VOXX - Vocoder für den Falcon

Harddiskrecordingprogramme für den Falcon030 gibt es wie Sand am Meer. Mit VOXX, einem 16- Band-Echtzeit-Vocoder stößt der Falcon030 in einen noch unbekannten Musikbereich vor. Für Synthesizerfreaks mit Hang zur Technik von Gestern, dürfte mit VOXX ein langersehnter Traum in Erfüllung gehen.

Voxx Realtime-Vocoder für „Falconisten“. Wer hätte jemals ahnen können, welche Möglichkeiten im Falcon030 stecken? VOXX ist ein 16-Band-Vocoder mit DSP-Unterstützung, welcher die Leistungsreserven des Digitalen Signalprozessors und des Audio-Subsystems voll ausschöpft. Der Anwendungsbereich für VOXX liegt hauptsächlich in der Musik und Tonverarbeitung.

Was ist ein Vocoder?

Angeblich ist er ein Restprodukt der militärischen Forschung und wurde entwickelt, um Sprache so zu kodieren, dass sie für andere Mithörer unverständlich wurde. Es sei denn, sie hätten ebenfalls einen Vocoder mit der gleichen Konfiguration, um das Sprachsignal zu entschlüsseln. Die Funktion eines Vocoders ist es, ein Sprach-Signal (FORMANT) in Frequenzbänder zu zerteilen und mit diesen Teilen ein anderes, auch in Bänder zerteiltes Trägersignal (CARRIER), zu formen (modulieren). In der Musik hat der Vocoder besonders in den Anfängen der Synthesizer-Ära seinen Einzug gehalten. So benutz(t)en Gruppen wie Depeche Mode, Kraftwerk, Jean-Michel Jarre etc. einen Vocoder um robotorhafte Stimmen und andere spektakuläre Effekte in Ihre Stücke mit einzubauen. Dies ist aber nur eine der vielen Möglichkeiten. So kann man z.B. auch Synthesizerklänge mit der Stimme in chorale Flächen verwandeln. Da die Technik und Theorie hinter der Funktionsweise eines Vocoders doch recht kompliziert ist, wurde versucht die Grundlagen so einfach wie möglich zu halten, jedoch sollte man etwas technisches Wissen mitbringen um alles zu verstehen.

Grundlagen

Der Vocoder ist ein Modell unseres Sprachorgans und bekanntlich besteht es aus:

a.) Stimmbändern: Sie sind die Tonerzeuger b.) Mund: Macht die Vokalisierung (Filterung und Geräusche) Die Stimmbänder erzeugen einen Ton (Stimme) und sind in der Lage, die Tonhöhe zu verändern, aber nicht die Toncharakteristik. Dieser Ton gleicht in etwa einer Pulswellenform, ist also sehr reich an Obertönen. Die Toncharakteristik (Klang, Vokalisierung) wird durch die Mundformung gegeben. Die Form und das Volumen unserer Mundhöhle, so wie auch die Lage der Zunge und die Mundöffnung, erzeugen einen Resonanzkörper, der als Filter auf die Stimme wirkt. Jede Veränderung in unserem Mund ist eine Veränderung der Filterparameter, so dass wir es als zeitvariablen Filter bezeichnen können, ähnlich dem eines Synthesizers, nur etwas komplexer. Dazu kommt noch, da die Luftströmung, die unsere Stimmbänder in Bewegung bringt, benutzt wird, um zusätzliche Geräusche zu erzeugen („s“, „r“, „t“, usw.), wenn diese durch Hals, Zunge und Zähne "zischen". Diese werden ebenfalls gefiltert. Die Veränderungen der Filterparameter, relativ langsam in Bezug zur Stimmen-Periode, sind Veränderungen im Frequenz-Spektrum der Stimme. Wenn diese extrahiert und dazu benutzt werden, das Spektrum eines anderen Signals zu beeinflussen, dann ist das Resultat eine Synthese unserer "Stimme" (mit Stimme in Hochkommata ist die Kombination Stimme + Vokalisierung gemeint) oder Sprache. Diese Synthese ist so gut wie es eben die Spektrumanalyse des FORMANT-Signals und die Rückverwendung der Parameter auf dem CARRIER-Signal sind.

Das billigste und vielleicht bekannteste vocoderähnliche Instrument ist die Maultrommel. Hier erzeugt die Metallzunge die Schwingungen (CARRIER-Ton) und der Mund macht die Vokalisierung.

Die Programmteile

Der Analyseteil, der die Spektrumveränderungen des FORMANT-Signals (Sprache, Schlagzeug usw.) extrahiert, der Stimmenteil, in dem diese Veränderungen das CARRIER-Signal (Instrumente, Klänge, usw.) spektralmäßig modulieren, etwas, was diese beiden Teile verbindet (MATRIX) und sonstige Teile z.B. zur Signal-Konditionierung und Pegelsteuerung (GAIN, MIX, PAN, VU-Anzeigen usw.).

Formant-Analyse

Dieser Teil besteht aus 16 Bandpass Filtern (BPF) für verschiedene Frequenzen (Wie in einem Equalizer), die das gewünschte Spektrum füllen, und 16 Hüllkurven-Generatoren (Envelope Generators = EG). Jeder BPF lässt vom Signal den Anteil durch, der frequenzmäßig mit der Mittenfrequenz (Fc) des BPF übereinstimmt. Der Rest wird abgeschwächt, je weiter von Fc entfernt, desto größer die Abschwächung. Anders gesagt: das FORMANT-SIgnal wird in Frequenz-Scheiben geteilt. Je mehr Bänder (BPF) ein Vocoder hat, umso besser ist die Frequenz-Analyse, die man bekommt, um so besser und schmaler müssen aber auch die Filter sein.

Der Ausgang jeder dieser Filter wird anschließend dazu benutzt, eine Hüllkurve zu erzeugen (EG). Dies wird erreicht, indem jeder Filterausgang gleichgerichtet wird und dann durch einen eigenen Tiefpassfilter läuft. Hierdurch entstehen dann Signale, die nicht mehr die einzelnen Schwingungen vom FORMANT in jeder dieser Frequenzen enthalten, sondern eher dessen Amplitudenverläufe. Da bei der Sprache die Vokalisierung relativ langsam abläuft, entsprechen diese Hüllkurven mehr oder weniger dem Vokalisierungs Spektrum. Jeder der Tiefpassfilter in Voxx ist durch die ENV-Schieberegler in der Anstiegs-/Abklingzeit einstellbar, um verschiedene Vokalisierungseffekte zu erzielen.

Carrier-Analyse

Der Träger besteht ebenfalls aus 16 BPF mit den gleichen Fc wie im FORMANT Teil, um das CARRIER- (Träger-) Signal ebenfalls in Frequenz-Scheiben zu zerteilen. Im Gegensatz zum FORMANT-Teil wird hier jeder der Filterausgänge zu einem regelbaren Verstärker (VCA, wie bei einem Synthesizer, nur da hier keine Volts, sondern Werte als Regler dienen) geführt. Die Regelwerte für diese Verstärker sind die vom FORMANT erzeugten Hüllkurven. Das Ergebnis ist, dass jeder Carrier-Band-Anteil von einem Formant Band- Zeitverlauf in der Amplitude moduliert wird. Wenn alle diese Ergebnisse anschließend zusammengemischt werden (MIX), ist das Resultat eine „Symbiose“ von der „Sprache“ des Formant-Signals mit der „Stimme“ des Carrier-Signals. Das ist das Prinzip der „Sprechenden (Singenden) Instrumente“.

Die Matrix

Am Anfang wurde der militärische Zweck des Vocoders erwähnt, bei dem es darum ging, die Sprache zu verschlüsseln. Dies sollte geschehen, indem die Zuordnung von den Formant-Bändern zu den Carrier-Bändern vertauscht, gekreuzt oder in anderer Form variiert werden sollte, so dass z.B. die hohen Frequenzanteile vom Formant die tiefen Frequenzanteile von einem Träger modulierten und umgekehrt. So wäre es nur möglich, das Vo-kodierte Signal zu verstehen, indem diese wieder als Formant in einem Vocoder, mit der umgekehrten Bandzuordnung eingespeist wurde. In VOXX ist es möglich, die Zuordnungen von Formant Hüllkurven zu den Carrier Verstärkern, flexibel zu gestalten.

Spektrum und Tasten

Die große Anzeige zeigt die Werte der einzelnen Hüllkurven, die das Carrier-Signal in der Amplitude modulieren, und wie bereits erwähnt, vom FORMANT Signal erzeugt werden. Die Anzeige erinnert an einen Spektrum-Analysator und in Wirklichkeit entsprechen die Hüllkurven auch dem Spektrum des FORMANT- Signals. Unter dieser Anzeige stehen die Frequenzen für jedes Band. Noch mal darunter sind acht Programmtasten, die dazu dienen, verschiedene Benutzerprogramme aufzurufen, die beim Starten des Programms oder nach dem Laden eines eigenen Programmsatzes zur Verfügung stehen. Wird eine dieser Tasten (Buttons) mit dem Mauszeiger angeklickt (linke Maustaste), so wird die Einstellung des gewählten Programms in den Arbeitsspeicher kopiert. Der Arbeitsspeicher ist der Bereich, in dem die aktiven Einstellungen stehen, die auch zum DSP gesendet werden, also die Einstellungen, die auf dem Bildschirm erscheinen.

Von den unteren vier Tasten, dienen die drei ersten, "FREEZE", "ENV SLOW" und "ENV FAST" zur globalen Einstellung der Hüllkurven Anstiegs- und Abklingzeiten. FREEZE (Einfrieren) setzt alle Anstiegs- und Abklinggeschwindigkeiten auf Null und die momentanen Werte der Hüllkurven werden "Eingefroren". Hiermit ist es möglich das CARRIER- Signal mit einer konstanten Filtercharakteristik zu versehen. ENV SLOW und ENV FAST setzen zwei verschiedene Geschwindigkeitsbereiche für alle Hüllkurven, mit einem Verhältnis von 1 zu 10 fest. Die STORE PRG Taste dient zur Speicherung der aktiven Einstellungen in eines der acht verfügbaren Benutzerprogramme, damit diese jederzeit wieder aufrufbar sind. Um die aktiven Einstellungen in einem Programm zu speichern, wird erst die "STORE PRG" Taste angeklickt, (danach erscheinen alle Programmtasten als gedrückt) dann wird die gewünschte Programmtaste angeklickt, in der die Speicherung erfolgen soll. Um die vorgenommenen Einstellungen, die in dem Benutzerprogramm gespeichert wurden, in der Zukunft wieder zu verwenden, müssen diese vor Verlassen des Programms als Datei gespeichert werden, um sie dann zu einem späteren Zeitpunkt wieder zu laden. Bei jedem Programmstart werden immer die vorprogrammierten Einstellungen ("Werkpresets") geladen.

ENVelope (Hüllkurven)

Dieser Teil besteht aus 16 Schiebereglern zur Einstellung der Anstiegs- und Abklingzeit einzelner Hüllkurven, die vom FORMANT extrahiert werden. In Zusammenhang mit dem gewählten Bereich (mittels den ENV SLOW/FAST Tasten), wird eine Hüllkurve schneller, wenn der Schieber nach oben geschoben wird, und umgekehrt langsamer.

PANorama Regler

Da das FORMANT-Signal (linker Eingang) und das CARRIER-Signal (rechter Eingang) dazu benutzt werden, ein einziges Vocoder Signal zu erzeugen, ist dieser Teil dafür zuständig, jedem modulierten CARRIER- Bandausgang eine Position im Stereo-Panorama (L-R Balance) zuzuweisen, um das Vocoder Signal mit Stereo-Effekt zu versehen. Hierzu stehen dem Anwender 16 Regler, für jeden Kanal einer, zur Verfügung. Auch sie können komfortabel mit der Maus reguliert werden.

MIXer

Mit den 16 MIX-Schiebereglern ist es möglich, die einzelnen Bandausgänge noch einmal im Pegel zu regeln (Equalize), um eine gewünschte Toncharakteristik zu erzielen. Die Schieber werden genau so bewegt wie die ENV-Schieberegler.

Echtzeit?

Alle Eingaben und Aktionen seitens des Benutzers werden in Echtzeit verarbeitet und wirken sich unmittelbar auf die Effekte aus.

Anschlüsse

Um den Falcon030 mit VOXX benutzen zu können, wird er wie folgt angeschlossen: FORMANT-Signalquelle, z.B. Mikrophon, DAT-, Kassettenrecorder, Musikinstrument usw. am linken Stereo- Eingang (Left-Input). CARRIER-Signalquelle, z. B. Synthesizer, elektrische Gitarre usw. am rechten Stereo-Eingang (Right-Input). Einen Kopfhörer, Verstärker usw. am Stereo-Ausgang.

Fazit

Die Erfahrung hat gezeigt, da der Einsatz eines Vocoders für manche Benutzer frustrierend sein kann, wegen fehlender Kenntnisse über seine Funktionsweise und/oder wie er richtig einzusetzen ist. Um einen guten Vocoder-Effekt zu bekommen, ist es wichtig zu wissen, was für eine Effektart gewünscht ist und welche FORMANT und CARRIER Signalquellen geeignet sind. Die meisten Vocoder Applikationen benutzen Sprache als FORMANT und Synthesizer-Klänge für den CARRIER. Die Tonhöhe des CARRIER Signals ist die Tonhöhe des Effektes. Dieses Signal ist das einzige, mit dem Melodie, Akkorde oder andere Effekte gespielt werden können.

Technische Daten

Anzahl der Bänder

ms/ag


Aus: Atari Inside 01 / 1994, Seite 24
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