О FM-синтезе звука. FM-синтез звука

О FM-синтезе звука (FM-синтез звука)

Программные (или виртуальные) синтезаторы получают все более и более широкое распространение. Не существует, наверное, ни одного вида синтеза, который хитрые компьютерщики не реализовали бы программно. Да и некоторые способы звукообразования появились явно не без их участия. В данной статье речь пойдет о таком способе синтеза звука, как Frequency Modulation (FM), или частотная модуляция. На разделочный стол попали следующие программы: Native Instruments FM7, LoftSoft FMHeaven, SpeedSoft Virtual Sampler (вернее, только его FM-блок) и Maxim Digital Audio DX10.

Прежде чем говорить о синтезе звука, давайте все-таки разберемся, что же такое модуляция вообще и FM-модуляция в частности. Музыканты слово "модуляция" понимают по-своему, как смену тональности музыкального произведения. Однако в физике данный термин подразумевает изменение по заданному закону во времени величин, характеризующих какой-либо регулярный процесс. Что в применении к радиоэлектронике обозначает, грубо говоря, влияние одного электрического сигнала на другой, или еще проще — результат воздействия волны на волну. Как и многое другое, модуляция была позаимствована разработчиками музыкальных инструментов у связистов. Любая полезная информация — музыка, речь и т. п. (даже точки-тире и сигналы радиомаяков) — посылается в эфир радиопередающей станцией не в явном, а как бы зашифрованном виде. Реально антенна передатчика излучает в пространство так называемую несущую волну — периодические электромагнитные колебания с частотой, превышающей на несколько порядков среднюю частоту полезного сигнала. Эту несущую волну вырабатывает специальный генератор высокой частоты. Передача же самого полезного сигнала производится при помощи изменений во времени некоторых параметров несущей волны, например, ее амплитуды или частоты. Такое кодирование осуществляет специальный блок передатчика — модулятор. При амплитудной модуляции передаваемый сигнал изменяет амплитуду несущей частоты, "рисуя" ее мгновенные значения по форме своей волны (т. е. по изменению собственной амплитуды), словно по лекалу (рис. 1).

О FM-синтезе звука (FM-синтез звука)

Огибающая линия амплитудных вершин и есть модулированный полезный сигнал, причем верхняя (положительная) огибающая находится в фазе, а нижняя (отрицательная) — со сдвигом на 180 градусов. Частотная же модуляция характеризуется воздействием не на амплитуду, а на частоту несущей волны. На рис. 2 видно, как при увеличении амплитуды модулирующего сигнала увеличивается и частота несущего. В современной радиосвязи используется модуляция и других типов: фазовая, частотно-фазовая, импульсная, амплитудно-импульсная, фазово-импульсная и т. д., и т. п.

О FM-синтезе звука (FM-синтез звука)

"А когда же про синтезаторы?" — спросите вы. Не волнуйтесь, я уже о них и рассказываю. Дело в том, что некоторые блоки синтезаторов принципиально не отличаются от аналогичных модулей радиопередатчиков. Вполне возможно, в самых ранних экспериментальных макетах вообще использовалась "начинка" старой радиоаппаратуры. Ведь что такое эффект тремоло? Это амплитудная модуляция. А вибрато? Правильно, частотная. Характерный эффект "кручения" фазы волны — это не что иное, как фазовая модуляция. Про аналогию генератора несущей частоты и осцилляторов я даже говорить не буду. Само собой, вырабатываемые осцилляторами волны имеют звуковую частоту. Генераторы низкой частоты (LFO) производят волны еще меньших частот — от нуля и до сотни герц, которые используются для различных модуляционных эффектов (в частности, вибрато и тремоло). Ту же задачу выполняют и генераторы огибающей (EG), только они формируют непериодические модулирующие сигналы — за управление динамикой сигнала (а часто и частотой среза фильтра) в большинстве синтезаторов отвечают именно они.

Однако приведенные примеры использования модуляции непосредственно к синтезу звука отношения еще не имеют, хотя ее возможности в звукообразовании ничуть не менее обширные. Предлагаю небольшой эксперимент. Возьмите любой синтезатор, LFO-генератор которого способен вырабатывать сигналы частотой хотя бы 80-100 герц (подойдет и виртуальный инструмент для Emagic Logic — Emagic ES2). Оставьте всего один активный осциллятор, и для чистоты эксперимента настройте его на волну синусоидальной формы. Направьте LFO на управление усилением или высотой тона и установите значение глубины достаточное, чтобы хорошо слышать воздействие. А теперь нажмите ноту на клавиатуре (желательно пониже) и покрутите Rate — ручку частоты LFO. Как видите, результат модуляции воспринимается как эффект амплитудного или частотного вибрато лишь при небольших значениях Rate. Когда же колебания начинают сливаться (от 30 герц и выше), изменяется тембр ноты — как будто к ней добавили дополнительные гармоники. К тому же при управлении LFO частотой осциллятора (то есть при частотной модуляции) эффект проявляется ярче. В чем же тут дело? На выходе блока при амплитудной модуляции одной волны другой будут присутствовать частоты обеих, а также их сумма и разность. Иными словами (если пересчитать на аддитивный синтез), получаем результат, аналогичный сложению сигналов четырех осцилляторов.

Частотная же (FM) модуляция дает еще больше новых частот, но механизм их возникновения требует некоторых дополнительных пояснений. При FM-модуляции волна с модулирующего генератора подается на вход несущего, суммируясь по частоте с его волной. Соответственно, с чем большей амплитудой поступает модулирующая волна, тем сильнее выражается частотное отклонение несущей и тем богаче будет спектральный состав результирующего сигнала. В радиотехнике все дополнительные частоты, которые возникают в несущей волне при частотной или амплитудной модуляции, называются боковыми частотами (Sidebands). Боковые частоты могут быть верхними и нижними — то есть располагаться с обеих сторон от несущей частоты. Нетрудно сообразить, что именно они определяют тембр звука, полученного посредством FM-модуляции. Количество и значения боковых частот определяются как входной амплитудой модулирующего сигнала, так и соотношением частот модулирующей и несущей волн. Эта зависимость, представляющая собой сложную функцию суммы и разности величин частот обеих волн, помноженных на соответствующие коэффициенты, описывается весьма непростыми математическими уравнениями, приводить которые в рамках данной статьи я не вижу смысла. Достаточно будет сказать, что отношение частот модулирующей и несущей волн напрямую влияет на "музыкальность" результата, — будут ли возникающие боковые частоты гармоническими составляющими основного тона или нет. Ну, а тут уже рукой подать и до практической реализации FM-синтеза.

Говоря об использовании модуляции для синтеза звука, стоит также упомянуть разновидность импульсной модуляции, когда сигналы LFO-генератора, внешнего контроллера или еще какого источника управляют шириной импульса прямоугольной волны. Для придания волнам негармонических составляющих применяется кольцевая модуляция (Ring Modulation) — вид амплитудной модуляции, при которой волны источников не складываются, а перемножаются. Впрочем, я немного отвлекся...

Впервые о применении частотной модуляции для синтеза звука задумался в 1966 году американец John Chowning (рис. 3), в будущем директор Центра компьютерных исследований музыки и акустики (CCRMA) Стенфордского университета, а на тот момент времени — преподаватель композиции кафедры электронной музыки.

О FM-синтезе звука (FM-синтез звука)

Любопытно, что навели его на эту идею опыты с эффектом частотного вибрато. После четырех лет экспериментов он понял, что метод, который он назвал FM-синтезом, может быть с успехом использован производителями музыкальных инструментов. Увы, тогда еще не пришла эра повсеместного распространения персональных компьютеров и цифрового звука, а FM-синтез оказался слишком сложным для аналогового управления. Вся надежда была на крупных производителей электроорганов (Wurlitzer, Lowry, Hammond и др.), которые, однако, не проявили интереса к новой технологии. Зато ей заинтересовалась фирма Yamaha, делавшая тогда самые первые шаги на американском рынке музыкальных инструментов, и в США для консультаций с изобретателем приехал молодой японский инженер Kazukiyo Ishimura. Как он вспоминал впоследствии, компания вполне отдавала себе отчет в трудностях практической реализации данного метода синтеза, однако уже тогда Yamaha делала ставку на развитие цифровых технологий, справедливо считая их неотъемлемой частью электроинструментов будущего. Было заключено лицензионное соглашение о предоставлении компании исключительных прав на технологию FM-синтеза, принесшее университету в общей сложности больше 20 миллионов долларов и ставшее вторым наиболее прибыльным соглашением за всю историю Стенфорда. Эти вложения вполне себя оправдали — с появлением нового поколения цифровых процессоров, отвечавших предъявляемым требованиям по вычислительной мощности, Yamaha создает и в 1983 году выпускает на рынок свою легендарную модель DX 7 (рис. 4), ставшую безусловным хитом восьмидесятых. Синтезатор Yamaha DX 7 был полностью цифровым и использовал для звукообразования частотную модуляцию (впоследствии такой вид синтеза даже получил особое название — FM Digital Synthesis). Модель имела огромный успех. За четыре года производства (с 1983 по 1987) было продано более 160000 экземпляров, а среди нескончаемого списка использовавших ее музыкантов можно видеть множество известных имен.

О FM-синтезе звука (FM-синтез звука)

Основу DX 7 составляют шесть звукообразующих модулей, получивших название "операторы" (Operators). Что это такое? В качестве кирпичиков для создания сложных звуков в синтезаторе используются простейшие синусоидальные волны. Каждый из производящих эти волны осцилляторов имеет свои собственные генератор огибающей (EG), усилитель и сумматор (рис. 5).

О FM-синтезе звука (FM-синтез звука)

Вот такой комбинированный модуль и называется оператором. Если выход одного оператора направить на вход другого, на выходе последнего будет частотно-модулированный сигнал (рис. 6).

О FM-синтезе звука (FM-синтез звука)

Первый оператор будет в этом случае модулирующим (modulator), а второй — несущим (carrier). Поскольку операторов не два, а целых шесть, появляется множество вариантов их коммутации. В синтезаторе DX 7 нет возможности самому составлять цепочки операторов, но тридцати двух штатных комбинаций вполне хватает для работы, что еще раз доказывается огромной популярностью синтезатора. Схему соединения операторов назвали "алгоритмом" (Algorithm). Кстати, я не случайно упоминаю оригинальные названия — впоследствии они стали традиционными. Алгоритмы предлагались самые разные: операторы можно было включить последовательно, параллельно и смешанно (на рис. 7 приведены примеры некоторых из них).

О FM-синтезе звука (FM-синтез звука)

Весьма интересен вариант включения оператора с обратной связью (Feedback) — он при этом модулирует сам себя. Можно охватить обратной связью даже целую цепочку операторов (рис. 8). Представляете, сколько получится разных оттенков звучания? И каждый из них легко восстановить в любой момент благодаря цифровой системе управления (если вы, конечно, не забыли сохранить пресет). Но это еще не все! Наличие у каждого оператора отдельного генератора огибающей позволяет создавать сложные тембры, способные изменять свой спектральный состав во времени. Если вы разобрались с теорией, то без труда сообразите, что воздействие огибающей на модулирующий оператор проявится изменением тембра несущего (помните, от значения амплитуды модулирующей волны напрямую зависит отклонение частоты несущей).

О FM-синтезе звука (FM-синтез звука)

Звук у синтезатора получился совершенно особенный. Во-первых, из-за отсутствия у DX 7 даже намеков на эффекты, общее звучание оказалось довольно сухое и холодное. Во-вторых, наложил отпечаток и сам метод синтеза: басы вышли очень энергичные, органы —"жирные", а лиды — экспрессивные. Очень удачно звучат колокола, вибрафоны, маримбы и т. п. У синтов получилась такая "ядерная" взрывная атака, что они прошибают в миксе самые громкие партии. Тембры, изменяющиеся во времени, звуковые эффекты, металлические звуки были просто вне конкуренции. Возможностей хватало фактически на все музыкальные стили! С электрическим пианино вообще произошел казус. Звук электропиано в DX 7 (или, как его еще называют, DX piano) оказался настолько удачным, что производители настоящих электропиано практически разорились.

Еще из достоинств синтезатора стоит отметить полюбившуюся музыкантам качественную пятиоктавную клавиатуру, с хорошей чувствительностью к динамике и послекасанию.

Были, конечно, и недостатки — как у конкретного инструмента, так и у способа звукообразования. DX 7 однотембрален, имеет не слишком большую полифонию, маловато памяти и весьма посредственные ЦАП. Кроме того, выход синтезатора... монофонический. Есть неувязки и с реализацией MIDI-протокола. Но, тем не менее, ни один из следующих синтезаторов Yamaha, невзирая на многочисленные улучшения и нововведения, не смог даже приблизиться к уровню популярности DX 7.

Главный недостаток самого FM-синтеза — неспособность при его помощи полноценно имитировать акустические инструменты. Даже если вы никогда не прикасались к настоящему FM-синтезатору, наверняка вам приходилось хоть раз в жизни слышать дешевую компьютерную "звуковушку" — Adlib, Ess, Sound Blaster 16/Pro и т. п., штатный "синтезатор" которой (OPL2 или OPL3) работает по принципу частотной модуляции. Конечно, я далек от мысли сравнивать эти "свистки" с профессиональной техникой, но общее впечатление они дают верное — гитары, рояли, барабаны, скрипки звучат как с того света, а вот различные колокольчики, "пинькалки", органы и вудблоки — очень даже натурально.



Сергей НЕЧИТАЙЛО