Eigener Audio-Synthesizer auf Basis des STM32F4 Discovery

Ein eigener Audio-Synthesizer auf Basis des STM32F4 Discovery ist ein ideales Projekt, um digitale Signalverarbeitung, Echtzeitprogrammierung und kreative Klanggestaltung in einem kompakten Embedded-System zu vereinen. Das STM32F4-Discovery-Board bringt dafür eine Reihe praxisnaher Vorteile mit: genügend Rechenleistung für Audio-DSP, komfortables Debugging über ST-LINK sowie – je nach Variante – eine integrierte Audio-Hardware, die den Einstieg deutlich vereinfacht. Statt sich sofort mit externen Codecs und komplexem PCB-Design zu beschäftigen, können Sie sich zuerst auf den Kern konzentrieren: das Audiosignal in festen Abtastraten zu berechnen, sauber auszugeben und dabei Eingaben wie Potis, Taster oder MIDI in Echtzeit zu verarbeiten. Genau hier zeigt sich, warum Microcontroller-Synthesizer so lehrreich sind: Jede Millisekunde zählt, Buffer müssen zuverlässig laufen, und selbst kleine Rechenfehler werden als Knacksen, Verzerrung oder Latenz hörbar. Dieser Artikel führt Sie strukturiert durch Architektur, Audio-Pipeline, gängige Syntheseverfahren (z. B. Wavetable, Subtraktiv, FM), Effekte und Performance-Tuning – mit dem Ziel, einen stabilen, gut erweiterbaren DIY-Synth zu entwickeln, der auf dem STM32F4 Discovery nicht nur „Töne macht“, sondern musikalisch brauchbar reagiert.

Warum gerade das STM32F4 Discovery: Rechenleistung, Peripherie und Audio-Hardware

Für einen DIY-Synthesizer sind drei Dinge entscheidend: konstante Echtzeit, ausreichend Rechenbudget pro Sample und eine praktikable Audioausgabe. Die STM32F4-Familie (Cortex-M4F) bietet dafür eine FPU und DSP-Instruktionen, die typische Audiooperationen wie Filter, Hüllkurven und Mischungen beschleunigen können. Viele Entwickler starten mit dem Discovery-Board, weil es schnell verfügbar ist und eine gute Tool-Unterstützung besitzt. Offizielle Informationen zur Boardfamilie und zu den verfügbaren Entwicklungsboards finden Sie bei ST, z. B. über die Übersichten zu STM32 Discovery Kits und zur STM32F4-Mikrocontrollerfamilie unter STM32F4 Series.

• Echtzeitfähig: Timer, DMA und Interrupts sind für stabile Audio-Streams ausgelegt.
• DSP-tauglich: Cortex-M4F unterstützt typische DSP-Workloads effizient.
• Gute Toolchain: Debugging, Profiling und stabile Build-Umgebung.
• Erweiterbar: Eingaben (ADC, GPIO), MIDI über UART/USB, Displays über SPI/I2C.

Projektgrundlage: Toolchain, Projektstruktur und Audio-„Sicherheitsnetz“

Ein Audio-Synthesizer ist kein typisches „Loop-&-Delay“-Projekt. Sie benötigen eine klare Aufteilung in zeitkritische und weniger kritische Aufgaben. Bewährt hat sich eine Struktur aus:

• Audio-Callback/ISR: berechnet Samples blockweise (z. B. 64/128 Frames) und füllt den Output-Buffer.
• Control-Rate-Loop: verarbeitet UI, Parameter-Smoothing, MIDI-Events (z. B. 1 kHz oder 200 Hz).
• Hintergrundaufgaben: Presets, Speicherung, Display-Refresh, Debug-Ausgaben.

Als Entwicklungsumgebung bietet sich STM32CubeIDE an, weil sie Debugging, Build und Integration mit STM32CubeMX gut vereint. Für die DSP-Bausteine ist CMSIS-DSP hilfreich, wenn Sie Filter, FFT oder Vektoroperationen effizient umsetzen möchten.

Audio-Pipeline: Abtastrate, Buffering und warum DMA den Unterschied macht

Die Audioausgabe funktioniert in stabilen Synthesizern fast immer über Double-Buffering (Ping-Pong) oder Ringbuffer. Der Grund: Die CPU berechnet Samples in Blöcken, während die Audio-Peripherie parallel den nächsten Block ausgibt. DMA entlastet die CPU, indem es die Datenübertragung zwischen Speicher und Audio-Interface übernimmt. Das senkt Jitter und reduziert die Gefahr von Dropouts.

• Blockgröße: typisch 32–256 Samples pro Kanal; kleiner = geringere Latenz, aber höherer Interrupt-Overhead.
• Abtastrate: häufig 44,1 kHz oder 48 kHz; 48 kHz ist in Embedded-Audio oft praktisch.
• Sampleformat: 16 Bit ist für viele DIY-Projekte ausreichend; 24 Bit lohnt sich, wenn Codec und Pipeline sauber sind.

Latenz grob abschätzen: Blockgröße und Abtastrate

Die Pufferlatenz (ohne zusätzliche Verarbeitung) lässt sich näherungsweise als Blockdauer berechnen. Wenn N die Anzahl Samples pro Block und fs die Abtastrate ist, gilt:

$t_{\mathrm{block}}=\frac{N}{f_s}$

Bei 128 Samples und 48 kHz sind das rund 2,67 ms. In der Praxis kommen Codec-Latenz, ggf. zusätzliche Buffer und die Eingabeverarbeitung hinzu. Für ein „snappy“ Spielgefühl in einem DIY-Synth lohnt es sich, Blockgröße und Control-Rate sorgfältig zu wählen.

Audio-Ausgabe am Board: I2S/SAI, Onboard-Codec und saubere Pegel

Viele STM32F4-Discovery-Setups nutzen einen Audio-Codec, der über I2S angebunden ist. Dadurch erhalten Sie eine „echte“ Audioausgabe mit definierter Taktung (MCLK/BCLK/LRCLK) und guter Klangqualität. Je nach Boardvariante ist ein Codec bereits vorhanden; andernfalls lässt sich ein externer I2S-Codec ergänzen. Achten Sie beachten dabei:

• Clocking: Audio benötigt stabile Takte; PLL-Konfiguration ist nicht „optional“, sondern klangentscheidend.
• Gain-Struktur: digitale Übersteuerung klingt hart; besser ist Headroom in der Mischung.
• DC-Offset: bei manchen Signalwegen müssen Sie Offset entfernen (Highpass oder korrekte Codec-Konfiguration).

Grundbausteine der Klangerzeugung: Oszillatoren, Hüllkurven und Mixer

Ein Synthesizer besteht im Kern aus Oszillatoren (Klangquellen), Modulatoren (Hüllkurven/LFO) und einem Mixer, der mehrere Stimmen zusammenführt. Für einen STM32F4 ist es sinnvoll, mit einfachen, gut kontrollierbaren Algorithmen zu starten und die Komplexität schrittweise zu erhöhen.

Phasenakkumulator: Stabiler Oszillator ohne teure Sinusberechnung

Ein bewährter Ansatz ist ein Phasenakkumulator. Sie erhöhen pro Sample eine Phase um einen Inkrementwert, der von der Frequenz abhängt. Der Inkrementwert Δ für eine Wavetable-Länge L und Frequenz f kann vereinfacht so abgeleitet werden:

$\Delta =\frac{f\cdot L}{f_s}$

Die Phase wird modulo L geführt. Für bessere Qualität nutzen Sie lineare Interpolation zwischen Tabellenwerten, um Quantisierungsartefakte zu reduzieren.

• Wavetable-Oszillatoren: sehr effizient, gut skalierbar, ideal für mehrere Stimmen.
• Bandbegrenzte Wellenformen: reduzieren Aliasing bei Sägezahn/Puls, kosten aber mehr Rechenzeit.
• Noise-Generator: einfach und nützlich für Percussion, Snare, Wind.

Subtraktive Synthese auf dem STM32F4: Filter, Resonanz und Sättigung

Subtraktive Synthese ist für DIY-Projekte besonders dankbar: Sie erzeugen eine obertonreiche Wellenform (Sägezahn/Puls) und formen den Klang mit einem Filter, meist einem Lowpass mit Resonanz. Auf Mikrocontrollern sind biquads (2. Ordnung IIR) sehr verbreitet, weil sie effizient sind und sich mit CMSIS-DSP gut umsetzen lassen.

• Lowpass (LPF): für „weiche“ Sounds und klassische Synth-Leads/Bässe.
• Highpass (HPF): für dünnere, „luftige“ Klänge oder zum Entfernen von DC.
• Bandpass (BPF): für „nasale“ Sounds, Formanten und perkussive Effekte.
• Sättigung/Soft-Clipping: erzeugt Wärme, sollte aber dosiert eingesetzt werden.

Resonanz und Stabilität: Parameter glätten statt hart springen

Filterparameter sollten nicht in großen Sprüngen geändert werden, sonst entstehen Klicks. Nutzen Sie Parameter-Smoothing: z. B. pro Control-Rate-Tick nur einen kleinen Schritt in Richtung Zielwert. Das verbessert Klang und Spielgefühl deutlich, ohne viel Rechenzeit zu kosten.

Polyphonie und Stimmenverwaltung: Wie viele Stimmen sind realistisch?

Ein „guter“ DIY-Synth wirkt sofort hochwertiger, wenn er polyphon ist. Polyphonie bedeutet jedoch: jede Stimme hat mindestens einen Oszillator, eine Hüllkurve, ggf. Filteranteile und eine Mischstufe. Rechnen Sie Ihr Budget nicht in MHz, sondern in Operationen pro Sample und pro Stimme. Praktisch hat sich ein Voice-Allocator bewährt:

• Voice-Stealing: wenn alle Stimmen belegt sind, wird die älteste/leise Stimme recycelt.
• Priorität: z. B. höchste Note, letzte Note, leise Note – je nach musikalischem Ziel.
• Release-Handling: Stimmen bleiben in Release-Phase aktiv, bis sie leise genug sind.

Gerade auf dem STM32F4 ist es sinnvoll, Polyphonie schrittweise aufzubauen: erst monophon stabil, dann 4 Stimmen, dann 8 – und dabei stets Dropouts und CPU-Last beobachten.

MIDI und Bedienung: Noten, Controller und Timing ohne Latenzfrust

Ein Synthesizer wird musikalisch erst dann interessant, wenn er zuverlässig auf Eingaben reagiert. MIDI ist dafür der Klassiker: Note On/Off, Velocity, Pitch Bend, Modwheel und CCs. Für die Spezifikation bietet die MIDI Association eine Einstiegsseite: MIDI Specifications. In einem STM32F4-Discovery-Projekt ist MIDI typischerweise über UART (DIN-MIDI) oder über USB (USB-MIDI) realisierbar.

• UART-MIDI: simpel, robust, 31.250 Baud, gut für klassische Controller.
• USB-MIDI: komfortabel am Rechner, erfordert USB-Stack und saubere Descriptor-Konfiguration.
• Entprellen und Smoothing: bei Potis/Encodern unbedingt, sonst „zipper noise“ bei Parameteränderungen.

Effekte auf dem Mikrocontroller: Delay, Chorus, Reverb light

Effekte machen aus einem „nackten“ Synth schnell ein musikalisches Instrument. Der STM32F4 kann einfache Effekte gut leisten, solange Sie RAM und Rechenzeit im Griff behalten. Besonders beliebt sind:

• Delay: benötigt einen Ringbuffer im RAM; Feedback und Filter bringen Charakter.
• Chorus/Flanger: modulierter Delay mit kurzen Zeiten; klingt „breit“ und lebendig.
• Reverb light: als Kombination aus kurzen Delays/Allpass-Filtern (sparsam dimensionieren).

Delay-Zeit in Samples berechnen

Wenn Sie eine Verzögerungszeit t in Sekunden bei Abtastrate fs wollen, entspricht das einer Sampleanzahl D:

$D=t\cdot f_s$

Für variable Delay-Zeiten nutzen Sie Interpolation (z. B. linear), sonst entstehen Tonhöhenartefakte und Knackser.

Performance-Tuning: Dropouts vermeiden, CPU-Budget sichern

Audio-Dropouts sind fast immer ein Timing-Problem: Der Buffer wird nicht rechtzeitig gefüllt. Damit Ihr STM32F4-Synth stabil läuft, helfen diese Prinzipien:

• Keine Blockaden im Audio-Callback: kein printf, kein dynamisches Allokieren, keine langen Schleifen ohne Not.
• Fixed-Point dort, wo sinnvoll: nicht zwingend, aber manchmal effizienter; FPU ist hilfreich, aber nicht „gratis“.
• Lookup-Tabellen: Sinus, Exponentialkurven für Hüllkurven, Filterkoeffizienten vorberechnen.
• Parameter nur in Control-Rate updaten: Filterkoeffizienten nicht bei jedem Sample neu berechnen.
• DMA konsequent nutzen: Audio-Transfer und ggf. ADC-Eingaben entkoppeln.

Wenn Sie Spektralanalyse oder Tuner-Funktionen ergänzen möchten, ist CMSIS-DSP auch hier nützlich, weil FFT-Implementierungen auf Cortex-M optimiert sind: CMSIS-DSP Dokumentation.

Qualität und Klang: Headroom, Dithering und Anti-Aliasing im Blick behalten

Viele DIY-Synthesizer klingen anfangs „harsch“, obwohl die Algorithmen korrekt sind. Häufige Ursachen sind Aliasing, Übersteuerung oder harte Parameterwechsel. Maßnahmen, die sich schnell auszahlen:

• Headroom im Mixer: Stimmen summieren sich; begrenzen Sie Pegel oder nutzen Sie Soft-Limiter.
• Bandbegrenzte Oszillatoren: bei Sägezahn/Puls besonders wichtig, wenn Sie höher spielen.
• Dithering (optional): bei 16-Bit-Ausgabe kann leichtes Dithering Quantisierungsrauschen angenehmer machen.
• Glättung von CCs: Filter-Cutoff und Resonanz nie „springen“ lassen.

Erweiterungen: Display, Presets, SD-Karte und „Instrument-Feeling“

Ein Synth ist mehr als Audio: Presets, Anzeige und Bedienbarkeit entscheiden darüber, ob Sie das Gerät wirklich nutzen. Auf dem STM32F4 Discovery können Sie je nach Setup ein kleines TFT (SPI) ergänzen, um Parameter, Wellenform oder Presetnamen anzuzeigen. Für Presets sind diese Strategien sinnvoll:

• Preset-Struct + Versionierung: Parameter als feste Struktur, Versionsfeld für spätere Erweiterungen.
• Speichern im Flash: mit Wear-Leveling oder begrenzten Schreibzyklen im Blick.
• Externe Speicherung: z. B. über SD-Karte oder externes Flash, wenn viele Presets geplant sind.
• UI-Workflow: Encoder + Click ist oft schneller als Touch-only.

Praktische Checkliste: Eigener Audio-Synthesizer auf Basis des STM32F4 Discovery stabil aufbauen

• Audio zuerst stabil: DMA-Double-Buffering, konstante Abtastrate, keine Dropouts.
• Klangerzeugung minimal starten: 1 Oszillator + Hüllkurve + einfacher Mixer, dann schrittweise erweitern.
• Triggerfreie Echtzeit: keine blockierenden Calls im Audio-Callback, Parameter in Control-Rate updaten.
• Aliasing reduzieren: Wavetable mit Interpolation, bandbegrenzte Wellenformen für Sägezahn/Puls.
• Filter sauber machen: stabile biquads, Resonanz begrenzen, Parameter glätten.
• MIDI robust einbinden: UART oder USB-MIDI, Event-Queue, klare Voice-Allocation.
• Effekte bewusst dimensionieren: Delay/Chorus zuerst, Reverb sparsam und mit RAM-Budget planen.
• Tooling nutzen: Setup über STM32CubeIDE und DSP-Bausteine über CMSIS-DSP strukturieren.

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