Klangerzeugung mit digitalen Steuerdaten

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Wiedergabe von Klangereignissen, insbesondere Musik, bei welchem wenigstens ein analoges elektrisches Basissignal erzeugt wird.

[0002] Für die Wiedergabe von Klangereignissen, wie etwa Geräuschen, Klingeltönen für Mobiltelefone oder insbesondere eben auch Musik, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Dabei ist heutzutage allen Möglichkeiten gemein, dass sie auf elektrischen Signalen basieren, die durch elektroakustische Umwandlung bei einer Aufnahme des Klangereignisses erzeugt worden sind. Im einfachsten Fall sind die elektrischen Signale analog und repräsentieren den zeitlichen Verlauf der Schallwellen des aufzunehmenden Klangereignisses. Diese elektrischen Signale werden dann bei der Wiedergabe über einen elektroakustischen Wandler, insbesondere einen Lautsprecher wiedergegeben.

[0003] Dieses Verfahren hat zwar den Vorteil, dass bei genügender Bandbreite der elektroakustischen Wandler und ausreichender Empfindlichkeit derselben das akustische Signal ohne jeglichen Informationsverlust aufgenommen und insbesondere wiedergegeben werden kann, allerdings ist insbesondere die Speicherung analoger Daten problematisch. Hier kann es zu Datenverlusten oder zu Auslesefehlern kommen, die die Qualität der akustischen Wiedergabe stark beeinträchtigen.

[0004] Deshalb ist man bereits sehr früh, jedenfalls seit den 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts, dazu übergegangen, die analogen elektrischen Signale, die für ein aufgenommenes Klangereignis stehen, über einen A/D-Wandler zu digitalisieren und somit digitale Datensätze zu generieren, die unmittelbar das analoge elektrische Signal und damit das dahinterstehende Klangereignis repräsentieren. Durch diese Technik wurde es möglich, Musik auf digitalen Speichermedien zu konservieren, deren nach wie vor bedeutendstes Beispiel sicherlich die Compact Disk (CD) ist.

[0005] Der Nachteil von solchen das analoge Klangereignis unmittelbar repräsentierenden digitalen Datensätzen, die z.B. im wav-Format vorliegen können, ist deren enorme Datenmenge. Dies macht die Datensätze bei der Handhabung unhandlich und führt zu langen Übertragungszeiten.

[0006] Um hier jedenfalls im professionellen Bereich Abhilfe zu schaffen, wurde ebenfalls bereits zu Beginn der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts eine Möglichkeit entwickelt, bei der Klanginformationen nicht mehr unmittelbar in digitalen, das Klangereignis selbst repräsentierenden Daten übermittelt werden, sondern vielmehr in einem Datensatz aus Steuerdaten. Dieses Datenformat bzw. das dahinterstehende Verfahren wird als Musical Instrument Digital Interface (MIDI) bezeichnet. Bei MIDI werden in digitalen Datensätzen Steuerparameter zur Ansteuerung ebenfalls digitaler Klangerzeugungselemente übermittelt. Ursprünglich wurde MIDI bzw. das MIDI-Protokoll dabei dafür verwendet, digitale Synthesizer anzusteuern und so die Klangerzeugung zu beeinflussen. Hierfür enthält der Steuerdatensatz einer MIDI-Datei zu jedem einzelnen mit dem digitalen Klangerzeuger zu erzeugenden Ton bestimmte Befehle, z.B. ein Befehl "note-on", bei der ein digital erzeugter Ton eingeschaltet wird und "Velocity", der für die Anschlagstärke steht sowie "note-off", der für den Zeitpunkt des Ausschaltens des jeweiligen Tones steht.

[0007] Mit MIDI werden mithin nicht mehr die originären vollständigen Daten der so zu erzeugenden Klangereignisse konserviert, sondern lediglich ein im Datenvolumen erheblich kleinerer Steuerdatensatz. MIDI findet dabei heutzutage auch bei der Ansteuerung weiterer digitaler Instrumente, z.B. von Soundkarten in Computern und weiteren digitalen Geräten Anwendung.

[0008] Allerdings geschieht beim MIDI-Verfahren die eigentliche Klangerzeugung, also die Erzeugung eines elektrischen Signals, welches dann über einen elektroakustischen Wandler in ein akustisches Signal gewandelt wird, stets digital. Dabei entstehen gegenüber dem analogen Signal stets Informationslücken, so dass das so erzeugte Klangereignis gegenüber der realen Vorlage ein deutliches Maß an Informationsverlust und damit Qualitätsrückständen aufweist.

[0009] Hier soll mit der vorliegenden Erfindung angesetzt werden, indem ein Verfahren zur Wiedergabe von Klangereignissen angegeben werden soll, welches ähnlich wie beim bekannten MIDI-Verfahren einen deutlich reduzierten Datenumfang der für die Klangerzeugung relevanten Daten ermöglicht, ohne auf die an sich hinsichtlich der Informationsfülle und damit der Qualität der klanalichen Wiedergabe vorteilhafte Erzeugung analoger elektrischer Signale und deren analoge Bearbeitung bis zur Umwandlung in einem Elektroakustikwandler zu verzichten.

[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.

[0011] Der wesentliche Grundgedanke, in dem sich das erfindungsgemäße Verfahren auch substantiell und deutlich von dem vorbekannten MIDI-Verfahren unterscheidet, besteht darin, ein wiederzugebendes Klangereignis insgesamt aus einem Basissignal herauszuarbeiten. Erfindungsgemäß wird also zunächst wenigstens ein elektrisches analoges Basissignal erzeugt, aus dem dann ein das wiederzugebende Klangereignis repräsentierendes elektrisches Signal herausgearbeitet wird. Hierzu wird das Basissignal in einzelne Signalbestandteile aufgeteilt und diese einzelnen Signalbestandteile werden mit Signalformern in nicht linearer Weise bearbeitet, bis durch Zusammenfügen der einzelnen Signalbestandteile ein elektrisches Ausgangssignal erreicht wird, welches das wiederzugebende Klangereignis repräsentiert und nach Umwandlung über einen elektroakustischen Wandler entsprechend wiedergegeben werden kann. Von der bereits analogen Erzeugung des Basissignals aus findet die gesamte Bearbeitung dieses Signals bis zum Erhalt des das Klangereignis repräsentierenden und über den elektroakustischen Wandler umzusetzenden Ausgangssignals analog statt, so dass hier an keiner Stelle Informationsverluste aufgrund einer Digitalisierung erfolgen. Digital sind lediglich die Steuerdaten, die die eigentlichen Informationen hinsichtlich des Klangereignisses enthalten, nämlich Informationen dahingehend, wie über eine geeignete Aufteilung des Basissignals in die Signalbestandteile und Formung der so erhaltenen Signalbestandteile mittels der als Signalformer wirkenden elektrischen oder elektronischen Bauelemente, ein das Klangereignis enthaltendes elektrisches Signal geformt werden kann. Der Steuerdatensatz enthält diese Informationen in dynamischer Weise, d.h. er enthält nicht lediglich eine Momentaufnahme des Klangereignisses, sondern dessen Entwicklung über die Zeit.

[0012] Während beim Verfahren nach MIDI die Steuerdaten gezielt einzelne Töne und Instrumente vorgeben und beeinflussen, wird bei dem erfindungsgemäßen System das Klangereignis als Gesamtes (z.B. ein komplexes Musikstück mit Gesangsbestandteilen und Bestandteilen unterschiedlicher Instrumente wie etwa Gitarren, Schlagzeug, Piano, und Blasinstrumenten) insgesamt analysiert und in Steuerdaten wiedergegeben. Gleichermaßen wird dieses Klangereignis als Gesamtheit aus dem Basissignal herausgearbeitet, ohne dass diesbezüglich eine Aufteilung nach einzelnen Instrumenten oder Klangbestandteilen erforderlich wäre.

[0013] Eine Aufnahme von Klangereignissen zur Erzeugung der für die Wiedergabe benötigten Steuerdaten erfolgt gleichermaßen in umgekehrter Reihenfolge. Hier wird das Klangereignis selbst in analoger Weise in Signalbestandteile aufgeteilt und diese Signalbestandteile werden mit den Signalbestandteilen des Basissignals verglichen, um eine zeitaufgelöste Abweichung und damit ein Maß der erforderlichen Veränderung bzw. Überarbeitung mittels der Signalformer zu bestimmen. Dieses Maß der erforderlichen Veränderung in zeitaufgelöster Weise pro Signalbestandteil (Kanal) enthält das Steuersignal. Eine solche Aufnahme ist heute vergleichsweise einfach und in hoher Analysedichte und sehr guter zeitlicher Auflösung möglich, indem auf hierfür geeignete Analysealgorithmen zurückgegriffen wird. Wichtig hierbei ist lediglich, dass das für die Aufnahme verwendete Basissignal mit dem Basissignal für die Wiedergabe übereinstimmt. Hierzu kann einerseits ein einheitliches Basissignal festgelegt werden, z.B. ein weißes Rauschen, oder aber es kann ein Basissignal Verwendung finden, das bei der Aufzeichnung des Klangsignals selbst als geeignet erkannt wird. Dann ist bei der Aufzeichnung der Steuerdaten ein Datensatz vorzusehen, der das gewählte Basissignal repräsentiert, ggf. unter Einbeziehung eines zeitlich sich verändernden Verlaufes dieses Signals.

[0014] Selbstverständlich sind auch Mischformen denkbar, bei denen mehr als ein Basissignal in bestimmter Art und Weise überlagert werden, z.B. ein festgelegtes Referenzsignal, welches bei der Wiedergabe in genormter Weise erzeugt wird in Überlagerung mit einem speziell für die Aufnahme und Wiedergabe des Klangereignisses gewählten Basissignal.

[0015] Das Basissignal kann dabei z.B. auch nicht nur zeitlich unveränderlich, sondern in seinem Verlauf zeitlich veränderlich sein.

[0016] Als als Signalformer wirkende Elemente werden insbesondere elektronische Bauelemente mit für die zu bearbeitenden Signalbestandteile nicht linearen Kennlinien bevorzugt, so z.B. Dioden, Varistoren, Zener-Dioden und/oder Transistoren. Grundsätzlich sind hier alle elektronischen Bauelemente verwendbar, die solche nicht linearen Kennlinien aufweisen. Der Vorteil solcher elektronischer Bauelemente liegt vor allem darin, dass sie klein und insoweit in einer großen Vielzahl auf engem Raum positionierbar sind. So kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine kompakte Verschaltung, insbesondere eine Matrix oder ein Array geschaffen werden, in welcher eine Vielzahl solcher elektronischer Bauelemente mit unterschiedlichen Charakteristiken vereint sind, wobei die Steuerung einzelne Signalwege zwischen den Bauteilen freischalten bzw. blockieren kann, um Signalbestandteile über die jeweils passenden Bauelemente zu führen zur Herausarbeitung des Ausgangssignals aus dem bzw. den Basissignal(en).

[0017] Eine weitere Möglichkeit der Signalbildung und damit ein weiterer Freiheitsgrad für das erfindungsgemäße Verfahren wird erhalten, wenn wenigstens eines der Signalbestandteile, vorzugsweise sämtliche Signalbestandteile, aufgrund von in den Steuerdaten vorgegebenen Informationen ausgeblendet oder mittels eines Verstärkerelementes gezielt abgeschwächt oder verstärkt werden können. Zum Ausblenden der Signalbestandteile können im jeweiligen Schaltweg des Signalbestandteils einfache steuerbare Schalter wie etwa Transistoren vorgesehen sein, für eine Verstärkung können hier vorzugsweise linear arbeitende Verstärkungselemente angeordnet sein.

[0018] Eine einfache und sehr effektive Aufteilung des Basissignals in Signalbestandteile erhält man, wenn diese Aufteilung frequenzaufgelöst erfolgt. Hierbei werden einzelne Frequenzen bzw. Frequenzbereiche als Signalbestandteile getrennt und das Basissignal insoweit frequenzabhängig überarbeitet und verändert und die nach Frequenzen aufgeteilten und bearbeiteten Signalbestandteile schließlich zu dem Ausgangssignal, dass das Klangereignis repräsentiert, zusammengefügt.

[0019] Um insbesondere das Basissignal auf seine Korrektheit zu überprüfen, aber auch um das Ausgangssignal nachzuhalten und ggf. bei festgestellten Abweichungen steuernd eingreifen zu können, ist es von Vorteil, wenn das Basissignal und/oder das Ausgangssignal von der Steuerung in Echtzeit und dynamisch überwacht wird (werden) und dann die Steuerung bei festgestellten Abweichungen entsprechend Regeln in die Erzeugung des Basissignals und/oder in die Signalaufteilung und/oder in die Auswahl und Ansteuerung der Signalforma eingreift.

[0020] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich ausgehend von Steuerdatensätzen geringen Umfanges Klangereignisse mit hoher akustische Qualität und nahezu unverfälschter Informationsdichte aufnehmen und wiedergeben, da insbesondere bei der Wiedergabe ein analoges Signal als Ausgangsmaterial verwendet und ausschließlich analog bearbeitet wird, bevor es über den Elektroakustikwandler in das wiederzugebende Klangereignis umgesetzt wird. So wird selbst dann, wenn bei der Aufteilung des Basissignals in einzelne Signalbestandteile und bei der Bearbeitung dieser Signalbestandteile durch die Signalformer das wiederzugebende Klangereignis nicht in seinem vollständigen Verlauf angepasst werden kann, das Basissignal nicht durch eine A/D-Wandlung "zerhackt", sondern das analoge Signal bleibt erhalten und eventuelle Fehler zwischen zwei angepassten Bereichen sind in einem analogen und kontinuierlichen Signalverlauf geglättet, was zu einer qualitativ erheblich höheren Wiedergabe des Klangereignisses führt.

[0021] Für die Wiedergabe des Klangereignisses auf erfindungsgemäße Weise sind lediglich Bauelemente erforderlich, die vergleichsweise günstig beschafft werden können und insbesondere auf kleinem Raum unterzubringen sind. So benötigt es hierfür lediglich eines einfachen Generators für ein analoges elektrisches Signal als Basissignal sowie einer Steuerung und einer Schaltungsanordnung mit elektronischen Bauelementen in ausreichender Zahl, um eine Vielzahl von unterschiedlich wirkenden Signalformern zur Verfügung zu haben. Diese Elemente können ggf. mit einem ebenfalls erforderlichen elektroakustischen Wandler insgesamt auf so kleinem Raum untergebracht werden, dass eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Einrichtung zur Wiedergabe von Klangereignissen auf kleinem Raum realisiert werden kann. Dies ermöglicht eine Umsetzung des Verfahrens bzw. eine Integration einer für die Umsetzung des Verfahrens erforderlichen Einrichtung bzw. einer solchen Vorrichtung in praktisch jedem beliebigem Gerät. So können z.B. herkömmliche Consumer Electronics mit nach dem Verfahren arbeitenden Einrichtungen ausgerüstet werden, z.B. tragbare Spielkonsolen für die Wiedergabe von Audio, Mobilfunkgeräte für die Erzeugung von Klingeltönen oder die Wiedergabe von Audio, tragbare DVD-Player, neuartige Geräte zur Wiedergabe von Musik analog zu bekannten MP3 Abspielgeräten, Bauteile für Hifi-Anlagen, Soundkarten von PC's und dgl. mehr. Der Anwendungsvielfalt sind hier nahezu keine Grenzen gesetzt.

[0022] Aus der obigen Beschreibung dürfte klar sein, dass die Erfindung einen wesentlichen Sprung in der Verarbeitung, insbesondere der Wiedergabe, aber auch der Aufzeichnung von Klangdaten bzw. Klangereignissen vollzieht, indem die bisher nebeneinander bestehenden Vorzüge der Verarbeitung eines rein analogen Signals bei der Wiedergabe und der komprimierten Datenmenge digitaler Steuerdaten aus dem MIDI-Verfahren in einem neuartigen Verfahren vereint.

Ansprüche

1. Verfahren zur akustischen Wiedergabe von Klangereignissen, insbesondere Musik, bei welchem wenigstens ein analoges elektrisches Basissignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Basissignal in Signalbestandteile aufgeteilt wird und die einzelnen Signalbestandteile über als Signalformer wirkende elektrische und/oder elektronische Bauelemente geleitet werden und dass die so bearbeiteten Signalbestandteile zu einem Ausgangssignal zusammengefügt und gegebenenfalls verstärkt und in üblicher Weise in akustische Wellen umgewandelt werden, wobei die Aufteilung des Basissignals und/oder die Auswahl der als Signalformer wirkenden elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente dynamisch erfolgt und von einer Steuerung anhand von das Klangereignis repräsentierenden Steuerdaten vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als als Signalformer wirkende elektronische Bauelemente solche mit für die zu bearbeitenden Signalbestandteile nicht linearen Kennlinien verwendet werden, insbesondere Dioden, Varistoren, Zener-Dioden und/oder Transistoren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauelemente in einer Matrix verschaltet sind mit von der Steuerung ansteuerbaren Schaltwegen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung des Basissignals in die Signalbestandteile eine Aufteilung nach Frequenzen oder Frequenzbereichen enthält.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als analoges elektrisches Basissignal ein genormtes Referenzsignal verwendet wird, insbesondere ein weißes Rauschen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basissignal anhand von in den Steuerdaten enthaltenen Information erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das anhand von in den Steuerdaten enthaltenen Informationen erzeugte Basissignal zeitlich veränderlich ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Signalbestandteile aufgrund von in den Steuerdaten vorgegebenen Informationen ausgeblendet oder mittels eines Verstärkerelementes gezielt abgeschwächt oder verstärkt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basissignal und das Ausgangssignal von der Steuerung dynamisch und in Echtzeit überwacht werden und die Steuerung in Abhängigkeit von erkannten Abweichungen des Basissignals und/oder des Ausgangssignals korrigierend in die Erzeugung des Basissignals und/oder die Signalaufteilung und/oder die Auswahl und Ansteuerung der Signalformer eingreift.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Steuerdaten ein für eine spätere Wiedergabe aufzunehmendes Klangereignis in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt und dieses Signal entsprechend der bei der Wiedergabe für die Aufteilung des Basissignals gewählten Vorgaben in Signalbestandteile aufgeteilt und diese Signalbestandteile zeitaufgelöst in ihrem Verhältnis zu den entsprechenden Signalbestandteilen des Basissignals verglichen werden, wobei Steuerdaten erzeugt werden, die dieses Verhältnis repräsentieren.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von dem aufzunehmenden Klangereignis ein Basissignal gewählt wird und die Steuerdaten Informationen über die Wahl des Basissignals enthalten.