Digital Noise - Der digitale Rauschgenerator

Völlig andere Klänge als ein VC-Oszillator liefert der Rauschgenerator. Wie der Name schon schon sagt, liefert er keine Töne, sondern ein bestimmtes Geräusch, das man Rauschen (engl. Noise) nennt. Es wird in der Synthesizertechnik dafür verwendet um Effekte zu erzeugen, die sich wie Wind, Meeresrauschen, Regen oder Donner anhören.

Enthällt das Rauschen alle hörbare Frequenzen, dann spricht man von vom weißen Rauschen. Dieses steht an der “White”-Buchse zur Verfügung.

Das “colorierte” Rauschen enthällt nur alle Frequenzen in dem Frequenzband von 100Hz bis 1kHz. Diese wird durch filterung des weißen Rauschens erreicht. Dieses Rauschen kann an der Buchse “colored” entnommen werden. Da im Rauschen (fast) alle Frequenzen vorhanden sind, kann man durch filtern mit einem VCF viele interessante Klangfarben entstehen lassen.

Das VLF Rauschen ist eine ist ein sehr langsame Zufallsfrequenz. Es handelt sich also um ein Rauschen, das “fast” nicht mehr hörbar ist. Das VLF Rauschen ist also, ein “Zufallssigal”, das für alle CV Steueraufgaben sehr gut verwendet werden kann. Es handelt sich hier also um eine gute Alternative zum LFO.

Das Modul:

Bei dem hier beschrieben Modul ist das Rauschen durch einen Digitales Schieberegister. Es gibt auch andere Lösungen, wie daß in Sperrrichtung schalten von Transitoren. Diese Funktionsprinzip wird z.B. beim Analogen Noise Module angewendet.

Die verwendete Schaltung stammt aus dem Formant Erweiterungsbuch. Die Platine ist identisch mit dem Formant Layout, wurde aber ein wenig gekürzt, um den Platz besser auszunutzten. Zum Anschluß an den Synthesizerbus wird ein Adapter verwendet.

Hier gibt es zwei schöne Audio-Beispiele, bei denen ein Sturm mittels Noise-Generator und einem Tiefpassfilter simmuliert wird. Der VCF wird verwendet um die Windstärke und Richtung zu erzeugen.

Audiobeispiel “Wind 1″ (MP3)
Audiobeispiel “Wind 1″ (MP3)

Quelle: MSC175-Projekt

Die Sprachsynthese - Die Erschaffung einer künstlichen Stimme

Erst in den dreißiger Jahren des letzten Jahrhunderts gelang es Homer Dudley, auf elektronischem Wege eine synthetische Sprache zu erzeugen. Er nannte sein Gerät Vocoder, was die Abkurzung des englischen Ausdrucks “voice” und “coder” ist (Stimmcodierer).

Da für die Bedienung und Benutzung eines solchen Geräte, das Wissen über die Funktion und den Aufbau unverzichbar ist, werden im folgenden alle wichtigen Details besprochen. Leider handelt es sich hierbei um physikalische/naturwissenschaftliche Grundlagen. Diese sind jedoch umbedingt erforderlich .

Da es in diesem Artikel um die Sprachsynthese geht, fangen wir mit der menschlichen Stimme an.

Die Menschliche Stimme

Unter den verschiedenartigen menschlichen Lauten gibt es zwei Hauptgruppen oder Stimmarten: stimmhafte Laute wie a, e, i. o, u und stimmlose oder Zischlaute wie f, sch, z. Bei den stimmhaften Lauten unterbrechen die Stirnmbändchen im Kehlkopf periodisch den Luftstrom der Luftröhre und erzeugen dabei dreieckförmige Schwingungen. Die Frequenz bestimmt die musikalische Tonhöhe des stimmhaften Lautes. Die normalen Stimmlagen bei Männer und Frauen umfassen den Bereich von etwa 90 Hz bis 400 Hz.

Die Schwingungen des Kehlkopfes enthalten neben der Grundschwingung noch viele harmonische Oberschwingungen bis über 4 kHz. Die Mund-, Nasen-und Rachenhohlräume stellen ein Filter dar, das bestimmte Frequenzbereiche selektieren und den typischen Spektralverlauf der einzelnen stimmhaften Laute formen.

Bei stimmlosen Lauten schwingen die Stimmbänder nicht, sondern lassen den Luftstrom ungehindert passieren. Die Zischlaute sind Windgeräusche, die durch das Vorbeiströmen der Luft an Gaumen, Zunge, Zähnen und Lippen entstehen. Ihnen entsprechen gefilterte Rauschspektren mit ebenfalls typischen Hüllkurven für die einzelnen stimmlosen Laute.

Die zweit Hauptfunktionsblöcke eines Vocoders

Jeder Vocoder besteht aus einem Analyse- und einem Syntheseteil.

Die Analyse :

Die Analyse ermittelt aus dem eingespeisten Sprachsignal Steuersignale. Diese werden in einer geeigneten Form übertragen und steuern im Syntheseteil eine elektronische Nachbildung des menschlichen Sprechorgans, die eine künstliche Sprache liefert.

Die Analyseseite besteht normalerweise aus zwei Blöcken, der Spektralanalyse und der Stimmartanalyse.

Die Spektralanalyse ermittelt den jeweiligen spektralen Kurvenverlauf der Sprechlaute. Sie liefert eine grössere Anzahl von Steuersignalen, die Zuordnungen für die Stellungen der Mund-, Nasen- und Rachenfilter darstellen.

Die Stimmartanalyse stellt fest, ob die Stimmbänder schwingen oder ob sie den Luftstrom ungehindert passieren lassen. Es wird also zwischen stimmhaft oder stimmlos Laut unterschieden. Der Ausgang der Stimmartanalyse liefert ein Ja/Nein-Signal für die Funktionsart des Kehlkopfes.

Bei einigen Vocodern gibt es noch eine dritte Analyseeinheit. Sie sucht aus dem Sprachsignal die Grundwelle heraus und liefert die Grundfrequenz des Stimmbändchensignals.

Die Synthese

Der Syntheseteil besteht auch aus zwei einzelnen Funktionsblöcken, der Spektralsynthese und dem Stimmgenerator.

Aus den Spektralwerten und dem Stimmsignal erzeugt die Spektralsynthese und der Stimmgenerator das synthetische Sprachsignal. Die Spektralsynthese und der Stimmgenerator stellt somit eine Nachbildung der menschlich Stimmorgane dar.

Die Spektralsynthese erhällt den jeweiligen spektralen Kurvenverlauf der Sprechlaute als Steuersignale von der Analyseeinheit. Mit diesen Steuersignalen werden Filter gesteuert, die die Zuordnungen für die Stellungen der Mund-, Nasen- und Rachenfilter simulieren.

Die Stimmart bestimmt die Art des Signals im Stimmgenerator. Das ist bei stimmlosen Lauten ein Rauschen und bei stimmhaften Lauten eine Dreieckwelle mit einem geeigneten Obertonspektrum.

Funktionsprinzip eines Vocoders

Die Analyse

Das vom Microfon kommende Sprachsignal gelangt über einen Eingangsverstärker an einen Satz von Bandfiltern, die sogenannte Filterbank. Jedes der Kanalfilter analysiert einen kleinen Bereich des Sprachbandes. Die Zahl der Filter von Vocodern reicht von etwa 10 bis hin zu 24. Mit der Anzahl der Kanäle erhöht sich die Genauigkeit der Analyse und damit die Wiedergabequalität aber auch der entsprechende Schaltungsaufwand.

Die Spektralanalyse

Das Sprachsignal wird also in viele Bänder unterteilt, die dann jedes für sich analysiert wird. Am Beispiel das “a” : Im Bereich von 500 Hz bis 1000 Hz sind viele kräftigen Formanten. Es werden also in allen Bändern, die diesen Bereich umfassen ein Analysesignal gebildet. Dieses geschiet durch eine Gleichrichtung und durch die Beseitigung der negativen Halbwelle. Aus diesem Signal wird eine Hüllkurve gebildet, die an den Ausgangsbuchsen der Syntheseeinheit zur Verfügung steht. Die Syntheseamplituden und Hüllkurvenformen enthalten die Informationen, die es ermöglichen die Sprache später zu synthetisieren. Je mehr Bänder man hat, umso mehr Analysesignale hat man auch.

Die Stimmartanalyse

Für die bereits genannte Stimmartanalyse gibt es mehrere Verfahren. Die meißten beruhen auf einer Amplitudenauswertung des Sprachspektrums.

Die Stimmartanalysen nutzen aus, dass sich die spektrale Verteilung bei den beiden Stimmarten deutlich unterscheidet. Stimmhafte Laute haben im Frequenzbereich bis 1,5 kHz immer deutlich höhere Pegel als im Bereich über 4 kHz, bei stimmlosen Lauten ist es genau umgekehrt.Diese Schaltung funktioniert sehr zuverlässig, wenn ein breitbandiges Sprachsignal anliegt, was in dem vorliegenden Anwendungsfall leicht erfüllbar ist.Es steht also ein Synthesesignal zu verfügung gestellt, daß nur die zwei Zustände, stimmhafte und stimmlose Laute, dargestellt.

Die Synthese

Die Synthese ist die Umkehrung der Analyse.

Die Spektralsynthese

Die Spektralsyntheseeinheit besteht aus der selben Anzahl von Filtern mit den gleichen Frequenzen wie in der Analyseeinheit. Jedes dieser Filter ist ein Verstärker nachgeschaltet, der durch eine Steuerspannung in der Verstärkung variabel ist. Wenn jetzt die Analysehüllkurven der Analysekanäle die VCAs der Syntheseeinheit steuern, ist bereits die charakteristische Amplitudenmodulation der Sprachgrundfrequenzgegeben gegeben. In einer anschliessenden Additionsschaltung entsteht aus den Teilbändern aller Kanäle das vollständige, synthetischen Sprachsignal. Der Mensch versteht die synthetische Sprache gut, da die wichtigen Formanten mit genügender Genauigkeit erhalten sind.

Die Stimmarterzeugung

Üblicheweise arbeitet ein Vocoder immer mit einer dreieckförmige Schwingungen Signal von etwa 90 Hz bis 400 Hz für die stimmhaften Laute.Der interne Rauschgenerator dagegen eignet sich gut zur Erzeugung des stimmlosen Ersatzsignals. Die automatische Umschaltung erfolgt durch das Analysesignal der Stimmartanalyse.

Quelle: MSC175-Projekt

HALLSPIRALEN

Der Geberspule wird über einen Verstärker angesteuert und regt damit die Geberseite der Feder zum Schwingen an. Die Schwingung pflanzt sich auf der Feder fort und kommt mit einer kleinen Verzögerung am anderen Ende der Feder an. Dort nimmt die zweite Wandlerspule (Nehmerspule) die Schwingung auf und wandelt sie wieder in ein elektrisches Signal um. Dieses Signal und auch das der Schwingungen die noch einige Zeit auf der Feder hin und her wandern, werden dem Originalsignal zugemischt, und so entsteht der typische “Federhall”. Die Verzögerung wurde also “mechanisch” erzeugt, und nicht wie heute “elektronisch”.Praktisch lassen sich damit Verzögerungen von einigen 10 ms und Nachhallzeiten von einigen Sekunden erreichen.

Hier noch ein paar Bilder von den Nehmer- und Geberspulen und von den Spiralen. Zuerst die Version mit zwei Spiralen:

Die zwei Hallspiralen sind gut zu sehen. Nicht gut zu sehen ist, daß die beiden Spiralen unterschiedliche Windungszahlen haben. Es werden also auch zwei unterschiedliche lange Verzögerungen erreicht.

Und hier die Bilder von der Version mit drei Spiralen zu sehen. Es handelt sich hierbei auch um die hochwertigere Ausführung, was sich schon durch die drei Spiralen zeigt. Hier wieder schon die Geber- und Nehmerspulen und die Verbindung zu den Spiralen. Und hier ist auch schön zu sehen die unterschiedliche Windungszahl aller drei Spulen. Es werden also drei unterschiedliche Verzögerungern erreicht. Noch nicht mitgrechnet die Reflexionen.

Hier die drei Spriralen mit einer Besonderheit. Um den Klang zu verbesseren und unerwünschte Reflexionen zu unterdrücken wurden die Spiralen zweiteilig ausgeführt. Die Beiden Spiralen sind jeweils “gegensinnig” gedreht und in der Mitte mit einem Ring verbunden.

Neben dem Vorteil des einfachen und damit preiswerten Aufbaus hat das elektro-mechanische Federsystem auch diverse unerwünschte Eigenschaften, die aber den Typischen klang ausmachen:

• Hallspiralen sind erschütterungs- , luftschall- und körperschallempfindlich. Um unerwünschte Nebengeräusche zu minimieren, werden die Federn in einem Hilfsrahmen aufgehängt, der seinerseits schwingend in einem Hauptrahmen aufgehängt ist (Entkopplung).
• Das Übertragungsverhalten ist je nach Bauweise mehr oder weniger resonant.
• Es gibt keine Parameter, die variiert werden können. Lediglich die Beimischung des Hallanteils zum ursprünglichen Signal lässt sich in einer Mischstufe einstellen
• Die Verzögerung auf der Feder ist konstant, was den Hall mehr oder weniger unnatürlich klingen lässt. Es werden daher zwei oder drei Federn mit unterschiedlicher Verzögerung parallel aufgehängt.
• Signalimpulsen kann das Federsystem aufgrund seiner Trägheit nicht folgen, so dass ein charakteristisch schepperndes Geräusch entsteht.
• Es kommt zu Klangverfärbungen.
• Durch die Kombination mehrerer Federn mit unterschiedlichen Eigenschaften kann das Übertragungsverhalten (der Klang) beeinflusst werden.
• Der Eingangs- und Ausgangsverstärker kann durch eine bestimmte Auslegung störende Resonanzen in begrenztem Umfang ausfiltern.
• Die elektromagnetischen Wandler sind anfällig für Einstreuungen von elektrischen und magnetischen Feldern, die sich als Nebengeräusche bemerkbar machen.
• Längerer Verzögerungszeit können nur durch Federlängen erreicht werden, und der platz ist natürlich begrenzt.

Und wer noch so eine Hallspirale zuhause findet sollte sich mal die folgende Schaltung mal genaue ansehen. Mit wenigen Bauteilen kann man damit ein Hallgerät aufbauen. Den Schaltplan gibt es hier.

Quelle: MSC175-Projekt

SOUNDCHIPS

Unter dem Begriff SOUNDCHIP versteht man einen Baustein zur Klangerzeugung in den frühen Computern der 80er und in Spielautomaten/konsolen die mindestens über einen D/A-Wandler und eine Schnittstelle zum restlichen System (8Bit)verfügt.

	In den 1980er Jahren wurden SOUNDCHIPS in Heimcomputern wie dem C64 verbaut. Hier war es der SID-CHIP der wahrscheinlich maßgeblich zum dem riesigen Erfolg das C64 begetragen hat. Der SID CHIP gilt heute als bester Soundchip der 8-Bit-Ära. Aber auch bei ATARI wurden SOUNDCHIPS verbaut. Hier war es der YM2149/AY-3-8910 der auch in Spielkonsolen und Spielautomaten bis in die 80er Jahre rege Verwendung gefunden hat. Heute sind SOUNDCHIPS durch die PC Technik nicht mehr aktuell. Der Yamaha YM3812 ist ein FM Synthesizer, und wurde auf den Uralten Soundblaster Soundkarten verwendet.Eine erweiterte Version des OPL2, der OPL3 alias YMF262, fand seinen Einsatz ab der Soundblaster Pro 2.0 und weitere Verbreitung in deren Nachfolgern wie der Soundblaster 16. Betrachten wir deshalb diese drei sehr unterschiedlichen SOUNDCHIPS und ihre Verwandten. Obwohl diese CHIPs definitiv nicht mehr hergestellt werden, ist die möglichkeit in den Besitz eines dieser Chips zu kommen sehr groß. Und im Folgenden soll gezeigt werden was so damals so ging und was man heute noch damit anfangen kann!

MOS6581

Der MOS Technology 6581 SID (Sound Interface Device) war ein Soundchip, der hauptsächlich in den Heimcomputern C64 von Commodore zum Einsatz kam. Er gilt als bester Soundchip der 8-Bit-Ära. Vom Byte Magazin wurde er 1995 in einer Liste der 20 wichtigsten Chips der Computergeschichte aufgeführt. Entwickelt wurde der SID von Bob Yannes, der später die Firma Ensoniq gründete.

Technische Eigenschaften :

• Hybridchip digital/analog
• 3 unabhängige Stimmen
• 4 teilweise kombinierbare digitale Wellenformen pro Stimme (Dreieck, Sägezahn, Rechteck mit einstellbarer Pulsbreite, Weißes Rauschen)
• Grundfrequenzen von 0 bis 4000 Hz
• Hohe Auflösung der Grundfrequenz von 16 Bit
• 3 kombinierbare analoge Filter (Tiefpass, Hochpass, Bandpass oder Notch Filter mit variabler
• Grenzfrequenz und variabler Resonanz), je Stimme einzeln zuschaltbar
  je Stimme einstellbare digitale Hüllkurve (ADSR)
• Gemeinsame analoge Lautstärkeregelung für alle Stimmen, 16 Lautstärken
• Je Stimme einzeln einschaltbare digitale Synchronisation der Stimme mit der jeweils nächsten
• Je Stimme einzeln einschaltbare digitale Ringmodulation von Dreieckswellen mit der jeweils nächsten Stimme
• Stimme 3 am Ausgang unterdrückbar
• eine externe analoge Stimme zumischbar und filterbar
• 2 einfache A/D-Wandler

Verwendet in folgenden Projekten : Poly-SID Synthesizer, SID-MODUL

8580 und 6582

Vom dem SID gibt es drei Versionen, die alte 6581 Version und die neueren HMOS-II Versionen 8580 und 6582. Dieser Chip wurde überwiegend im C128 verbaut und sollte eine verbesserte Version des 6581 Chips sein. Unterschiedlich sind sie auf jeden Fall !!!

Dieser CHIP ist Pin- und Registerkompatibel zum 6581 SID. Nur die Spannungsversorgung ist 9V und nicht 12V. Ein einfacher austausch des Chips ist also tödlich! Also immer die Spannung von 12V auf 9V ändern.

Der 6582 wurde nie in einem C64 oder C128 verkauft aber teilweise als Ersatz für defekte 8580 verwendet, da er, genau wie der 8580, mit 9V Spannung läuft im Gegensatz zum älteren 6581, der 12V benötigt. Auch von dem 8580 wurden diverse Versionen hergestellt. Auf dem Aufdruck ist das R5 zu sehen, also Version 5.

Die technischen Eigenschaften entspechen denen des 6581 und so soll hier nur auf die “echten” Unterschiede geschaut werden.

Verwendet in folgenden Projekten : Poly-SID Synthesizer, SID-MODUL

AY-3-8910, AY-3-8912, AY-3-8913, AY-3-8914

Der AY-3-8910 ist ein sehr erfolgreicher Soundchip, der von General Instrument in den frühen 80-er Jahren entwickelt wurde.

Der Chip befindet sich in den meisten der frühen Arcade-Spielen (Crazy Kong, Frogger, Moon Patrol, Kung-Fu Master, Tron, Burgertime ,..), aber auch in einigen Homecomputern, so auch im Amstrad CPC / Schneider CPC (AY-3-8912), Mattel Intellivision (AY-3-8914 Sound), Vectrex (AY-3-8912) und ZX Spectrum 128K (AY-3-8910).

Der SOUNDCHIP wird über Register gesteuert, wobei die Hauptarbeit der Klangerzeugung vollständig autonom ausgeführt wird und keine zusätzliche Prozessorleistug erfordert. Jeder der insgesamt drei Tonkanäle kann nur Rechtecksignale mit jeweils eigener Frequenz erzeugen, der Rauschkanal kann einem oder mehreren dieser Rechtecksignale beigemischt werden. Jeder Kanal hat eine eigene Lautstärkeregelung und für alle Kanäle gibt es global eine Hüllkurve mit wählbarem Verlauf und einstellbarer Frequenz.

Die Standardversion (AY-3-8910) hatte ein DIL-40 Gehäuse, während die anderen Varianten (AY-3-8912) nur 28 Anschlüsse oder sogar nur 24 Pins haben(AY-3-8913). Verzichtet wir auf I/O-Ports, die zur Klangerzeugung nicht ferwendet werden. Hergestellt werden diese ganzen Chips nicht mehr!!!!!!

Hier gibt es ein Datenblatt vom AY-3-8910.

YM2149

Der YM2149 ist ein lizensiere Version des AY-3-8910 aus dem Hause Yamaha. Als Soundchip des ATARI ST ist er zu Ruhm gekommen und auch heute noch am häufigsten anzufinden.

Hier gibt es ein Datenblatt vom YAMAHA YM2149F.

WF19054

Der WF19054 ist ein lizensiere Version des AY-3-8910 aus dem Hause Winbond. Nicht so häufig anzutreffen, und deshalb gibt es (hier) auch kein Datenblatt.

YM3812

Der Yamaha YM3812 auch bekannt als OPL2 (OPL ist eine Abkürzung für FM Operator Type-L) ist ein Soundchip bzw. integrierter Schaltkreis, hergestellt von der Yamaha Corporation und ist bekannt für seine weite Verbreitung in Soundkarten für den IBM-PC, z. B. AdLib und Soundblaster.

Er ist abwärtskompatibel zum OPL1 alias YM3526, dem er sehr ähnlich ist (Der OPL1 fand Verwendung in Soundkarten für die MSX Computer.). Eigentlich wurden nur drei neue Wellenformen hinzugefügt. Eine erweiterte Version des OPL2, der OPL3 alias YMF262, fand seinen Einsatz ab der Soundblaster Pro 2.0 und weitere Verbreitung in deren Nachfolgern wie der Soundblaster 16. Er unterstützt Stereosounds und kann in verschiedenen Modi bis zu sechs Stimmen mit vier Operatoren erzeugen, außerdem wurden noch einmal vier Wellenformen hinzugefügt. Weiterhin gibt es noch den OPL4, er ist abwärtskompatibel zu OPL3 und OPL2, wurde aber um Wavetable-Synthese erweitert.

Die Schaltung hatte 244 verschiedene Register zum Beschreiben. Sie kann neunstimmigen Sound ausgeben, jede Stimme („Kanal“) erzeugt durch zwei Oszillatoren. Jeder Oszillator kann Sinuskurven produzieren, welche in drei andere Wellenformen verwandelt werden können – der negative Anteil der Schwingung kann stummgeschaltet oder invertiert und auch Pseudo-Sägezahnschwingungen (1/4 Sinusschwingung aufwärts mit stummen Bereichen dazwischen) konnten erzeugt werden. Diese ungewöhnliche Art, Wellenformen zu erzeugen geben dem YM3812 einen charakteristischen Klang. Jeder der Wellen-Generatoren hat seinen eigenen ADSR-Hüllkurvengenerator. Seine Hauptfunktion, Töne zu erzeugen, ist die frequenzmodulierte Synthese – wobei pro Kanal einer der beiden Oszillatoren den anderen moduliert.

Es folgt eine Übersicht der Register eines Kanals:

Für den gesamten Kanal:

Hauptfrequenz (10 bits)
Octave (3 bits)
Note an/aus
Synthese-Modus (FM oder einfach additiv)
Rückkopplung (0-7, wobei sich der Modulator selbst moduliert)
Für jeden der beiden Oszillatoren:

Frequenz-Faktor (kann auf 1/2, 1 bis 10, 12 oder 15 gesetzt werden)
Wellenform (Sinus, Halbsinus, Sinus-Betrag oder Säge-Sinus)
Lautstärke (0-63)
Attack, Decay, Sustain, Release (je 4 bit, logarithmisch)
Tremolo (an oder aus)
Vibrato (an oder aus)
Sustain (an oder aus)
Hüllkurven-Skalierung pro Taste (an oder aus)
Lautstärke-Skalierung pro Taste (0-3)
Einige Parameter können auch für den gesamten Chip eingestellt werden:

Vibrato depth
Tremolo depth
Schlagzeug-Modus (benutzt drei Kanäle, um fünf Schlagzeugtöne zu erzeugen, seltsam)
Composite Speech Mode (alle Operatoren stehen gleichzeitig zur Verfügung; vorgesehen für Sprachsynthese, wurde aber praktisch nie genutzt und ist im OPL3 nicht enthalten (die einzige Inkompatibilität zwischen OPL2 und OPL3))

Hier gibt es ein Datenblatt vom YAMAHA YM3812

Quelle: MSC175-Projekt

Die Klangsynthese

Quelle: MSC175-Projekt