналоговый коммутатор входов, который переключается с частотой сэмплирования. Некоторые микросхемы АЦП уже имеют в своем составе аналоговый коммутатор.
Многие узлы, необходимые для реализации изобретения (генераторы, счетчики-делители, АЦП, устройства цифровой обработки), могут входить в состав сложных интегральных схем - микроконтроллеров, цифровых сигнальных процессоров, микросхем с программируемой логикой и т.д., использование которых позволяет сократить количество компонентов в конечном изделии.
v
Например, на фигуре 6 показан вариант реализации изобретения для использования его в электромузыкальном инструменте типа «Терменвокс». Он включает в себя микроконтроллер (показан штриховой линией) со встроенным двухвходовым АЦП 5, который тактируется внутренним генератором 7 и производит как стробоскопическое сэмплирование сигнала, приходящего с перестраиваемого генератора 3, так и синхронное сэмплирование сигнала, приходящего с резонансной цепи 10 канала управления громкостью (реализация п.5 формулы изобретения). Для обеспечения синхронности резонансная цепь тактируется (возбуждается) сигналом частотой f , вырабатываемым этим же микроконтроллером. Устройство цифровой обработки 8 реализуется программно и производит все необходимые действия по формированию характеристик музыкального сигнала, включая его амплитудную огибающую. Через цифро-аналоговый преобразователь 9 сигнал выводится  для последующего звукоусиления. Делители частоты 6 вырабатывают локальные тактовые частоты, необходимые для работы узлов.