Synteza FM - co to jest?

Jednym z powodów poszukiwań nowych rodzajów syntezy muzycznej była chęć realizacji systemów syntezy w technice cyfrowej, mającej wielką przewagę nad technika analogową w postaci stabilności i powtarzalności parametrów, a także precyzji ich określania. Poważną przeszkodą po temu były duże moce obliczeniowe wymagane do realizacji filtrów cyfrowych dla syntezy substraktywnej (uzyskiwanie żądanego widma z filtrowania złożonych przebiegów akustycznych) – żaden komputer nie był w stanie podołać zadaniu syntetyzowania próbek w czasie rzeczywistym, a rozwiązania sprzętowe były kłopotliwe i szalenie kosztowne (procesory DSP miały powstać dopiero gdzieś za 10 lat). Próby stosowania syntezy addytywnej (sumowanie odzielnie generowanych sinusoid – harmonicznych) zniechęcały bardzo dużą ilościa parametrów niezbędnych do ustawienia dla osiągnięcia zamierzonych rezultatów. W 1973 r. John Chowning, kierownik centrum muzyki komputerowej na Uniwersytecie Standford w Kalifornii opublikował wyniki swoich prac nad zastosowaniem techniki FM do syntezy dźwięku. Idea była genialna w swojej prostocie i zaskakiwała niezwykłymi możliwościami, w stosunku do ponoszonych nakładów.

Na czym polega synteza FM?

1. Weźmy zwykły generator, wytwarzający przebieg sinusoidalny o jakiejś częstotliwości f1 (z zakresu akustycznego) i posłuchajmy go. Jedna sinusoida, to jeden prążek widma. Jest to najuboższy i... najbardziej nudny dźwięk w przyrodzie, w praktyce niewiele przydatny w muzyce.

2. Weźmy zatem drugi taki generator i podłączmy go do pierwszego tak, aby jego przebieg modulował częstotliwość pierwszego generatora. . Częstotliwości f1 i f2 muszą oczywiście być z zakresu akustycznego i nie różnić się od siebie za wiele.

Wynik jest fantastyczny. Pierwszy generator, modulowany przez drugi daje na swoim wyjściu przebieg o bardzo bogatym widmie (przez co ciekawiej brzmiący), które można wyliczyć matematycznie z tzw. funkcji Bessela. Rozkład prążków widma i ich amplitudy (czyli brzmienie) zależą, w dużym uproszczeniu, od stosunku częstotliwości f1 i f2 obu generatorów oraz od tzw. wskaźnika modulacji, proporcjonalnego do amplitudy A2 sygnału z drugiego generatora.

3. Uzyskaliśmy więc skomplikowany przebieg o bogatym widmie, cóż z tego, skoro to cały czas brzmi tak samo... Rozbudujmy więc układ, i na jego wyjście dołączmy znany nam z klasycznego syntezatora wzmacniacz, o wzmocnieniu sterowanym z typowego generatora obwiedni ADSR.

 Jeśli chodzi o brzmienie, to nic się nie zmieniło, ale dzięki wprowadzeniu obwiedni amplitudy sygnału wyjściowego, układ nasz jest już w stanie generować dźwięki mające swój początek i koniec, czyli fazę narastania (ataku), trwania i wybrzmiewania.

4. W p. 2 powiedziano, że widmo, czyli brzmienie na wyjściu układu jest zależne m.in. od amplitudy A2 sygnału z drugiego generatora. Spróbujmy więc sterować amplitudą drugiego generatora tak samo, jak to zrobiliśmy z amplitudą pierwszego, przez dołączenie do jego wyjścia wzmacniacza sterowanego z generatora obwiedni ADSR.

 

Co uzyskaliśmy? W tak rozbudowanym układzie poziom wyjściowy sygnału zmienia się dzięki sterowanemu wzmacniaczowi na wyjściu pierwszego generatora. Ponieważ zmienia się również amplituda sygnału drugiego generatora, to będzie zmieniać się też widmo sygnału na wyjściu układu, gdyż jak powiedziano w p. 2, jest ono zależne od amplitudy A2. A zatem w tym układzie: obwiednia ADSR 1 odpowiada za zmiany głośności, a obwiednia ADSR 2 za zmiany... brzmienia.

5. Zauważmy, że nasz układ tak naprawdę składa się z dwóch identycznych bloków, wydzielmy je więc. Taki jeden otoczony kreskowana linią blok, złożony z generatora, wzmacniacza i obwiedni nazywa się operatorem. Operator jest podstawową jednostką syntezy w systemie FM.

 

 

Doszliśmy więc, krok po kroku do najprostszego układu syntezy FM, złożonego z dwóch operatorów.

6. Wzajemny układ połączeń pomiędzy operatorami nazywa się algorytmem. Tutaj widzimy jeden z dwóch algorytmów możliwych do stworzenia z dwóch operatorów (drugi algorytm to po prostu równoległe dołączenie wyjść operatorów do wyjścia układu). Drugi operator, co jest typowe w praktycznych rozwiązaniach, jest zapętlony, czyli po prostu moduluje... sam siebie. Jeśli głębokość modulacji będzie odpowiednio duża, czyli taki zapętlony operator będzie wytwarzał odpowiednio silny sygnał, to na jego wyjściu uzyska się przebieg o dużej ilości składowych nieharmonicznych, bardzo podobny do... zwykłego szumu.

 

I to jest cała tajemnica syntezy FM. Jak widać, kryje ona w sobie piękno i prostotę, gdyż do uzyskania sygnałów o bardzo rozbudowanym i dynamicznie zmieniającym się brzmieniu używa się zwykłych generatorów, wzmacniaczy i generatorów obwiedni. Są one w dość prosty sposób realizowalne w technice cyfrowej. Na dodatek ilość parametrów koniecznych do ustawiania w takim systemie syntezy jest stosunkowo niewielka.

Z syntezą FM zetknął się każdy, kto korzystał z dawnych, kart dźwiękowych typu Soundblaster i ich klonów. Dźwięki instrumentów były w nich wytwarzane właśnie przez syntezę FM, przy czym w prostszych kartach używano dwóch operatorów, a w późniejszych modelach czterech (synteza wavetable przed rokiem 1995 była jeszcze za droga do użycia w popularnych kartach). Wszystkie karty zachowujące zgodność z historycznym SB16 mają na pokładzie operatory do syntezy FM, ale już się z nich raczej nie korzysta...

W syntezatorach serii DX firmy Yamaha używano sześciu, lub czterech operatorów przy tańszych modelach. W rodzinie DX7 operatory były sinusoidalne, w późniejszych syntezatorach operator mógł już wytwarzać przebiegi również i o innych kształtach (prostokątny, piłokształtny itp.), co bardzo wzbogaciło możliwości brzmieniowe. Wprowadzona komercyjnie na rynek w słynnym modelu Yamaha DX7, synteza FM zaszokowała wszystkich naturalnym brzmieniem symulowanych instrumentów. Kto w tym miejscu zaczął parskać, niech weźmie pod uwagę fakt, że był to rok 1983 i żaden z komercyjnych syntezatorów tak nie brzmiał. Za pomocą syntezy FM doskonale można wytwarzać dźwięki instrumentów dętych, w tym i stroikowych, dobrze wychodzą brzmienia perkusyjne (dzwonki, wibrafony itp.), rozmaite organy, instrumenty strunowe, prętowe Rhodesy (słynne były rozmaite elektryczne pianina z DX7), szklanki itp. Niezbyt udane są stringi (do czasu FM7). Możliwa jest generacja przebiegów formantowych, w tym symulacja głosu, ale algorytmy w DX-ach nie były właściwe do tych celów, dopiero w modelu FS1R użyto, bardzo udatnie zresztą, syntezę FM do wytwarzania syntetycznych głosów i chórów.

Wadą syntezy FM jest jej nieprzewidywalność, tzn. trudno wstępnie określić ustawienia, prowadzące do założonego brzmienia. Generalnie silniejsze modulowanie operatora wzbogaca widmo sygnału na jego wyjściu i jest to jedyny pewnik. Praktycznie, próbując stworzyć od podstaw jakieś brzmienie, prawie zawsze dochodzi się do zupełnie innego, równie interesującego. Taka nieprzewidywalna edycja jest, co prawda gratką dla eksperymentatorów, ale może odstraszyć mniej przygotowanych użytkowników.