專利名稱：四操作器在音響合成時靈活組合的方法和集成電路的制作方法
這里將1994年9月申請題為“音響音響電子波形的產(chǎn)生方法和集成電路”待審批的申請(申請?zhí)枮?8/？？？？？？)也包括進來，以供參考。
本發(fā)明總的說來涉及電子裝置，更具體地說，涉及一種產(chǎn)生發(fā)聲的樂音和電子音調(diào)用的波開拓合成器。
每一個樂器都有自已的與聲波振幅包絡信號電平增高率、衰變率、持續(xù)率和釋放率有關的特征音。舉例說，鋼琴聲的包絡在按壓琴鍵時信號電平增高率最大，持續(xù)按壓琴鍵時信號電平增高率慢慢減小。壓住鋼琴的續(xù)響腳踏板時，琴音衰減得更慢。鋼琴在信號電平增高過程中還有許多諧波泛音隨著時間的推移減小到諧波內(nèi)容接近恒定為止。
聲頻音響合成數(shù)字集成電路中習慣上都采用調(diào)頻(FM)技術來產(chǎn)生含高諧聲和非諧聲的復合波形。調(diào)制指數(shù)與較高次諧波頻譜分布之間存在著自然的相應關系，可以產(chǎn)生一整套的音響。FM音響是利用載波調(diào)制取得的效果產(chǎn)生的。巧妙應用基本FM參數(shù)(例如載波輸出電平、調(diào)制器輸出電平、調(diào)制器反饋電平、載波頻率和調(diào)制器的頻率)可以得出音樂音響的音高、音調(diào)和聲級。
Nishimoto在題為ELECTRONIC MUSICAL INSTRUMENT FOR TONEFORMATION BY SELECTABLE TONE SYNTHESIS COMPUTATIONS(選擇性音調(diào)合成計算法形成音調(diào)的電子樂器)的美國專利4,297,933和題為
I3sin(w3t＋I2sin(w2t))＋I1sin(w1t＋I0sin(w0t)).(2)ELECTRONIC MUSICAL INSTRUMENT CAPABLE OF VARYING A TONESYNTHESIS OPERATION ALGORITHM(能改變音調(diào)合成控制法的電子樂器)的美國專利4,554,857中，Hiyoshi在題為MUSICAL TONE FORMINGDEVICE BY FM TECHNOLOGY(FM法產(chǎn)生樂音的樂器)的美國專利4,253,367中，都介紹了傳統(tǒng)合成音調(diào)的方法。
1977年4月19日公布的John Chowing的美國專利4,018,121介紹了音樂音響(例如起調(diào)制作用的正弦波、調(diào)制波形的隨時間而變化的包絡函數(shù)和調(diào)幅波振幅隨時間而變化的包絡函數(shù))的基本FM合成過程。調(diào)制波的振幅或調(diào)制波的包絡函數(shù)隨時間而變化，從而使得出的調(diào)頻波形的頻譜在聲波信號電平增高、持續(xù)和衰變過程中變化。改變最終聲波波幅通常采用包絡函數(shù)，但Chowning將包絡函數(shù)加到調(diào)制波形來改變所產(chǎn)生聲波頻譜的時間。
Yamaha OPLII可以容許兩個音響合成操作器(operator)組合得使其中一個操作器調(diào)制從另一操作器出來的正弦波輸出在一個加法器中混合起來。YM262型的Yamaha OPLIII使四個操作器可按四種方式之一組合。
在第一種情況下，四個操作器串聯(lián)連接，第一操作器(例如“A”)調(diào)制第二操作器(例如“B”)的正弦波，第二操作器調(diào)制第三操作器(例如“C”)的正弦波，第三操作器調(diào)制第四操作器(例如“D”)的正弦波后將其輸出。這種第一組合的輸出(“Q(t)”)，可用下列數(shù)學式(1)表示I3sin(w3t＋I2sin(w2t＋I1sin(w1t＋I0sin(w0t)))).(1)在第二種情況下，兩個操作器(例如“A”和“C”)分別連接得使其調(diào)制另兩個操作器(例如“B”和“D”)的正弦波形，再將該兩串正弦波形在加法器中混合起來。此第二組合的輸出(“Q(t)”)可用(2)式所示的數(shù)學式表示
在第三種情況下，第一操作器(例如“A”)加到其它三個操作器(例如“B”、“C”和“D”)串的輸出端。此第三組合的輸出可按(3)式所示的數(shù)學式表示I3sin(w3t＋I2sin(w2t＋I1sin(w1t)))＋I0sin(w0t).(3)在第四種情況下，第一操作器(例如“A”)加到其它兩操作器串(例如“B”和“C”)的輸出端。此第四組合輸出(“Q(t)”)可用數(shù)字式(4)表示I3sin(w3t)＋I2sin(w2t＋I1sin(w1t))＋I0sin(w0t).(4)組合如此四個操作器的方法通常采用若干多路調(diào)制器將四個操作器的某些輸入和輸出轉換成(1)-(4)式表示的四種構型。為了更好地利用四個操作器的音響合成能力，需要一個更靈活組合四個操作器的方法。
因此，本發(fā)明的目的是提供利用四個操作器進行音響合成的一種方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種履行單一主算法的電子電路，該主算法具有足夠的輸入?yún)?shù)來基本上表示所要求的所有音調(diào)方案。
簡單說來，本發(fā)明的四操作器電路的實施例包括第一至第四音響合成操作器；第一可編程的乘法器，將第一操作器的輸出端連接到第二操作器的輸出端；第二可編程的乘法器，將第二操作器的輸出端連接到第三操作器的輸入端；第三可編程的乘法器，將第三操作器的輸出端連接到第四操作器的輸入端；第四可編程乘法器，將第一操作器的輸出端連接到一個四輸入端加法器的第一輸入端；第五可編程的乘法器，將第二操作器的輸出端連接到所述四輸入端加法器的第二輸入端；第六可編程的乘法器，將第三操作器的輸出端連接到所述四輸入端加法器的第三輸入端；和第七可編程的乘法器，將第四操作器的輸出端連接到所述四輸入端加法器的第四輸入端。組合結果從四輸入端加法器的輸出端提取。各可編程的乘法器可編程得使其乘以從0到1，例如0、1/2和1。
本發(fā)明的好處是，提供了一種只用一個電路就能產(chǎn)生基本上所有要求的音調(diào)方案的音頻發(fā)生器。
本發(fā)明的另一個好處是提供了一種能在音頻產(chǎn)生過程中修正音色的隨時間變化的倍乘系數(shù)。
本技術領域的一般技術人員在閱讀下面就各附圖中所示的最佳實施例所作的詳細說明之后肯定會清楚了解本發(fā)明的上述和其它目的和優(yōu)點的。


圖1是音頻發(fā)生器系統(tǒng)連同四個類似圖2所示的操作器和方框圖。
圖2是一般操作器的原理圖。
圖1中，音頻發(fā)生器10有一個參數(shù)控制器(PC)12與音調(diào)合成電路13相連接。音調(diào)合成電路13有好幾種功能中作為硬件或軟件加以實施。因此圖1中和音調(diào)合成電路13在軟件的情報況下表示流程圖，在硬件的情況下表示功能方框圖。音調(diào)合成電路13能產(chǎn)生數(shù)學式如下面的(5)式所示的輸出信號“Q(t)”A3I3sin(w3t＋B2I2sin(w2t＋B1I1sin(w1t＋B0I0sin(w0t))))＋A2I2sin(w2t＋B1I1sin(w1t＋B0I0sin(w0t)))＋A1I1sin(w1t＋B0I0sin(w0t))＋A0I0sin(w0t). (5)音調(diào)合成電路13能用四個操作器進行計算，它包括第一操作器(OP0)14、第二操作器(OP1)16、第三操作器(OP2)18、第四操作器(OP3)20、相位發(fā)生器22、四輸入端加法器24和輸出放大器26。雖然圖1中示出的是四個硬件操作器(14、16、18和20)，但采用單個時分操作器也可取得良好的效果。乘法器28((5)式中用“B0”表示)將OP014的輸出端連接到OP1 16的輸入端，且由來自PC 12的信號MOD1控制。乘法器30(5)式中用“B1”表示)將OP1 16的輸出端連接到OP2 18的輸入端，且由來自PC 12的信號MOD2控制。乘法器32((5)式中用“B2”表示)將輸出端連接到OP3 20的輸入端，且由來自PC 12的信號MOD3控制。OP0 14的輸出端通過受來自PC 12的信號OUTL0控制的乘法器34((5)式中用“A0”表示)向外連接到四輸入端加法器24上。OP1 16的輸出端通過受來自PC 12的信號OUT LI控制的乘法器36((5)式中用“A1”表示)向外連接到四輸入端加法器24上。OP2 18的輸出端通過受來自PC 12的信號OUTL2控制的乘法器38((5)式中用“A2”表示)向外連接到四輸入端加法器24上。OP3 20的輸出端通過受來自PC 12的信號OUTL3控制的乘法器40((5)式中用“A3”表示)向外連接到四輸入端加法器24上。
乘法器28、30、32、34、36、38和40的結構給各操作器14、16、18和20在放大器26的輸出端進行的最終計算中的混合和加權操作帶來了很大的靈活性。
每一個調(diào)制乘法器28、30和32和每一個輸出乘法器34、36、38和40都連接得使其可以接收來自參數(shù)控制器0至1范圍的控制信號。乘法器中采用許多不同的方法進行相乘，例如，布爾算法，華萊士(加法)樹、和在運用記錄領域中相加等。
用以控制各乘法器的參數(shù)可以隨時間而變化，以便在律音中改變音色。舉例說，各參數(shù)可以成直線上升。從而使(1)式音調(diào)與(2)式音調(diào)之間產(chǎn)生滑動現(xiàn)象，以便將音色轉移到音律的信號電平增高與持續(xù)之間。此外還可以控制乘法器使其與奏樂者敲擊接PC 62的鍵盤42上的鍵所使用的速度或壓力成正比，這樣做有好處。
用圖1所示合乎(5)式要求的電路可以例如在PC 12取下列設定值合成(1)-(4)式所表示的樂音和電子音響和音調(diào)

還可進行四個以上操作器的組合，這時可能得出7個值A3、A2、A1、A0、B2、B1和B0的二進制組合。此外還可以給七個值中每一個取0與1之間的值來獲得更多的組合。
圖1的操作器OP0 14、OP1 16、OP2 18和OP3 20并不局限于圖1和圖2所示的操作器，一般的操作器也可同樣獲得良好的效果，按圖1所示的方式組合任意數(shù)目的操作器也可以產(chǎn)生其它音頻效應。
圖2示出了曾用作圖1的各操作器14、16、18和20的操作器50。不然也可以將單一操作器50時分多路調(diào)制，起所有四個分立的操作器14、16、18和20的作用。一般的操作器最起碼的組成應包括一個加法器、一個波形發(fā)生器和一個乘法器。操作器50包括與第一乘法器54連接的第一加法器52、第二加法器56、波形發(fā)生器58、第二乘法器60和鎖存器62?？偩€64接收表示輸入(in1)的數(shù)字并行字?？偩€66接收表示第二輸入(in2)和另一個數(shù)字并行字。各總線64和66一般是12位元寬，但其它字寬也同樣行。舉例說，第一加法器52的計算結果經(jīng)第一乘法器54相乘1/2就得出12位元。令數(shù)字字向最低有效位移位一個位元實際上就是乘上1/2(除以2)?？偩€68用以往第二加法器56中輸入表示地址相的數(shù)字并行字。數(shù)字并行地址在第二加法器56工作時輸出到波形發(fā)生器58。
波形發(fā)生器58可采用只讀存儲器(ROM)。舉例說，整個或一部分純正弦波形可編程得使其輸入ROM中，從而在用數(shù)字表示的輸出值“sinY”中得出輸入地址“Y”?；蛘卟ㄐ伟l(fā)生器也可以不裝任何存儲器而可以加上布爾邏輯來產(chǎn)生調(diào)制波形。在集成電路上采用加法器和標準單元門技術制取如此無存儲器的波形發(fā)生器是切合實際的。為產(chǎn)生全部要求的波形的諧和音，最好令波形發(fā)生器58能產(chǎn)生四個全是帶正弦波四分之一相位的和零波雙相位的雙相。接著可以依次讀取所有四分之一相位產(chǎn)生整個周期的每一個所要求的波形。
波形發(fā)生器58的并行數(shù)字輸出字加到第二乘法器60上。舉例說，第二乘法器60可采用運行記錄領域的加法器或移位器將波形發(fā)生器58的數(shù)字輸出字向左或向右移若干位，這個過程由表示總線70上通用倍乘系數(shù)(B)的數(shù)字并行字控制。時鐘線72使異步進行的計算通過鎖存器62在每一個周期同步時鐘輸出一次。這種設計與狀態(tài)機類似，使現(xiàn)階段的計算結果在鎖存之前確定下來，然后在下一個時鐘周期的下一個階段再使用。
雖然本發(fā)明是就目前認為最佳的實施例進行說明的，但不言而喻，本發(fā)明并不局限于這里所公開的內(nèi)容。在閱讀上述公開內(nèi)容之后，本技術領域的一般技術人員毫無疑問是可以進行種種更改和修改的。因此，本說明書所附的權利要求書應視為包括所有的更改和修改方案，因為這些方案都在本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種產(chǎn)生復合波形的方法，包括下列步驟將多個音響合成操作器(I0…In)的第一個操作器(I0)的輸出乘上一個乘數(shù)系數(shù)(B0)，得出的乘積(I0B0)用以調(diào)制所述音響合成操作器(I0…In)的第二個操作器(I1)；將多個音響合成操作器(I0…In)的第二個操作器(I1)的輸出乘上一個乘法系數(shù)(B1)，得出的乘積(I1B1)用以調(diào)制所述音響合成操作器(I0…In)的第n個操作器(In)；將所述多個音響合成操作器(I0…In)的每一個所述輸出乘上各多個獨立乘數(shù)值(A0…An)，得出多個乘積(I0A0…InAn)；將所述多個乘積(I0A0…InAn)加起來，得出合成音調(diào)輸出。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于第三步驟中各所述輸出乘上的所述乘數(shù)值(A0…An)隨時間而變化；第一和第二步驟中輸出乘上的乘數(shù)系數(shù)(B0和B1)隨時間變化。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于第三步驟中各所述輸出乘上的所述乘數(shù)值(A0…An)與奏樂者通過參數(shù)控制器使用在所述多個音響合成操作器相連接的鍵盤的速度或壓力成正比變化；第一和第二步驟中輸出乘上的所述乘數(shù)系數(shù)(B0和B1)隨奏樂者在所述鍵盤上所使用的速度或壓力成正比地變化。
4.一種用四個音響合成操作器產(chǎn)生復合波形的方法，包括下列步驟將所述四個音響合成操作器(I0…I3)的第一操作器(I0)乘上乘數(shù)系數(shù)(B0)，得出的乘積(I0B0)用以調(diào)制所述音響合成操作器(I0…I3)的第二操作器(I1)；將所述四個音響合成操作器(I0…I3)的第二操作器(I1)乘上乘數(shù)系數(shù)(B1)，得出的乘積(I1B1)用以調(diào)制所述音響合成操作器(I0…I3)的第三操作器(I2)；將所述四個音響合成操作器(I0…I3)的所述第三操作器(I2)乘上乘數(shù)系數(shù)(B2)，得出的乘積(I2B2)用以調(diào)制所述音響合成操作器(I0…I3)的第四操作器(I3)；將每一個所述四個音響合成操作器(I0…I3)乘上各多個獨立乘數(shù)值(A0…A3)，得出多個乘積(I0A0，I，A1，I2A2和I3A3)；將各所述多個乘積(I0A0，I，A1，I2A2和I3A3)相加，得出合成音調(diào)輸出。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于第四步驟中各所述輸出乘上的乘數(shù)值(A0…An)隨時間而變化；且第一至第三步驟中輸出乘上的乘數(shù)系數(shù)(B0…B2)隨時間變化。
6.如權利要求4所述的方法，其特征在于第四步驟中各所述輸出乘上的乘數(shù)值(A0…An)隨奏樂者通過參數(shù)控制器使用在所述多個音響合成操作器連接的鍵盤上的速度或壓力成正比地變化；且第一至第三步驟中輸出乘上的所述乘數(shù)系數(shù)(B0…B2)與奏樂者在所述鍵盤上使用的速度或壓壓力成正比地變化。
7.一種四操作器的音響合成器，包括第一至第四音響合成操作器；第一可編程的乘法器，將第一操作器的輸出端連接到第二操作器的輸入端；第二可編程的乘法器，將第二操作器的輸出端連接到第三操作器的輸入端；第三可編程的乘法器，將第三操作器的輸出端連接到第四操作器的輸入端；第四可編程的乘法器，將第一操作器的輸出端連接到四輸入端加法器的第一輸入端；第五可編程的乘法器，將第二操作器的輸出端連接到四輸入端加法器的第二輸入端；第六可編程的乘法器，將第三操作器的輸入端連接到四輸入端加法器的第三輸入端；第七可編程的乘法器，將第四操作器的輸出端連接到四輸入端加法器的第四輸入端；其特征在于，從四輸入端加法器的輸出端提取組合結果。
全文摘要
一種四操作器音響合成集成電路，具有第一至第四音響合成操作器，第一、二、三操作器的輸出端分別由第一、二、三可編程的乘法器連接到第二、三、四操作器的輸入端，第一、二、三、四操作器的輸出端分別第四、五、六、七可編程的倍增器連接到四輸入端加法器的第一、二、三、四輸入端。組合結果從四輸入端加法器的輸出端提取。各可編程的倍增器可編程得使其倍增率從0到1，例如0、1/2和1。
文檔編號G10H5/00GK1133466SQ9511515
公開日1996年10月16日 申請日期1995年9月13日 優(yōu)先權日1994年9月13日
發(fā)明者小·R·N·皮爾斯 申請人:Ess技術公司