Способ получения цифрового сигнала у электромузыкальных инструментов
DIGITAL SIGNAL PRODUCTION METHOD FOR ELECTRIC MUSICAL INSTRUMENTS

Область техники, к которой относится изобретение
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.
Уровень техники
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.
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.
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.
s
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 F 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:
s
N
F= F∙Δ/2
s
N
Обычно F 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 2, 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.
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.
Раскрытие сущности изобретения
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.
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.
clk
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 T и разрядностью счетчика N:
N
clk
T = 2∙T.
Соответственно, частота переполнений счетчика будет равна:
N
clk
f = 1/T = 1/(2∙T).
s
s
С частотой f = 1/T 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:
s
F = f-f.
s
При условии, когда f меньше f (или когда счетчик работает на уменьшение), огибающая примет зеркальный вид.
Для получения сигнала синусоидальной (или другой) формы, значения отсчетов 2, соответствующие пилообразному сигналу 3, перекодируют с помощью таблиц или соответствующих алгоритмов.
Краткое описание чертежей
s
s
На фигуре 1 показан процесс образования разностной частоты между частотой переполнений счетчика f=1/T и частотой «фотографирования» его состояния f=1/T.
На фигуре 2 показан вариант осуществления изобретения с использованием счетчика и регистра-защелки, которые тактируются фронтами импульсов, приходящих с двух разных генераторов.
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.
Осуществление изобретения
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.
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:
- счетчик-таймер с защелкой 10 («Capture Counter» или «Capture Timer» в английской терминологии),
- устройство цифровой обработки 11,
- генератор тактовой частоты 4,
- два цифро-аналоговых преобразователя 12 и 13,
- 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.
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.
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).