[发明专利]用于频率调制合成的波形产生

说明书

技术领域

本发明通常涉及频率调制(FM)合成，更具体地说涉及一种用于产生用在FM音乐声音合成中的音频波形的方法和系统。

背景技术

通常的普通波形以及具体的乐器声音的再现，当进行适当处理时需要该声音的原始成分的收集，可建立该声音的复制品。最准确但是不实际的方法是记录该声音包括其在频率、节奏等的所有变化。实际的方法是减小需要用于再现该声音的参数组。在波表(wavetable)合成的情况下，每个乐器被在少数几个音调周期、在八度音节的子集中记录并取样。这些经取样的录制品存储在波表中，以及声音的再现包括在表中的循环。

FM合成复制乐器声音并且因此可被用作音乐再现中的合成器。与音乐产生的其它方法相比较，FM合成需要用于音乐再现处理的最小的存储量并且仍然保持乐器声音的可接受的完整性。其实际上需要少量的ROM和/或RAM存储器用于该合成方法因为其仅需要作为一组查找波表存储的一小组预定波形。另一方面，波表合成需要相对大量的存储器来达到其性能的可接受水平。在示例的情况中，FM合成需要包括波形表和波形成数据的大约24KB的乐器合成数据，波表合成器需要至少512KB的波表存储器。这是需要用于FM合成的数据尺寸的21倍。

除了从乐器产生的声音的用于区别的幅度包络之外，侧音所建立的音质可将一个乐器的声音与另一个区别开。因为侧音是自然发生的并且是预定波形上执行频率调制而可解析地获得的效果，音频FM合成可被用于模拟乐器声音。这可通过将FM合成波形的侧音与真实乐器的侧音进行匹配来完成。最基本的FM合成音(tone)产生器使用调制器频率用于自我调制和调制载波频率。

图1示出了该基本FM合成音产生器100的框图。FM合成音产生器100使用调制器102的频率来执行自我调制(103)并且调制载波104的频率。波形波表索引φ_m[n]，从调制器频率的总和以及调制器信号的一部分βγ[n-1]计算。然后波形波表索引与波形查找波表106一起使用来产生输出取样的第一序列W₁[n]。增益因子(A_m[n])被应用到这个输出来产生r[n]，其中r[n]＝A_m[n]W₁[n]。然后该信号的延时部分βγ[n-1]被反馈到调制器来计算下一个取样的调制器波表索引。反馈的总数由增益因子(β)确定，表示调制器的频率偏移。调制器信号的一部分αγ[n]也在载波增益因子α被应用之后馈送来调制载波频率。载波频率和αγ[n]相加来产生波表索引φ_c[n]。这个值和波表108一起来生成输出取样的第二序列W₂[n]。然后载波增益因子(A_c[n])被应用来获得最后的模拟乐器声音S_FM[n]，其中S_FM[n]＝A_c[n]W₂[n]。使用这种合成仅需要少量的波形波表。例如，六个波形表可被用于再现所有128种通用MIDI乐器和47种通用MIDI鼓。

FM合成可被选择作为音乐再现的全音产生器，因为其较小的波表尺寸需要实现了经济利益。位于查找波表中的该小组波形实际上需要较少的ROM和/或RAM存储器来用于这种合成方法。

在一种实施方式中，查找波形波表包含所有必要波形的完整周期。软件算法计算从载波和调制器频率中计算的波表步幅索引。这个步幅索引被累加并且被用于获得来自适当波表的载波和调制器波形的每个取样。简单的环绕(wrapping)算法(以周期为模)被用于再现波形的连续流。这个单周期环绕算法需要用于重建载波和调制器波形的指令周期的最小数量。

在另一种实施方式中，波形的对称性可被用于显著地减小存储器尺寸因为仅波形之一的一部分周期(例如1/4周期或1/2周期)需要用于产生所有的波形。复杂的波形可通过存储周期的划分进一步建立。这需要更复杂的软件波表查找算法。必须计算累加的波表索引的片段(segment)，必须执行在减小周期和整个周期上的模算法，必须进行索引的位移来调整步幅大小，并且必须使用片段修改波表来在一个片段中缩放波形。

然而，今天用于FM合成系统的传统波表查找算法有若干缺陷。对于前述的第一实施方式，需要较大尺寸的存储装置因为要存储波形的整个周期。这样当需要存储更多的波表时，还需要更大的存储装置。大的存储装置可占据较大的物理区域，因此增加了模具尺寸、成本以及芯片的功率消耗。对大存储装置的存取时间也高于小存储装置，并且也有可能发生定时违例。要修复定时违例的问题花费通常很高。