專利名稱：電子音樂的音調(diào)產(chǎn)生方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到用來產(chǎn)生電子音樂的音調(diào)產(chǎn)生器件，更確切地說是涉及到連續(xù)改變音調(diào)波分量的方法和設(shè)備。
在現(xiàn)有技術(shù)中已提出各種方法來電子合成音樂音調(diào)。Tomisawa的美國專利4249447描述了一種涉及頻率調(diào)制的方法。用來實現(xiàn)數(shù)字頻率調(diào)制的基本單元包括一個加法器和一個其數(shù)值基于加法器的輸出而被選擇的正弦波存儲器。在此單元中，以數(shù)字取樣值序列表示的波形“x”以適當(dāng)?shù)姆答伇缺患尤胝也ù鎯ζ鞯妮敵?。在反饋回路中插入一個乘法器，用來將存儲器的輸出即Siny放大β(反饋參數(shù))倍。乘積βSiny被加于加法器，得到x+βSiny。加法器的輸出x+βSiny構(gòu)成正弦波存儲器的輸入地址。借助于改變反饋參數(shù)β的數(shù)值來控制上述單元所產(chǎn)生的音調(diào)波的分量。
雖然Tomisawa所述的器件可相當(dāng)簡便地實現(xiàn)，但其缺點(diǎn)是用簡單相乘所能得到的諧波譜受到一些限制。此外，對于反饋參數(shù)的某些數(shù)值，正負(fù)二種數(shù)值的幅度數(shù)據(jù)在存儲器的各個輸出取樣點(diǎn)處變化得太快了，引起不希望有的振蕩現(xiàn)象。為了消除這種振蕩現(xiàn)象，必須在反饋路徑中插入一個額外的平均器件。
AT&T公司以商標(biāo)“RIO/Roadrunner”制造了另一種產(chǎn)生調(diào)頻音樂的器件。在此器件中，利用浮點(diǎn)DSP碼來重復(fù)調(diào)頻算法。一個大的查表存儲器代替反饋路徑被用來包容復(fù)雜的波形。復(fù)雜波形試圖包括Tomisawa中各種反饋參數(shù)的反饋效果。但由于適用的存儲器受到限制，故諧波譜的質(zhì)量受到限制。因此，需要有一種器件，它能產(chǎn)生比現(xiàn)有技術(shù)器件所能得到的更純的特定的諧波譜。本發(fā)明公開了一種電子產(chǎn)生音樂的設(shè)備和方法。本發(fā)明包括一個耦合到正弦存儲器的加法器，其中的正弦存儲器是一個查找表，它包括各種具有不同輸出特性的正弦波。正弦波存儲器的輸出和加法器的輸入之間的反饋路徑包括一個耦合到反饋修正裝置的寄存器。反饋修正裝置包括一個第二查找表它將反饋分量β代入正弦存儲器輸出的正弦波中。反饋修正裝置的輸出是正弦波輸出和反饋分量β的任意函數(shù)。一種這樣的函數(shù)可能是選自上述正弦存儲器的一個波與選定反饋分量數(shù)值的乘積的表示。
為了更好地理解本發(fā)明，應(yīng)結(jié)合附圖參照本發(fā)明典型實施例的下列描述，在這些附圖中，

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明用來產(chǎn)生音樂音調(diào)的運(yùn)算單元的一個優(yōu)選實施例的方框圖；圖2示出了用來產(chǎn)生在發(fā)生電子音樂音調(diào)中所用的數(shù)字?jǐn)?shù)值序列(x)的電路的典型實施例的方框圖；圖3示出了用來處理用作音樂音調(diào)的輸出音調(diào)波形的典型單元的方框圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明同時產(chǎn)生多個音調(diào)的另一個實施例；以及圖5a、5b、5c和6示出了當(dāng)β值逐漸增大時Siny與β相乘的取樣點(diǎn)處反饋修正裝置輸出波形的改變。
本發(fā)明公開了一種用來產(chǎn)生合成電子音樂音調(diào)的新穎方法和設(shè)備。參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明用來產(chǎn)生電子音樂的運(yùn)算單元10的優(yōu)選實施例。此運(yùn)算單元10是一種數(shù)字器件且包括一個耦合到正弦存儲器14的加法器12，其中的正弦存儲器是一個包含各種不同輸出特性的正弦波的查找表。正弦存儲器14的輸出和加法器12的輸入之間的反饋路徑包括一個耦合到反饋修正裝置20的寄存器18。反饋修正裝置20主要是一個第二查找表，可能加有其它電路，它將反饋分量β與正弦存儲器14輸出的正弦波進(jìn)行組合以便產(chǎn)生反饋修正裝置20的地址輸入。
如所看到，本發(fā)明的加法器12包括一個第一和第二輸入22和24，其中在第一和第二輸入處的數(shù)據(jù)用已知的方法加在一起。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，示于圖1的加法器是一個10位加法器，但本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員知道，其它位數(shù)的加法器和其它位數(shù)的數(shù)據(jù)也可輸入到加法器，這有賴于特定應(yīng)用中所需的準(zhǔn)確度和/或精度。注意在優(yōu)選實施例中，為得到適當(dāng)?shù)牟ㄐ尉?，在加法?2的B輸入口只要求有8位。
對加法器12的第一輸入22是一個由代表-π到π之間數(shù)值的數(shù)字取樣序列所表示的變量“X”。加法器的第二輸入24即βSiny是反饋修正裝置20的輸出。在優(yōu)選實施例中，這二個數(shù)值被相加以便在加法器的輸出處產(chǎn)生一個10位值“Y”。由于輸出是一個模(2π)值，故二個輸入相加可能引起的第11位被消除了。如所理解，從圖1各部件發(fā)出的單線表示總線結(jié)構(gòu)上的平行數(shù)據(jù)。
加法器12第一輸入處的變量X表示例如由鍵盤式器件所產(chǎn)生的信號。圖2示出了用來產(chǎn)生信號X的一種典型器件，它包括鍵盤邏輯30、頻數(shù)存儲器32和一個累加器34。代表鍵盤中所擊鍵的信號從鍵邏輯30被加到頻數(shù)存儲器32。頻數(shù)(它是對應(yīng)于所擊鍵的頻率亦即相位增量的一個常數(shù))被從頻數(shù)存儲器讀出。從存儲器讀出的頻數(shù)被加于累加器，其中的頻數(shù)根據(jù)時鐘脈沖中被重復(fù)地相加。累加器由例如一個模M計數(shù)器組成，且累加器的輸出被饋至加法器12作為變量X。
加法器12的輸出Y(10位)被輸入到正弦存儲器14的地址線。根據(jù)存儲器的特定地址輸入，在查找表中選取一個相應(yīng)的波數(shù)值Siny，且經(jīng)由正弦存儲器14的數(shù)據(jù)線輸出。在所示的實施例中，正弦存儲器示為1024×10位ROM。但應(yīng)了解，依賴于所需的精度也可采用不同規(guī)格的存儲器，而且也可用隨機(jī)存取存儲器(RAM)來代替ROM。采用RAM作為存儲器的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可對不同的波形重新編程。
正弦存儲器12的輸出也被連接到反饋路徑中。在圖1所示的優(yōu)選實施例中，存儲器輸出的10位中的最重要的5位被輸入到數(shù)據(jù)寄存器18。數(shù)據(jù)寄存器可如所示由一系列觸發(fā)器或其它可暫時緩沖數(shù)據(jù)的器件組成。數(shù)據(jù)寄存器18包括一個取樣時鐘輸入26，它使來自寄存器的數(shù)據(jù)能夠以與數(shù)字值X引入加法器12相同的速率輸入反饋修正裝置20中。數(shù)據(jù)寄存器的目的是使表示為加法器12的輸入的二個分量同步。數(shù)據(jù)寄存器在與產(chǎn)生包含X的取樣的器件的同時被時鐘激活。這樣就可理解，數(shù)據(jù)寄存器18可以置于反饋路徑的其它位置，包括但不限于加法器12的前面或后面。
在所示的本發(fā)明的實施例中，反饋修正裝置20是一個256×8位ROM。反饋修正裝置包括二組輸入。正弦存儲器12的最重要的5位經(jīng)由數(shù)據(jù)寄存器18被輸入到反饋修正裝置即地址線A(0∶4)處作為最不重要位輸入。反饋分量值β被輸入到地址線A(5∶7)處的反饋修正裝置20的3個最重要的位處。5個最不重要的位和3個最重要的位(β)的組合地址構(gòu)成反饋修正裝置查找表中的一個8位地址。這一地址對應(yīng)于被反饋分量(β)改變過的Siny的值而定位一個其中儲存有8位數(shù)據(jù)的存儲器位置。反饋修正裝置數(shù)據(jù)線上的輸出于是成為f(β，Siny)。
如所見，借助于改變選取輸入到反饋修正裝置20的3個最重要的位，可改變反饋分量β，其中符號波的構(gòu)成決定于正弦存儲器14的輸出。如所知，反饋修正裝置的存儲器大小以及用于正弦波分量的準(zhǔn)確位數(shù)和反饋值將根據(jù)輸出波形所需的精度來確定。反饋修正裝置查找表20的優(yōu)點(diǎn)是比起簡單相乘來說可得到更加特定的諧波譜。亦即，反饋修正裝置20產(chǎn)生可選擇來更精確地控制最終波形的諧波分量的數(shù)值。此外，本實施例的電路比某些實現(xiàn)中的乘法器電路更簡單。
在反饋修正裝置的功能是Siny與β相乘的情況下，可以得到，當(dāng)β值從0增大到1(見圖5a-5c)時，波形由正弦形變?yōu)殇忼X形，波形的諧波成分相應(yīng)增加。在各圖中，上部圖100表示加法器x輸入處取樣在-π和π之間的連續(xù)變化順序。-π到π的范圍被分成200個取樣。下部圖110表示每個取樣的相應(yīng)的Siny值。當(dāng)β值等于或超過大約1.3時，在Siny＝0附近可觀察到波形Siny的劇烈振蕩(見圖6)。這一振蕩由交替地正負(fù)偏離預(yù)期的鋸齒狀波形所組成。這一振蕩以Siny波形的取樣產(chǎn)生速率一半的速率發(fā)生。這一振蕩不是電路中的任何缺陷所造成的，而是電路的反饋比所造成的。在Siny波形具有負(fù)斜率的區(qū)域中，反饋是負(fù)的。亦即當(dāng)加法器12的輸出y增大時，在所述區(qū)域中的Siny值減小。這一減小的值被反饋修正裝置20中的正的β相乘后，被送入加法器20，產(chǎn)生加法器輸出y降低的傾向，它反過來又產(chǎn)生Siny值增大的傾向。這一循環(huán)重復(fù)著，引起波形Siny上交替的負(fù)和正起伏。當(dāng)負(fù)反饋?zhàn)兊米銐驈?qiáng)時，就發(fā)生振蕩。
由于在點(diǎn)Y＝π處的(Siny)/y為負(fù)且取最大值，故振蕩的開始同β的大小和波形Siny的斜率二者都有關(guān)系。實際上，可看到，只有當(dāng)乘積(β)(Siny斜率)小于大約-0.56時，振蕩才開始。
如有需要，借助于在反饋路徑中某處插入一個平均器件21，可濾掉這一振蕩。這樣一種平均器件是一個用寄存器或相似器件儲存取樣以便可用已知的處理加至下一取樣的電路，這一相加的結(jié)果用已知的方法被二除。由于要儲存減少了的位數(shù)，平均器件21最好可插入到電路中加法器輸出Siny和反饋修正裝置20之間。實際上，它可以成為反饋修正裝置20的一部分。但可理解，插入到12、14和20所組成的反饋路徑上任何地方，平均器件都是有效的。此外，用相似的已知方法，可對三個、四個或更多個連續(xù)取樣進(jìn)行平均，使所述的振蕩得到更為有效的抑制。值得指出的還有，Siny波形數(shù)據(jù)在送入反饋修正裝置20之前被切至最重要的5位，這對濾去所述的振蕩有額外的效用。若采用過濾，則優(yōu)選實施例是將反饋的Siny波形截頭，隨后平均二個相繼的取樣，這樣用簡單的電路提供有效的過濾。
應(yīng)該指出的是，由于負(fù)反饋的作用，即使用更大的過濾，當(dāng)β值達(dá)到足夠大時，振蕩仍將再次開始。在某些情況下，為了使諧波分量加入到波形輸出，這一振蕩實際上可能是可取的。超過一定水平的反饋，此振蕩對波形的影響則成為進(jìn)一步增加反饋時沒有音頻效果。此時，可調(diào)節(jié)反饋修正裝置來提高當(dāng)β值增大時的過濾量。
可對運(yùn)算單元輸出處提供的音調(diào)波形Siny進(jìn)行進(jìn)一步處理以產(chǎn)生音樂音調(diào)。參見圖3，示出了處理運(yùn)算單元提供的信號的典型電路。包絡(luò)發(fā)生器40根據(jù)例如擊鍵響應(yīng)于圖2鍵盤邏輯30所提供的鍵上信號而產(chǎn)生包絡(luò)形狀信號。這一包絡(luò)形狀信號被饋至乘法器42。乘法器42將運(yùn)算單元10所提供的音調(diào)波形Siny與包絡(luò)形狀信號相乘以便將幅度包絡(luò)傳給音調(diào)波形Siny。從乘法器輸出的音調(diào)信號被饋至輸出單元44，然后用諸如轉(zhuǎn)換成模擬信號并濾波之類的熟知方法以音樂音調(diào)的形式被聽取。
如所知，如果讀自頻數(shù)存儲器32的頻數(shù)很大，則輸入到加法器12(圖1)的變量X迅速增加，而若頻數(shù)很小，則增加緩慢。變量X的變化率于是決定了運(yùn)算單元10所產(chǎn)生的音調(diào)的頻率。借助于改變反饋參數(shù)β的值，可連續(xù)地控制運(yùn)算單元所產(chǎn)生的音調(diào)的諧波分量。還可看到，其輸入地址根據(jù)本發(fā)明而被調(diào)制的正弦存儲器不僅可用來產(chǎn)生所需的音調(diào)波形，而且還可用來調(diào)制另一波形存儲器的輸入地址。在后一種情況下，音調(diào)波形由另一波形存儲器產(chǎn)生。
在本發(fā)明的上述描述中，正弦存儲器14已被描述成一個儲存正弦波的存儲器。應(yīng)該理解，存儲器并不受這一限制，而是可同上述存儲器同樣有效地采用可儲存余弦波或帶初始相位的正弦函數(shù)。此外，也可應(yīng)用鋸齒波、三角波或不規(guī)則波形狀。其中所儲存的波形也不局限于完全周期波形，而是可包括其其它部分，其中可用已知的方法來重現(xiàn)完全周期波形。
參照圖4，示出了本發(fā)明的另一個實施例。在所示實施例中，如圖1那樣，多個運(yùn)算單元60被耦合到由單輸入器件64所產(chǎn)生的多個輸入62。如所知，本發(fā)明可用來同時從多重運(yùn)算單元一次產(chǎn)生一系列音調(diào)，其中的這些音調(diào)稍后在輸出中被處理和組合。
從上所述應(yīng)能理解，根據(jù)附圖所述的實施例僅僅是一些示例，本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員可對所示實施例進(jìn)行各種改變和修正而不超越本發(fā)明的構(gòu)思與范圍。所有這些改變和修正都認(rèn)為包括在所附權(quán)利要求所確定的本發(fā)明范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種電子產(chǎn)生音樂音調(diào)的設(shè)備，上述設(shè)備包含用來將其第一和第二輸入處的數(shù)據(jù)加到一起的數(shù)字加法裝置，上述第一輸入被耦合到適于產(chǎn)生數(shù)字取樣序列的輸入器件；一個耦合到上述數(shù)字加法裝置的一個輸出端，用來儲存根據(jù)輸入地址而選定的重復(fù)頻率的預(yù)定波形的正弦存儲器表；以及一個耦合到上述正弦存儲器表的反饋修正裝置表，用來儲存已引入其中的有不同反饋程度和類型的上述預(yù)定波形的改變類型，上述預(yù)定波形的上述改變類型可根據(jù)輸入地址而選擇，上述反饋修正裝置表的輸出被耦合到上述加法裝置的上述第二輸入。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述的存儲在上述反饋修正裝置表中的上述預(yù)定波形的修改類型代表著上述預(yù)定波形和一個預(yù)定反饋值的乘積。
3.權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述的上述反饋修正裝置表中的上述波形的修改類型的上述預(yù)定反饋值可根據(jù)上述反饋修正裝置表的輸入地址的范圍而選擇。
4.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中的上述正弦存儲器表的輸出被耦合到用來產(chǎn)生音樂音調(diào)的處理裝置。
5.權(quán)利要求4的設(shè)備，其中所述的處理裝置包括一個用來根據(jù)上述輸入器件的信號而產(chǎn)生包絡(luò)形狀信號的包絡(luò)發(fā)生器；以及用來將上述包絡(luò)形狀信號同上述正弦存儲器表的輸出相乘的乘法器，上述乘法器的乘積被輸出到輸出單元，從而產(chǎn)生上述音樂音調(diào)。
6.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括耦合在上述正弦存儲器表、上述反饋修正裝置表和上述數(shù)字加法裝置所組成的回路中的用來使上述反饋修正裝置表的上述輸出與上述數(shù)字加法裝置的上述第一輸入同步的一個數(shù)據(jù)寄存器。
7.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述的加法裝置、上述正弦存儲器和上述反饋修正裝置表包含一個運(yùn)算單元，還包含耦合于上述輸入器件的多個輸入的多個運(yùn)算單元，從而同時產(chǎn)生一系列音樂音調(diào)。
8.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述的輸入器件包括用來儲存預(yù)定頻率的頻數(shù)存儲器，上述頻數(shù)存儲器適合于接收用來選擇頻率的輸入邏輯所產(chǎn)生的信號；以及耦合于上述頻數(shù)存儲器的、用來重復(fù)地對根據(jù)預(yù)定的時鐘脈沖而選自上述頻數(shù)存儲器的上述頻率進(jìn)行相加的累加器裝置，上述累加器的輸出被耦合到上述數(shù)字加法裝置的上述第一輸入。
9.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述的上述反饋修正裝置表的輸入地址是一個表示上述預(yù)定波形和一個選定反饋參數(shù)的組合地址。
10.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中預(yù)定數(shù)目的最不重要位在輸入到上述反饋修正裝置表之前被從上述正弦存儲器的上述輸出中截去，從而對上述反饋修正裝置表的輸入提供濾波。
11.權(quán)利要求10的設(shè)備，還包括一個耦合在上述正弦存儲器表、上述反饋修正裝置表和上述數(shù)字加法裝置組成的回路中的用來對上述回路中的至少一個先前值與上述回路中的現(xiàn)在值進(jìn)行平均從而對上述反饋修正裝置表的輸出信號進(jìn)行濾波的平均裝置。
12.一種電子產(chǎn)生音樂音調(diào)的方法，上述方法包含下列步驟將代表輸入器件產(chǎn)生的選定頻率的一系列數(shù)字取樣與從反饋路徑產(chǎn)生的數(shù)據(jù)相加到一起；參照其中儲存有選定重復(fù)頻率的預(yù)定波形的正弦存儲器表，其中根據(jù)從上述相加步驟提供的輸入地址從上述存儲器表輸出一個預(yù)定波形；以及從反饋修正裝置表選擇其中引入了不同反饋程度的修改過的上述預(yù)定波形的修改類型，上述預(yù)定波形的修改類型可根據(jù)輸入地址進(jìn)行選擇，其中上述預(yù)定波形的修改類型是作為上述相加步驟的輸入的上述反饋路徑中的輸出。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述的對上述反饋修正裝置表的輸入地址是一個代表上述預(yù)定波形和一個選定反饋參數(shù)的組合地址。
14.權(quán)利要求12的方法，其中所述的存儲在上述反饋修正裝置表中的預(yù)定波形的修改類型代表著上述預(yù)定波形和一個預(yù)定反饋值的乘積。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述的上述反饋修正裝置表中波形的上述修改類型的上述預(yù)定反饋值可根據(jù)上述反饋修正裝置表的輸入地址的范圍來選擇。
16.權(quán)利要求12的方法，還包括對上述正弦存儲器表的輸出進(jìn)行處理以產(chǎn)生音樂音調(diào)的步驟。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述的處理步驟包括根據(jù)來自上述輸入器件的信號來產(chǎn)生包絡(luò)形狀信號的步驟；以及將上述包絡(luò)形狀信號同來自上述正弦存儲器表的輸出相乘，上述乘法器的乘積被輸出到輸出單元從而產(chǎn)生上述音樂音調(diào)。
18.權(quán)利要求12的方法，還包括下列步驟將代表上述預(yù)定波形選定部分的數(shù)值暫時儲存在數(shù)據(jù)寄存器中；以及以預(yù)定的取樣時鐘速率將地址數(shù)據(jù)輸入到上述反饋修正裝置。
19.權(quán)利要求12的方法，其中所述的加法裝置、所述的正弦存儲器和所述的反饋修正裝置表包含一個運(yùn)算單元，該方法還包括將多個耦合于上述輸入器件的多個輸入的多個運(yùn)算單元進(jìn)行耦合從而同時產(chǎn)生系列音樂音調(diào)的步驟。
20.權(quán)利要求19的方法，還包括下列步驟根據(jù)輸入邏輯所產(chǎn)生的信號，從頻數(shù)存儲器選擇一個頻率；以及根據(jù)預(yù)定的時鐘脈沖對選自上述頻數(shù)存儲器的上述頻率進(jìn)行反復(fù)相加，其中其一個輸出如上述數(shù)字取樣序列被相加。
全文摘要
一種電子產(chǎn)生音樂的設(shè)備和方法，它包括一個耦合到正弦存儲器加法器，其中的正弦存儲器是一個包含各種輸出特性不同的正弦波的查找表。正弦存儲器的輸出和加法器的輸入之間的反饋路徑包括一個耦合到反饋修正裝置的寄存器。反饋修正裝置包括一個將反饋分量β代入正弦存儲器輸出的正弦波中的第二查找表。反饋修正裝置的輸出是從上述正弦存儲器選定的波和反饋分量的選定值的任意函數(shù)。
文檔編號G10H7/08GK1165364SQ9611672
公開日1997年11月19日 申請日期1996年12月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月5日
發(fā)明者杰弗里·艾掄·沃爾克 申請人:朗迅科技公司