Vocoder-Special

Voice Encoder - "Apparat zur Stimmverschlüsselung"


Der Mythos "Vocoder"

Der Vocoder ist wahrhaft ein Kultgerät. Zwar müssen sich seine Einsatzmöglichkeiten bei weitem nicht auf die menschliche Stimme beschränken, jedoch wird der Vocoder vornehmlich zu diesem Zweck benutzt. Ursprünglich von den Bell Laboratories entwickelt, um Sprache für militärische Interessen abhörsicher übertragen zu können, wurde der Vocoderklang zum Synonym für elektronische Musik.

Die durch den Vocoder ausgeübte Faszination ist wohl dadurch begründet, daß wir den Klang der menschlichen Stimme aus unserer Hörerfahrung besser als jeden anderen Klang kennen, und der Gedanke an eine "sprechenden Maschine" die Menschen schon immer beeindruckt hat.


Ein Experiment

Hast Du einen Synthesizer und einen grafischen Equalizer zur Hand? Dann erzeuge doch einmal mit dem Synthesizer einen Sägezahn mit etwa 100 Hz und mische etwas Rauschen hinzu. Diesen Klang schickst Du durch den Equalizer, bei dem alle Regler auf Minimum zu stellen sind.

Nun ziehst Du den 1 kHz Regler ganz nach oben. Es klingt nach einem "A". Regler wieder auf Minimum, und nun den 500 Hz Regler hochziehen: Ein "O". Bei 250 Hz ist es ein "U". Noch interessanter: 250 halb laut und 3,5 kHz voll aufgedreht klingt nach "I", die gleiche Kombination aus 500 Hz und 2,5 kHz nach "E". Die Vokale klingen nicht sehr authentisch, aber ihr Charakter ist deutlich wahrnehmbar.


Funktion des Vocoders

Offensichtlich lässt sich also aus einem obertonreichen Signal (hier Sägezahn und Rauschen) Sprache erzeugen, indem man die Amplituden entsprechender Frequenzen beeinflußt. Anstatt die Regler des Equalizers mit der Hand zu bewegen, müßte dies automatisch geschehen. Es müssen immer diejenigen Bänder des Equalizers aufgezogen werden, die im entsprechenden Augenblick auch in der "richtigen" Sprache enthalten sind. Wenn man diese Information aus einem "echten" Sprachsignal gewinnt und damit die Bänder des Equalizers steuern kann, ist man am Ziel.


Aufbau des Vocoders

An Stelle des Equalizers verwendet ein Vocoder eine Filterbank. Das zu modulierende Signal, auch "Trägersignal" oder "Carrier" genannt (im Beispiel Sägezahn und Rauschen) wird mit einer Reihe von Bandpaßfiltern in einzelne Frequenzbänder zerlegt. Der Ausgang jedes Filters wird durch einen spannungsgesteuerten Verstärker (VCA) geleitet (entspricht in unserem Beispiel dem einzelnen Regler des Equalizers). Um die Lautstärke der einzelnen Bänder einzustellen, wird die Steuerspannung für die VCAs aus dem Modulatorsignal (hier die Sprache) gewonnen. Dazu wird das Modulatorsignal in die gleichen Frequenzbänder wie das Trägersignal zerlegt, aus den einzelnen Bändern wird der Pegel ermittelt und dem jeweiligen VCA zugeführt.

Prinzipieller Aufbau mit zwei Bändern:

Modulatoreingang, Filter und Hüllkurvenfolger nennt man "Analyseteil", Carrier-Eingang, Filter und VCAs nennt man "Syntheseteil". Die Ausgangssignale aller Bänder des Syntheseteils werden zusammengemischt und an den Ausgang des Gerätes geleitet.

Führt man nun dem Carrier-Eingang ein obertonreiches Synthesizersignal und dem Modulatoreingang ein Sprachsignal zu, so beginnt der Synthesizer zu sprechen.

Die Praxis zeigt, daß für eine gute Sprachverständlichkeit ca. zehn Bänder benötigt werden, welche auf die wichtigen Frequenzen für Sprachverständlichkeit abgestimmt sein müssen. Für vielseitigere Verwendung gibt es auch Vocoder mit bis zu 30 Bändern, allerdings steigt dabei neben Schaltungsaufwand und Preis auch das Rauschen stark an.


Voiced / Unvoiced

In unserem Beispiel haben wir nur Vokale erzeugt, aber keine Konsonanten. Deren Erzeugung ist mit dem vorgestellten Prinzip allein nicht in ausreichender Form möglich. Da aber erst die Konsonanten die Sprache verständlich machen, müssen sie im Vocoder separat erzeugt werden. Ein sogenannter Voiced/Unvoiced-Detektor stellt bei der Analyse fest, ob ein stimmloser Konsonant im Spiel ist und mischt dem Ausgangssignal entweder hochfrequentes Rauschen oder den Höhenanteil des originalen Sprachsignales bei.


Signal-Vorbereitung

Das Ergebnis des Vocoderklanges hängt sehr stark von den zugeführten Signalen ab. Das Carriersignal sollte stets obertonreich sein, denn nur im Träger vorhandene Obertöne können moduliert werden. Sägezahn, Rechteck und Pulswelle liefern gute Voraussetzungen. Um das Vocodersignal als Sprache auszumachen, sollte die Frequenz des Carriers im Bereich der Grundfrequenz der Sprechstimme liegen, also bei Männern zwischen 100 und 150 Hz, bei Frauen zwischen 200 und 350 Hz. Weiterhin sollte das Carriersignal an den Stellen Obertöne enthalten, an denen sich die Vokal-Formanten befinden. Da Klänge mit den angegebenen Grungfrequenzen aber meist keine Obertöne an diesen Stellen aufweisen, kann man statt einzelnen Tönen besser Akkorde als Carrier benutzen und evtl. etwas Rauschen zumischen.

Auch an das Sprachsignal sind besondere Anforderungen zu stellen. Ein stark komprimiertes Mikrofonsignal erzeugt eine gleichmäßige Lautstärke, typisch für den synthetischen Klangeindruck. Die Attackzeit des Kompresors darf man dabei ruhig etwas länger einstellen, weil dann die Impulsspitzen erhalten bleiben und somit Konsonanten betont werden. Extrem starke Kompression erhöt das Rauschen, das durch Einsatz eines Noisegates in Signalpausen unterdrückt werden kann. Auch die Bearbeitung mit einem Equalizer kann die Qualität verbessern: Unterhalb von 150 Hz kann man ruhig alles wegdrehen, und die für die Stimme des Sprechers markanten Frequenzen sollten etwas betont werden.

Bietet der eingesetzte Vocoder keinen Voiced/Unvoiced-Detektor, so kann man das Sprachsignal vor dem Vocoder abgreifen, parallel durch einen Hochpaß leiten, und dessen Ausgangssignal (also nur die hohen Frequenzen der Stimme) leise dem Ausgangssignal des Vocoders beimischen. Die Sprachverständlichkeit wird damit verbessert. Die Ergebnisse mit einem Voiced/Unvoiced-Detektor sind jedoch in der Regel besser.


Vocoder-Anwendungen

Der Vocoder ist für Sprachsignale prädestiniert. Je nach zugeführtem Carriersignal lassen sich alle Arten Roboterstimmen und sprechende Synths realisieren. Aber damit ist das Einsatzgebiet des Vocoders noch lange nicht erschöpft! Wir müssen uns lediglich von der Vorstellung trennen, daß für Modulator und/oder Carrier bestimmte Signale vorgeschrieben sind. Ein wirklich hörenswertes Ergebnis wird zum Beispiel erzielt, wenn man einen obertonreichen Synth-Flächenklang am Carrier-Eingang mit einer Drumloop am Modulatoreingang rhythmisch moduliert.


Filterbank

Der Syntheseteil eines Vocoders verwendet eine Filterbank, die bei einigen Modellen auch einzeln genutzt werden kann, indem die nachfolgenden VCAs nicht durch den Analyseteil gesteuert werden.

Im Gegensatz zum grafischen Equalizer kann die Filterbank keine Frequenzbereiche anheben, sondern nur absenken - dies jedoch bis zum völligen Verstummen des jeweiligen Frequenzbandes. Außerdem beeinflußt die Filterbank das Signal auch dann, wenn alle Bänder auf Null stehen. Somit lassen sich sehr charakteristische Effekte erzeugen.


Wo kann man Vocoder kaufen?

Gerade die legendären, teilweise sehr aufwendigen Vocoder oder die Vocoder-Sektionen der Synthesizer-Modulsysteme sind für ein kleines Budget kaum erschwinglich und zudem selten zu beschaffen, weil die meisten von ihnen nicht mehr gebaut werden.

Aber jetzt stellt die Firma mam einen ganz neuen, sehr preisgünstigen Vocoder vor: Den VF11.

HIER GEHT ES ZUR VF11-SEITE !!!

Dieser Vocoder bietet 11 Bänder, verfügt über eine Unvoiced-Funktion, und die Filterbank kann einzeln genutzt werden.

Die VF11-Seite beinhaltet eine genaue Beschreibung und viele Tips zum neuen mam-Vocoder!



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