Chiptunes Wie musikalisch ist mein Mikrocontroller?

Transkript

1 Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik Chiptunes Wie musikalisch ist mein Mikrocontroller? Martin Wenske WS 2011/ Betreuer: Timo Klingeberg

2 Inhalt Motivation Geschichte des Chiptunes Signalformen Hüllkurvenfilter D/ - Umsetzer Chiptunes Demo 2/27

3 Motivation Wozu ist mein Mikrocontroller in der Lage? Musik vom Chip abspielen lassen Die begrenzten Ressourcen nutzen 20 MHz Taktfrequenz wenig Speicher 3/27

4 Geschichtliche des Chiptunes 1980er: Die ersten Spielkonsolen (Commodore 64, miga) werden erschwinglich ( 1MHz Taktrate; 64kByte RM) : Komponieren von Musik auf Spielkonsolen ist sehr beliebt; Die einzige Möglichkeit Musik digital zu erzeugen 2012: Speicher ist zwar nicht mehr teuer, allerdings ist der Speicher auf Mikrocontrollern immer noch relativ knapp (ca kbyte Flash) 4/27

5 Verfügbare Ressourcen tmel Mega 8 8 Bit Mikrocontroller Musikdaten nur im Flash abspeicherbar 8 kbyte Flash 1 kbyte SRM 512 Byte EEPROM Vergleich: Datenrate mp3 := 16 kbyte/s 1/2 Sekunde speicherbar bspielen von Samples nicht möglich 5/27

6 Syntese von Musik Dynamische Erzeugung von Signalformen beliebiger Frequenz Signalerzeugung Hüllkurven-Filter D/ - Wandlung D Vorteil: Nachteil: - extrem geringe Datenrate nötig - Einschränkungen in der Wahl der Signalform - Wiedergabe von Sampels nicht/nur bedingt möglich 6/27

7 Signalformen Sinus Hz t Dreieck Hz t Sägezahn Hz t Rechteck Hz t 7/27

8 Zusätzliche Signalform - Rauschen Rauschen t Wichtig für die Synthese von frequenzreichen Signalen Schlagzeug Regen Wellen 8/27

9 DDS Direkte Digitale Syntese Phasenakku Datenwort Phasenregister Sinus Tabelle D/ Umsetzer (16 Bit) (8 Bit) (8 Bit) Takt 0x3FFF 255 Datenwort 0x3F := 255 Max. usgangsfrequenz = 8000 Hz Taktfrequenz = Hz Frequenzaufösung = 0,24 Hz 9/27

10 DDS Sägezahn Phasenakku Datenwort Phasenregister D/ Umsetzer (16 Bit) (8 Bit) Takt Datenwort 0x3FFF 10/27

11 DDS Rechteck Phasenakku Datenwort Takt Phasenregister (16 Bit) D/ Umsetzer (8 Bit) 0x7FFF Datenwort 0x3FFF 0 11/27

12 DDS Dreieck Phasenakku Datenwort Phasenregister 2er Komplement D/ Umsetzer (16 Bit) (8 Bit) Takt Datenwort 0x3FFF 2er Komplement 12/27

13 Erzeugung von Rauschen LFSR - Linear Feedback Shift Register: XOR 1 1 XOR 0 XOR 1 Darf nicht mit 0x00 initialisiert werden! Primitives Polynom => Folge des LFSR maximal unterschiedliche Registereinträge 13/27

14 DSR Hüllkurven Filter Hüllkurve ist in vier Bereiche unterteilt: ttack: nstiegszeit bis Signal seine maximale mplitude erreicht Decay: bfall der mplitude bis auf einen bestimmten Wert ttack Decay Sustain Release t Sustain: Halten der mplitude solange der Ton noch aktiv ist Release: bfall der mplitude auf null Erzeugung vielfältiger Klangkurven uch nicht-instrumentenähnliche Verläufe sind möglich t 14/27

15 Instrumentelle Hüllkurvenformen S Steiler nstieg Haltephase R Steiler bfall D t Steiler nstieg Langsamer Signalabfall D t Steiler nstieg bfallphase R Steiler bfall t 15/27

16 Besondere Hüllkurvenformen S Umgekehrter Signalverlauf R S R Rauschen Steiler nstieg Sehr kurze Haltephase Steile bfall Rauschen Steiler nstieg Langsamer bfall R 16/27

17 Signalerzeugung Direkter Pinausgang µc PB0 R Kaum Schaltungsaufwand Erzeugung zusätzlicher höherer Frequenzen 17/27

18 Signalerzeugung R2R Netzwerk PB3 2R µc R PB2 2R R PB1 2R R PB0 2R 2R 4 Bit => 16 Inkremente Hoher Schaltungsaufwand 18/27

19 Signalerzeugung Pulsweitenmodulation TKT PWM Hardware R C Tastverhältnis Nutzt internen PWM Generator des Mikrocontrollers Wenige Bauelemente nötig Maximale Frequenz begrenzt 19/27

20 Signalerzeugung Pulsweitenmodulation Tastverhältnis = t ein t aus t t 20/27

21 Funktionsschema 3 Stimmig DSR Stimme 1 Stimme 2 Summierer Stimme 3 21/27

22 Chiptunes Demo Geschrieben von Linus kesson (lft) Hardware: tmel mega 88 8 kbyte Flash 1 kbyte SRM 8 MHz Taktfrequenz 16 khz btastrate 500 Takte zur Berechnung des nächsten Samples 8 Bit R2R Netzwerk Software: 4 Kanäle Je Kanal ein Rechteck/Dreieck/Rausch Generator nutzbar 22/27

23 Quellen Weiterführende Inhalte: 23/27

24 Vielen Dank für Ihre ufmerksamkeit