Signal Processing and Speech Communication Laboratory
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Theory, Implementation and Evaluation of the Digital Phase Vocoder in the Context of Audio Effects

Status
Finished
Type
Bachelor Project
Seminar Type
Audio Signal Processing, Seminar (3 SE)
Announcement date
01 Jul 2010
Student
Johannes Grünwald
Mentors
Research Areas

Zusammenfassung

Der technologische Fortschritt der letzten Jahrzehnte ermöglichte insbesondere im Bereich der elektronischen Musik die Erschließung grundlegender neuer Gestaltungsmöglichkeiten. Zusätzlich zu etablierten analogen Filterschaltungen konnte nun – motiviert durch die theoretischen Grundlagen der digitalen Signalverarbeitung – auf speziell angefertigen Prozessoren die zeitdiskrete, digitale Verarbeitung von Signalen realisiert werden. Ein popuärer Repräsentant solcher digitaler Verarbeitungskonzepte ist der Digital Phase Vocoder. Dieser ermöglicht die simultane Betrachtung und Modifikation von digitalen Signalen im Zeit- und Frequenzbereich.

In dieser Bakkalaureatsarbeit wurde dieser Besonderheit des Phase Vocoders Rechnung getragen und eine eingehende Analyse in musikalischem Kontext durchgeführt. Zunächst erfolgte die Darlegung der theoretischen Grundlagen, um der Leserin und dem Leser ein Grundverständnis für die Arbeitsweise des Phase Vocoders zu vermitteln. Anaschließend wurden einige ausgewählte Audioeffekte präsentiert. Dabei lag besonderer Fokus auf den größten Herausforderungen, dem time stretching (Veränderung der Dauer des Signals bei gleichbleibender Tonhöhe) sowie dem pitch shifting (Veränderung der Tonhöhe eines Signals bei gleichbleibender Dauer), inklusive einer Analyse der zahlreichen Probleme, die gängige Verfahren mit sich bringen.

Die Realisierung eines beispielhaften Phase Vocoders wurde in der mathematischen Entwicklungsumgebung MathWorks MATLAB ® durchgef¨hrt, was einer zielführenden Umsetzung zuträglich war und flexible, umfassende Evaluierungsmöglichkeiten offerierte.

Abstract

The fast technological progress of recent decades has brought a wide range of new possibilities to the field of electronic music. Besides analog filters, the theory of digital signal processing motivated the development of special-purpose processors in order to execute such sample-based algorithms on time-discrete signals. One representative of a time-discrete signal processing concept is the digital phase vocoder, which permits to observe and manipulate digital signals in both time- and frequency domain simultaneously.

In this Bachelor Thesis, a comprehensive analysis of the digital phase vocoder in musical context was carried out. At first, the necessary theory was delineated in order to gain a basic understanding of underlying concepts. Secondly, some popular audio effects utilizing the digital phase vocoder were described, such as time stretching (modification of the temporal evolution of a signal but keeping its pitch the same) and pitch shifting (modification of the signal’s pitch but preserving its temporal evolution). Several issues arise from the conventional implementation of these two effects, so they are discussed more in detail than the others.

An exemplary phase vocoder was realized using the mathematical development environment MathWorks MATLAB ® which facilitated the implementation and evaluation perfectly well.

Full Text & Additional Material

The bachelor thesis can be downloaded here.

Notice

As in 2011 the Acoustics and Audio Group moved from the Institute of Broadband Communications (IBK) to the Signal Processing and Speech Communications Laboratory (SPSC), the puplishing location of this thesis also was transfered from the IBK to the SPSC-website.