Klangerzeugung im NES

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Elektronische Klangerzeugung anno 1985

Computer und ähnliche elektronische Geräte können heutzutage alle Arten von Klängen erzeugen und die digitale Form der Musikwiedergabe hat die analoge Form nahezu vollends abgelöst. Die Anfänge der Popularität von elektronischer Musik liegen um das Jahr 1980 herum. Die Verbreitung von rein elektronischer Musik kam dabei vor allem zur Untermalung von Videospielen zu stande. Dabei waren die Möglichkeiten unterschiedliche Klänge zu erzeugen noch sehr stark eingeschränkt, nämlich durch die Computerchips in den Automaten und Konsolen, die nicht mehr konnten, als Informationen in Größe von 8 Bit zu verarbeiten. Deshalb nennt man die Musikstücke, die unter diesen Einschränkungen entstanden sind, auch „Chiptunes“ oder „8-Bit-Musik“. Welche Eigenschaften diese Musik hat und wie man sie erstellen kann wollen wir auf dieser Seite betrachten.

Woher kommt der Ton

Da wie oben beschrieben die Möglichkeiten der Klangerzeugung durch die Hardware eingeschränkt waren, wählen wir uns als Beispiel eine Konsole, die sehr verbreitet war, um die damaligen Besonderheiten der Hardware zu spezifizieren. Es handelt sich um das sogenannte NES, das Nintendo Entertainment System.

Die Tonfunktionen sind hier in die CPU integriert, also nicht wie heute üblich auf eine eigens dafür hergestellte Soundkarte ausgelagert. Dabei besteht die Möglichkeit die Töne über 5 Tonkanäle nach außen zu senden. Diese sind aufgeteilt in zwei Rechteck-Wellenformen mit variabler Pulsbreite, eine Dreieck-Wellenform, ein Rauschgenerator und einen digitalen 6-Bit-Delta-PCM-Soundkanal. Was genau das zu bedeuten hat wird im folgenden Abschnitt erklärt.

Ton in Wellen

Abb.1: Sinus-Welle
So klingt ein Ton mit Sinus-Wellenform

Physikalisch können Töne als eine als Welle fortschreitende mechanische Deformation in einem Medium, normalerweise der Luft, betrachtet werden. Eine Welle kann man sich hierbei so vorstellen, wie die Sinus-Welle auf Abbildung 1, schön rund und gleichmäßig. Genau so klingt dann auch ein Ton, der sich in dieser Form „fortbewegt“.

Es gibt allerdings auch andere Wellenformen, denen wir uns auch noch widmen, aber zunächst schauen wir uns an, was passiert, wenn wir die Amplitude oder Frequenz einer Sinus-Welle verändern. Amplitude und Frequenz, das sind die beiden entscheidenden Faktoren einer Welle, wenn es darum geht wie laut oder leise und wie hoch oder tief ein Ton ist.

Amplitude Sinus.png


Die Amplitude einer Welle ist das Maß dafür, wie hoch eine Welle ausschlägt, also wie weit der höchste und tiefste Punkt der Welle von der Nulllinie entfernt ist, bei großen Wellen könnte sie in Metern gemessen werden.

An der Aplitude lässt sich ablesen wie laut oder leise ein Ton ist. Dabei gilt: Je größer die Amplitude, desto lauter der Ton.



Lässt man die grundlegende Wellenform gleich, gibt es nur noch eine Möglichkeit die Welle, und somit den Ton, zu verändern. Dies geschieht über seine Frequenz.

Periode Sinus.png


Die Frequenz gibt an, wie oft eine Welle innerhalb einer Sekunde schwingt. Genauer gesagt ist es die Anzahl der Perioden in einer Sekunde. Die Maßeinheit der Frequenz ist Hertz, wobei 1H = 1/s gilt.

Anhand der Frequenz lässt sich ermitteln wie hoch oder tief ein Ton ist. Dabei gilt: Je höher die Frequenz, also je mehr Schwingungen pro Sekunde, desto höher der Ton.

Wellenformen

Dreiecks-Wellenform
So klingt ein Ton mit Dreiecks-Wellenform
Rechteck-Wellenform
So klingt ein Ton mit Rechteck-Wellenform

Nachdem wir uns jetzt mit der Sinus-Welle, der Amplitude und Frequenz beschäftigt haben, gehen wir nun über zu anderen Wellenformen. Denjenigen, die für 8-Bit Musik typisch sind.


Da ist zunächst einmal die Dreiecks-Wellenform. Sie ist von den hier aufgeführten Wellenformen der Sinus-Wellenform noch am ähnlichsten. Das macht sich dann natürlich auch im Klang bemerkbar.

Im NES gibt es einen Tonkanal mit Dreiecks-Wellenfrom. Das bedeutet man kann zu einem festen Zeitpunkt genau einen solchen Ton erzeugen. Dieser Kanal wird häufig für die Basslinie benutzt. Zum einen liegt das daran, dass ein auf diese Töne angelegter Effekt nicht besonders gut klingt, deshalb benutzt man den Kanal eher nicht als Melodie-Stimme, zum anderen liegt es daran, dass Dreiecks-Wellen-Töne auch im tiefen Bereich noch sehr gut klingen.


Daneben gibt es auch Wellen in rechteckiger Form, die würde man im alltäglichen Sprachgebrauch vermutlich nicht mehr Welle nennen, aber hier bleiben wir bei der Bezeichnung Welle, weil sich unser "Signal" hierbei immernoch kontinuierlich auf- und abbewegt.

Im NES gibt es zwei Tonkanäle mit Rechteck-Wellenform. Das bedeutet es können immer zwei solche Töne gleichzeitig erzeugt werden. Somit kann zum Beispiel ein Kanal die Sopran-Stimme und ein Kanal die Alt-Stimme übernehmen. Diese Stimmen werden dann dafür eingesetzt die Hauptmelodie zu spielen. Besonders hilfreich ist hierbei, dass Effekte die an die Rechteck-Welle angelegt werden sehr deutlich zum Vorschein kommen.

Rauschen

Rauschen entsteht, wenn der Ton nicht mehr eine gleichmäßige Wellenform annimmt, sondern durch Überlagerung vieler verschiedener Wellen mit unterschiedlicher Amplitude und Frequenz.

Im NES gibt es einen Kanal der nur Rauschen in verschiedenen Varianten erzeugt. Man benutzt ihn um kurze Schlagzeugschläge zu immitieren und so den Rhytmus festzulegen.

Delta-PCM-Kanal

Der letzte Soundkanal im NES kann dazu verwendet werden, selbst erstellte Geräusche, welche nicht auf den hier beschriebenen Wellenformen basieren müssen, wiederzugeben. Allerdings mit stark verminderter Qualität. So sind zum Beispiel Sprachaufnahmen nicht wirklich erkennbar.

Das gewünschte Geräusch wird nämlich nur mit großem Qualitätsverlust importiert. Dabei kommt die so genannte Deltamodulation zum Einsatz. Die Welle, die dem Geräusch zu Grunde liegt wird dabei Schritt für Schritt abgetastet. Das Ergebnis ist ein Geräusch, das auf der Nulllinie startet. Die Information, die im Ergebnis gespeichert ist, ist jeweils der Unterschied des y-Wertes zum letzten Schritt. Große Unterschiede können allerdings nicht genau erfasst werden. Somit können nur Geräusche importiert werden, die eine sehr geringe Verzerrung beinhalten.

Quiz

Hier nun ein kleines Quiz über die bisherigen Inhalte.

1. Welche dieser Wellen macht den höchsten Ton?

Sine01.png
Sine02.png
Sine03.png

2. Welche dieser Wellen macht den lautesten Ton?

Sine01.png
Sine02.png
Sine03.png

3. Können Töne mit Sinus-Wellenform im NES erzeugt werden?

Ja, dafür gibt es einen eigenen Soundkanal
Nein, das ist nicht möglich
Ja, aber nur mit Hilfe des Delta-PCM-Kanals

Punkte: 0 / 0


Der Tracker

Nachdem wir jetzt ein bisschen über 8-Bit-Musik gelernt haben wollen wir sie natürlich auch selbst erstellen. Dazu benutzen wir ein Programm namens Famitracker.

Wenn ihr bei den folgenden Videos gleich mitüben wollt, ladet euch das Programm herunter und startet es einmal. Die Videos erklären wie genau wir damit arbeiten.

Der Instrument-Editor

Die Noten-Eingabe

Die Noten-Eingabe erfolgt über die Computer-Tastatur. Dabei werden die Computer-Tasten Klaviertasten zugeordnet. Die Zuordnung basiert auf der QWERTY Tastatur. Es ist also besonders beim Gebrauch von Y und Z Vorsicht geboten.

Pattern-Editor

Frame-Editor

Effekte