Phase and Amplitude Distortion Methods for Digital Synthesis of Classic Analogue Waveforms

An essential component of digital emulations of subtractive synthesizer systems are the algorithms used to generate the classic oscillator waveforms of sawtooth, square and triangle waves. Not only should these be perceived to be authentic sonically, but they should also exhibit minimal aliasing distortions and be computationally efficient to implement. This paper examines a set of novel techniques for the production of the classic oscillator waveforms of Analogue subtractive synthesis that are derived from using amplitude or phase distortion of a mono-component input waveform. Expressions for the outputs of these distortion methods are given that allow parameter control to ensure proper bandlimited behavior. Additionally, their implementation is demonstrably efficient. Lastly, the results presented illustrate their equivalence to their original Analogue counterparts

A modified FM synthesis approach to bandlimited signal generation

Techniques for the generation of bandlimited signals for application to digital implementations of subtractive synthesis have been researched by a number of authors. This paper hopes to contribute to the variety of approaches by proposing a technique based on Frequency Modulation (FM) synthesis. This paper presents and explains the equations required for bandlimited pulse generation using modified FM synthesis. It then investigates the relationships between the modulation index and the quality of the reproduction in terms of authenticity and aliasing for a sawtooth wave. To determine the performance of this technique in comparison to others two sets of simulation results are offered: the first computes the relative power of the non-harmonic components, and the second uses the Perceptual Evaluation of Audio Quality (PEAQ) algorithm. It is shown that this technique compares well with the alternatives. The paper concludes with suggestions for the direction of future improvements to the method

Examining the Oscillator Waveform Animation Effect

An enhancing effect that can be applied to analogue oscillators in subtractive synthesizers is termed Animation, which is an efficient way to create a sound of many closely detuned oscillators playing in unison. This is often referred to as a supersaw oscillator. This paper first explains the operating principle of this effect using a combination of additive and frequency modulation synthesis. The Fourier series will be derived and results will be presented to demonstrate its accuracy. This will then provide new insights into how other more general waveform animation processors can be designed

Real-Time Generation of Band-Limited Digital Audio Signals

Diplomová se zabývá problematikou generování číslicových zvukových signálů s pásmově omezeným kmitočtovým spektrem, tj. bez aliasingového zkreslení. V teoretické části práce jsou popsány jednotlivé metody generování pásmově omezených obdélníkových, trojúhelníkových a pilových průběhů v reálném čase. Popsané metody jsou naprogramovány v prostředí Matlab a porovnány z hlediska změn parametrů v reálném čase, jako jsou například změna střídy obdélníkového průběhu nebo plynulá změna kmitočtu. Hlavní část práce je věnována implementaci metod postupných integrací pásmově omezeného sledu impulzů a metodě derivací po částech parabolického průběhu v jazyce C++. Implementované metody byly integrovány do plug-in modulu technologie VST generující zvukový signál v reálném čase. Implementované metody jsou porovnány z hlediska výpočetní složitosti a zkreslení generovaného signálu.Master’s thesis deals with the generation of digital audio signals with band-limited frequency spectrum, i.e. without the aliasing distortion. Various methods of generating band-limited rectangular, triangular, and sawtooth waveforms are described in the theoretical part. The described methods are programmed in the Matlab programming environment and compared in terms of real-time parameter changes, such as duty cycle change of rectangular waveform or continuous change of frequency. The main part of the thesis describes implementation of methods of successive integration of band-limited impulse train and method of differentiated parabolic waveforms in C++ language. The implemented methods were integrated into a plug-in of VST technology that generates an audio signal in real time. The implemented methods are compared in terms of computational complexity and distortion of the generated signal.

Розробка та реалізація програмно-апаратного синтезатора звуку

Актуальність теми: Розвиток музичних жанрів за останні 20 років сприяв розповсюдженню експериментальної музики [1]. Як і у випадку з «музичним авангардом», термін «експериментальна музика» часто використовується для характеристики радикальних композиторів і їх робіт [2]. Деякі музикознавці проводять межу між авангардом і експериментальною музикою з точки зору їх співвідношення з євроцентричною музичною традицією. На їхню думку, в найзагальнішому вигляді, авангардна музика займає екстремальні позиції в межах традиції, в той час як експериментальна музика лежить за її межами [2]. Термін «експериментальна музика» використовується в музичній критиці для характеристики зразків тієї нової музики, естетика якої явно порушує існуючі в музичному мистецтві традиційні норми і правила. Для експериментальної музики характерне використання дисонансів, шумів [1] та елементу перформансу [3]: коли звучання викликає короткі та інтенсивні емоції. Експериментальна музика більш хаотична ніж інша електронна музика. В наші дні елементи експериментальної музики та перформансу запозичуються більш популярними музичними жанрами. Тож є потреба у створенні інструменту який буде призначеним для експериментальної музики і створюватиме відповідне звучання. Метою дослідження є розробка програмно-апаратної реалізації синтезатора звуку на основі мікроконтролера Axoloti Core, що створюватиме унікальне тембральне наповнення звуку. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання: Дослідити основні способи синтезу звуку та їх алгоритми. Дослідити допоміжні засоби модифікації синтезованого звуку; Дослідити способи реалізації алгоритмів синтезу звуку на мікроконтролері Axoloti Core. Вибрати найбільш ефективні методи синтезу звуку для вирішення поставленої задачі. Розробити програмно-апаратну реалізацію синтезатора звуку на основі мікроконтролера Axoloti Core, з використанням досліджених алгоритмів синтезу. Розробити рішення для надання унікальності звучання розробленого синтезатора. Об’єкт дослідження: процеси обробки сигналів в системах синтезу звуку. Предмет дослідження: методи програмно-апаратного синтезу звуку. Методи дослідження: Теоретичний огляд основних способів синтезу звуку та їх алгоритмів. Програмна реалізація алгоритмів синтезу звуку на мікроконтролері Axoloti Core. Аналіз спектральних характеристик сигналів записаних з аудіовиходу мікроконтролера при використанні розглянутих алгоритмів. Виявлення переваг та недоліків використання розглянутих алгоритмів синтезу звуку на даній платформі. Використання атрактору Лоренца для можливості частотної модуляції для створення унікальності звучання розробленого синтезатора. Аналіз впливу атрактору Лоренца на спектральні характеристики сигналу. Практичне значення одержаних результатів полягає у створенні прототипу синтезатора звуку на основі мікроконтролера Axoloti Core, з використанням атрактору Лоренца, що створюватиме унікальне тембральне наповнення звуку.The aim of the research is to develop a software and hardware implementation of a sound synthesizer based on the Axoloti Core microcontroller, which will create a unique timbre content. Research methods: Theoretical review of the main methods of sound synthesis and their algorithms. Software implementation of sound synthesis algorithms on the Axoloti Core microcontroller. Analysis of the spectral characteristics of the signals recorded from the audio output of the microcontroller using the considered algorithms. Identifying the advantages and disadvantages of using the considered algorithms for sound synthesis on this microcontroller. Using the Lorentz attractor for the frequency modulation to create a unique sound of the developed synthesizer. Analysis of the influence of the Lorentz attractor on the spectral characteristics of the signal. The practical significance of the obtained results is to create a prototype of a sound synthesizer based on the Axoloti Core microcontroller, using a Lorentz attractor, which will create a unique timbre content

Analysis of musical instruments via the Harmonic Band Hurst Exponent : comparative study of the quena and other wind instruments

Orientador: Rafael Santos MendesDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A análise de conteúdo e informação musical apresenta benefícios em diversas aplicações como o reconhecimento de música, compactação de informação, transcrição automática de instrumentos musicais, entre outros. Em consequência, o estudo de mecanismos eficazes de descrição sonora que facilitem a análise de áudio tornou-se relevante nas pesquisas atuais. Este estudo teve como objetivo a análise comparativa de instrumentos de sopro baseada no Expoente Hurst de Banda Harmônica, atributo de descrição sonora que caracteriza um sinal de som baseado na energia contida nas bandas laterais dos harmônicos. Nosso trabalho é focado na análise da flauta andina quena por meio de comparações com outros dois instrumentos da mesma família: a flauta doce e a escaleta. Primeiramente, criou-se um banco de dados de sons dos instrumentos. As bandas laterais dos harmônicos destes sons foram decompostos mediante a Transformada Wavelet de Banda Harmônica (HBWT) baseada no modelo de sinal de ruído 1/f pseudo-periódico. Por último, estimou-se o Expoente Hurst de Band Harmônica a partir da regressão linear da energia dos coeficientes da decomposição HBWT. Em relação à análise dos dados, aplicou-se o método quantitativo com estatística descritiva por meio do Coeficiente de Correlação de Pearson. Como resultado obteve-se um conjunto reduzido de parâmetros do Expoente Hurst de Banda Harmônica, o que representou uma vantagem na descrição sucinta de sinais musicais e extração de informação dos instrumentos tais como a quantidade de harmônicos, a descrição do decaimento 1/f e uma aproximação da envoltória espectral do sinal. A partir da comparação do conjunto de parâmetros obtido, encontrou-se maior semelhança de características espectrais entre a quena e a flauta doce ao invés da quena e a escaleta. Verificou-se que o Expoente Hurst de Banda Harmônica é um atributo útil na descrição sonora ao passo que forneceu informação diferenciada dos instrumentos musicais baseada nas características espectrais das bandas laterais dos harmônicos. Em trabalhos futuros, visa-se analisar outras famílias de instrumentos melódicos para o desenvolvimento de aplicações em síntese digital e o projeto de ferramentas de composição musical que possam ser aproveitadas por músicos, compositores e demais interessados na áreaAbstract: The content and music information analysis presents benefits in many applications like music recognition, compression of information, automatic musical instruments transcription, among others. As a consequence, the study of effective sound description mechanisms to facilitate the audio analysis has become important in current research. This study aimed at comparative analysis of wind instruments based on the Harmonic Band Hurst Exponent, a sound description attribute describing a sound signal based on the energy contained in the sidebands of harmonics. Our work is focused on the analysis of Andean quena flute through comparisons with two other instruments of the same family: the recorder and the melodica. First, we created a musical instrument sound database. The sidebands of harmonics of these sounds were decomposed by the Harmonic Band Wavelet Transform (HBWT) based on the pseudo-periodic 1/f noise signal model. Finally, the Harmonic Band Hurst Exponent was estimated from linear regression of the energy of the HBWT decomposition coefficients. With regard to data analysis, it was applied the quantitative method with descriptive statistics through the Pearson correlation coefficient. As a result we obtained a reduced set of the Harmonic Band Exponent Hurst parameters, which represented an advantage towards the summarized description of musical signals and extraction of information from instruments such as the amount of harmonics, the description of the 1/f decay and an approximation of the signal's spectral envelope. From the comparison of the parameters obtained, we found greater similarity in spectral characteristics between the quena and the recorder instead of the quena and melodica. It was found that the Harmonic Band Hurst Exponent is a useful sound description attribute as it provided distinguishing information of musical instruments based on the spectral characteristics of the sidebands of harmonics. In future work, we aim to analyze other families of melodic instruments for the development of applications in digital synthesis and the design of tools for music composition that can benefit musicians, composers and other stakeholders in the areaMestradoAutomaçãoMestre em Engenharia Elétrica160186/2013-7CNP

Análise de instrumentos musicais através do expoente hurst de banda harmônica - estudo comparativo da quena e de outros instrumentos de sopro

TesisAnaliza la flauta andina quena por medio de comparaciones con la flauta dulce y la escalera, otros dos instrumentos de la misma familia. Primero, se creó una base de datos de sonidos de los instrumentos. Las bandas laterales de los los armónicos de estos sonidos fueron descompuestos mediante la TransformadaWavelet de Banda Armónica (HBWT) basada en el modelo de ruido 1 = f pseudo-periódico. Por último, se estimó el Expoente Hurst de Band Harmónica a partir de la regresión lineal de la energía de los coeficientes descomposición HBWT. En cuanto al análisis de los datos, se utilizó el coeficiente de correlación de Pearson, que constituye un método cuantitativo de la estadística descriptiva. Como resultado se obtuvo un conjunto reducido de parámetros para la descripción de las señales en análisis, lo que representó una ventaja en la descripción sucinta de señales musicales y extracción de información de los instrumentos tales como la cantidad total de armónicos, la descripción del decaimiento 1 = f y una aproximación de la envoltura espectral de la señal. A partir de la comparación del conjunto de parámetros obtenido, se encontró mayor semejanza de características espectrales entre la quena y la flauta dulce.Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico - CNPqTesi