Arduino.ru

Вообще-то планировал начать публикацию этого проекта немного позже, но раз у участников форума возникли вопросы, несколько подкорректирую свои планы. Тем более что уже начинают появляться некоторые результаты, в том числе и отрицательные. А с точки зрения обмена опытом отрицательные результаты даже более важны, чем положительные, т.к. показывают "куда не нужно ходить".

Итак, планируется создание музыкального синтезатора. Рассматривается именно музыкальный инструмент, а не нечто свистяще-булькающее для генерации шумовых эффектов.
Большая часть как этапов синтеза, так и используемых "устройств" - аппаратная. Причины - две:
- чисто программный синтез звука явно превосходит возможности AVR,
- у меня есть некоторый опыт по созданию аналоговых синтезаторов (опыт 20-летней давности).

Сначала немного теории.

Ухо человека все воспринимает в логарифмической шкале, как частоту звука, так и амплитуду. (Собственно, для человека вообще характерно логарифмическое восприятие, которое напрочь отбивают в начальных классах школы, пытаясь приучить к линейной шкале)
Амплитуду принято измерять в дБ, а частоту в октавах (изменение частоты вдвое) и производных от нее единицах.
В настоящее время в европейской музыке общепринят равномерно темперированный строй (хроматическая гамма), в котором 12 нот логарифмически равномерно расположениы в пределах октавы. Интервал между двумя соседними нотами (т.е. 1/12 часть октавы) называется полутон. Для более точной характеристики высоты звука полутон делится еще на 100 центов. Предел различающей способности уха в области наилучшей слышимости для большинства людей лежит в диапазоне от 6 до 40 центов. Для людей с хорошим музыкальным слухом он составляет 3-4 цента.
Музыкальный дианазон простирается от 16.35 Гц (До Субконроктавы) до 4186 Гц (До Пятой октавы) (кстати, в отечественной и европейской музыке нумерация октав несколько различается). Звуки выше этого диапазона в качестве нот не используются, но заняты обертонами т.е. высшими гармоническими составляющими музыкальных звуков. В терминологии: 1-я гармоника - основной тон, 2-я гармоника - 1-й обертон, 3-я гармоника - 2-й обертон и т.д. Обертона - важная составляющая часть звука, в значительной степени определяющая его тембр.
Динамический диапазон (отношение сигнал/помеха) желательно обеспечить 60-80 дБ, т.е. максимальный сигнал помехи (напряжение, звуковое давление) должен быть менее 1/1000 полезного сигнала. Для сравнения 8-разрядный звук обладает отношением сигнал/шум около 50 дБ.

Синтезаторы принято делить на одноголосые и многоголосые/полифонические. Это совершенно различные инструменты: первые являются функциональным аналогом духовых или смычковых инструментов, а вторые - инструментов, предназначенных для игры аккордами.

Обычно классический синтезатор состоит из следующих частей:
- некоторого количества генераторов тона (обычно не менее двух даже в одноголосых инструментах, или по одному-два на голос - в многоголосных),
- управляемого фильтра (по числу голосов или тонгенераторов, возможно, отдельный на генератор шума),
- управляемого усилителя (один на голос + 1 для генератора шума, возможно, + 1 общий),
- одного или нескольких (обычно 1-2 на голос) формирователя огибающей звука - ADSR (от сокращений Attac, Decay, Sustain, Release),
- от одного до четырех низкочастотных генераторов, предназначенных для модуляции генератора тона, фильтра, усилителя,
- генератора шума (факультативно),
- также факультативно - задержек, формантных фильтров, генераторов сигнала произвольной формы и пр.

Это что касается классического синтезатора. В последнее время приобрел широкое распространение таблично-волновой синтез. В общих чертах - это оцифрованный звук реальных музыкальных инструментов. Но, учитывая, что (если исходить из стандарта MIDI) имеется 128 нот, каждая со 128 уровнями громкости и совершенно невообразимым разнообразием длительностей, да еще и стандартных инструментов никак не меньше 128, то все оцифровки должны требовать чудовищного объема памяти. Поэтому звук режут на кусочки, интерполируют, масштабируют, а потом склеивают между собой.

Теперь переходим конкретике.

Данный проект предусматривает создание MIDI синтезатора, совмещающего классический синтез характерный для аналоговых синтезаторов, с таблично волновым синтезом в различных режимах работы. Режимы примерно такие:
- 1-но, 2-х, 3-х, 4-х, 6-ти, 7-ми, 8-ми, 9-ти, 10-ти или 12-голосного классического синтезатора,
- полифонического таблично-волнового синтезатора,
- синтезатора, где в одном канале работает классический синтез, а в другом - таблично-волновой,
- синтезатора, где в пределах одного канала ниже определенной ноты работает таблично-волновой синтез, а выше - классический (соло и аккомпанемент),
- синтезатора, где в пределах одного канала выше определенной ноты работает таблично-волновой синтез, а ниже - классический (бас и аккорды).

Теперь по блокам.

Генератор тона.
Обычно в одноголосых синтезаторах их не менее двух - для создания эффекта унисона. В сочетании с вибрато (а спектр сигнала с амплитудным вибрато в точности соответствует спектру двух генераторов в унисон с небольшой расстройкой. Частотного вибрато - чуть сложнее, но также состоящему из нескольких близких частот) достигается эффект имитации множества звучащих одновременно голосов. В принципе, второй генератор может использоваться для игры в октаву, в квинту или терцию (а для больших любителей - в секунду).
С точки зрения цифровой техники генератор целесообразно делать на делителях частоты. 8-разрядный делитель не обеспечивает необходимой точности строя даже в пределах одной октавы. А 16-разрядный делитель частоты от 1-МГц генератора как раз хорошо ложится на весь музыкальный диапазон с допустимой погрешностью.
В классическом синтезаторе обычно есть выбор из нескольких форм волны. Наиболее полный набор: синус, пила, треугольник, меандр, прямоугольник с управляемой скважностью. Сокращенный обычно: пила, меандр. Я в своем проекте выбрал: прямоугольник с регулируемой скважностью (меандр как частный случай).
На роль генератора тона может претендовать как встроенный 16-разрядный таймер AVR, так и отдельный делитель, например, на 2/3 от микросхемы таймера 8253 (один канал для нужной частоты, другой - для задания длительности импульса, обеспечивающего нужную скважность).
Минус встроенного таймера - их слишком мало. Минус 8253 - нуждается во внешнем генераторе и параллельной шине данных.
Коэффициенты деления просчитываются заранее на ПК и содержатся в виде массивов в PROGMEM с интервалом в 3 цента (32 значения на полутон). В дальнейшем используются только коэффициенты из таблицы, промежуточные значения не интерполируются (за ненадобностью). Рассчитывается только коэффициент, отвечающий за скважность.
На генерируемую частоту должны оказывать влияние:
- номер ноты,
- питч-бэнд,
- один или несколько низкочастотных генераторов,
- генератор огибающей.

Управляемый фильтр.
По сути - классический универсальный фильтр на двух интеграторах и двух инверторах. Имеет выходы: ФНЧ, ФВЧ, ПФ и РФ (последнее - не Российская Федерация, а Режекторный Фильтр). В наиболее навороченных синтезаторах используются все. Мой опыт (и не только мой) говорит, что если не гнаться за шумовыми эффектами, а ограничиться музыкальным звуком, достаточно только ФНЧ. Но это уже вопрос исключительно коммутации и дополнительных ручек управления.
Варианты реализации:
1. Активные элементы:
1.а. ОУ,
1.б. Специализированная микросхема фильтра с уже подобранными конденсаторами интеграторов (например, UAF42),
1.в. Программно перестраиваемый фильтр (например, MAX260-MAX268).
2. Пассивные элементы:
2.а. Цифровые потенциометры (AD5204-06, AD5241-42, AD8400-02-03, CAT5116, MAX6160-61, MCP41xxx-42xxx, x9c102-103-104...).
2.б. Цифровые регуляторы громкости (FM62429, LC75410, M61539, M62420-21-29, NGW1199, PT2257-58).
2.в. Перемножающие ЦАП (572ПА1, AD7520-21).
В принципе, наиболее привлекательным решением могли бы служить 1.в., вообще не требующий 2. Но диапазон перестройки, как правило, ограничен одной октавой, а в широких пределах может регулироваться частотой от внешнего генератора. Вот этот вот генератор - по одному на каждый фильтр - представляется тяжеловатым решением.
У фильтра регулируются:
- частота (называется cutoff),
- добротность (называется resonance),
- значения частоты в каждой из точек ADSR,
- глубина влияния следующих факторов на частоту (и, возможно, добротность):
-- вибрато от одного или нескольких низкочастотных генераторов,
-- ADSR, причем, влияние может быть как со знаком "+" так и "-".

Управляемый усилитель.
Аппаратный - цифровой регулятор громкости. (например, M62429)

Генератор ADSR.
Планируются программные. По 1-2 на голос (либо общий, либо раздельные для усилителя и фильтра) Реализуются в прерывании по таймеру.

Низкочастотные генераторы.
Также программные: планируется 2 или 4. Если 4, то 2 из них с внешней синхронизацией, а 2 - с синхронизацией от сигнала NOTE_ON. Если 2 - то переключаемые.

Генератор шум и прочий факультатив.
Генератор шума - не самая первая необходимость. Если будет, то, вероятно, аппаратный на сдвиговых регистрах.

Таблично-волновой синтезатор.
Планируется использование VS1053. Возможно, старую ISA плату Creative AWE32.

Управление.
Общее управление Arduino Mega 2560. В наиболее компактном варианте одноголосого синтезатора ею все и ограничится: из имеющихся 4 таймеров 2 будут использованы для тонгенераторов, а 2 оставшиеся - для задания частоты программируемым фильтрам.
В более общем случае будут использованы фильтры на интеграторах и 4 тонгенератора, которые будут в зависимости от режима работать либо как одноголосый, либо как двухголосый, либо как 4-голосый инструмент.
Возможно дополнительно подключение дополнительных голосов, формируемых либо Arduino Pro Mini, либо таймером 8253. Ну, либо той же Мегой 2560, если голосов потребуется много.

Да, в проекте используются системные файлы, измененные в соотетствии с http://arduino.ru/forum/programmirovanie/etyudy-dlya-nachinayushchikh-me...

____________________________

Сразу выражаю благодарность всем, кто словом или советом принял участие впроекте. В первую очередь dimax, ЕвгениийП, Arhat109-2.