Design of a Scalable Polyphony-MIDI Synthesizer for a Low Cost DSP

Abstract

Tässä diplomityössä esitetään Scalable Polyphony-MIDI-standardin soitinvalikoiman toteuttavan musiikkisyntetisaattorin suunnittelu edulliselle signaaliprosessorille. Ensiksi esitellään SPMIDI- standardi ja käytettävä signaaliprosessori. Sen jälkeen kerrataan yleisesti käytössä olevia synteesitekniikoita, ja niiden soveltuvuutta järjestelmiin, joissa laskentateho ja muistin määrä ovat rajoittuneita.

Seuraavaksi käydään yksityiskohtaisesti läpi vähentävässä synteesissä käytettäviä oskillaattori- ja suodintekniikoita. Erityistä huomiota kiinnitetään laskostumiseen, joka johtuu perinteisissä aaltomuodoissa, kuten sahalaita- ja pulssi-aallossa, olevista epäjatkuvuuksista, ja olemassa olevia kaistarajoitettuja aaltomuotosynteesimenetelmiä kerrataan.

Tämän jälkeen kerrataan olemassaolevia rakenteita laskennallisesti tehokkaille aikavarianteille suotimille. Kokonaan uusi, rajataajuuden ja resonanssin ohjauksen erottava, suodinrakenne esitellään. Analogiseen Korg MS-20-alipäästösuotimeen perustuva rakenne on laskennallisesti erittäin tehokas ja soveltuu hyvin toteutettavaksi vähäbittisillä arkkitehtuureilla.

Lopuksi käsitellään toteutukseen liittyviä yksityiskohtia kiinnittäen erityistä huomiota differentioituun paraabeliaaltoon ja MS-20-suotimeen ja rajoitetun laskentakapasiteetin ja laskentaresoluution vaikutuksiin. Tämän jälkeen esitetään joidenkin esimerkkisoitinten toteutus.

In this thesis, the design of a music synthesizer implementing the Scalable Polyphony-MIDI soundset on a low cost DSP system is presented. First, the SP-MIDI standard and the target DSP platform are presented followed by review of commonly used synthesis techniques and their applicability to systems with limited computational and memory resources.

Next, various oscillator and filter algorithms used in digital subtractive synthesis are reviewed in detail. Special attention is given to the aliasing problem caused by discontinuities in classical waveforms, such as sawtooth and pulse waves and existing methods for bandlimited waveform synthesis are presented.

This is followed by review of established structures for computationally efficient time-varying filters. A novel digital structure is presented that decouples the cutoff and resonance controls. The new structure is based on the analog Korg MS-20 lowpass filter and is computationally very efficient and well suited for implementation on low bitdepth architectures.

Finally, implementation issues are discussed with emphasis on the Differentiated Parabole Wave oscillator and MS-20 filter structures and the effects of limited computational capability and low bitdepth. This is followed by designs for several example instruments.