Уголок музыканта-исследователя

FM-синтез

Метод FM-синтеза предложен в 1967 году американским ученым Джоном Чоунингом (John M. Chowning). В основе метода лежит частотная модуляция сигнала, значительно обогащающая сигнал гармониками, что позволяет формировать множество разнообразных тембров.

Преимуществом FM-синтеза являлась относительная простота и сравнительно невысокая стоимость синтезатора.

Теория

Основной единицей FM-синтеза является оператор - управляемый генератор звуковой частоты. Каждый оператор имеет выход и модулирующий вход, к которому может подключаться выход другого оператора, играющего в данном случае роль модулятора. Выходы нескольких операторов также могут соединяться между собой. Способ соединения операторов называется алгоритмом.

Оператор, выход которого направляется на выход синтезатора является генератором основной "несущей" (carrier) частоты, определяющей высоту тона. Если на выход синтезатора направляются выходы нескольких операторов, их сигналы суммируются, и слышны как одновременное звучание нескольких звуков. Такой способ позволяет создавать звуковые слои (layers). Если два генератора несущей, подключенные к выходу синтезатора, имеют небольшую расстройку по частоте, то на выходе получается эффект амплитудного вибрато.

Модулирующий оператор позволяют изменять тембр звука, генерируемого операторами, подключенными к его выходу. Соотношение величин несущей и модулирующей частот определяет количество и расположение новых гармоник, появляющихся в спектре генерируемого звука. В общем случае, спектр частотно-модулированного сигнала представлен на рисунке, где ω0 - несущая частота, а Ω - модулирующая частота.

Количество боковых гармоник определяется уровнем сигнала модулятора - чем выше уровень модулирующего сигнала, тем больше к сигналу добавляется гармоник, и, следовательно, тем ярче получается тембр.

Особый вид соединения операторов - обратная связь (feedback), когда выход оператора (или цепочки операторов) подключается к его модулирующему входу. Такой способ позволяет создавать шумоподобный спектр сигнала, гармоники в котором расположены очень плотно.

В состав каждого оператора входит также генератор огибающей (Envelope Generator), который управляет изменением амплитуды сигнала на выходе оператора.

Низкочастотный генератор (LFO) формирует сигнал, управляющий модуляцией сигнала на выходе всего алгоритма. С помощью этого генератора можно создавать эффект вибрато.

Литература

Настраиваемые параметры

Ниже приводится список стандартных настраиваемых параметров FM-синтеза применительно к синтезатору Yamaha DX7.

  • Algorithm - один из 32-х вариантов соединения операторов
  • Feedback - уровень обратной связи в одном из операторов (в любом алгоритме может быть только один оператор с обратной связью)
  • LFO - настройки низкочастотного генератора.
    • Wave - форма колебания (треугольник, пила, меандр, синусоида, и пр.)
    • Speed - скорость (частота) колебаний в пределах от 0 до 99
    • Delay - время между нажатием клавиши, и началом действия LFO-модуляции в пределах от 0 до 99
    • PDM - Pitch Modulation Depth, глубина частотной модуляции (модуляции высоты тона) в пределах от 0 до 99. Эта модуляция действует независимо от контроллеров.
    • AMD - Amplitude Modulation Depth, глубина амплитудной модуляции в пределах от 0 до 99. Действует независимо от контроллеров.
    • Sync - режим синхронизации. Когда включен, генерация начинается при нажатии клавиши с нулевой фазы, когда выключен - фаза колебания при нажатии клавиши оказывается случайной
  • Mod.Sensitivity - регулирует чувствительность (глубину) амплитудной и частотной (pitch) модуляции при вращении колеса модуляции (modulation wheel)
    • Pitch - чувствительность частотной модуляции в пределах от 0 до 7. Действует на все операторы сразу.
    • Amplitude - чувствительность амплитудной модуляции в пределах от 0 до 3. Устанавливается отдельно для каждого оператора. Применение модуляции к операторам несущей создает эффект тремоло, применение к операторам-модуляторам создает эффект "Вау".
  • Oscillator - настройки операторов
    • Mode - режим формирования частоты
      • -1 - режим, в котором частота (Ratio) оператора выбирается в зависимости от нажатой клавиши
      • +1 - режим фиксированной частоты (Fixed Freq), при котором частота устанавливается параметрами Frequency Coarse и Frequency Fine
    • Sync - режим синхронизации. Когда включен, генерация начинается при нажатии клавиши с нулевой фазы, в противном случае, фаза выбирается с учетом текущей фазы предыдущего тона чтобы обеспечить плавный переход.
    • Frequency Coarse/Fine - грубая и точная настройка частоты. В обычном режиме устанавливается как отношение к основной частоте, задаваемой нажатой клавишей (от 0.5 до 32). В режиме фиксированной частоты устанавливается в герцах.
    • Detune - относительная расстройка частоты в диапазионе от -7 до +7.
  • EG - Envelope Generator, настройки генератора огибающей, устанавливаемые для каждого оператора индивидуально. Устанавливаются по четырем последовательным точкам огибающей. Для каждой точки устанавливаются два параметра:
    • Level - устанавливает уровень соответствующей точки
    • Rate - устанавливает интервал времени, проходящий до тех пор, пока огибающая достигнет заданного для этой точки уровня

    Огибающая, заданная для оператора несущей влияет на изменение уровня сиграла, если огибающая задана для оператора-модулятора, она влияет на изменение тембра.

  • Keyboard Level Scaling - устанавливает изменение уровня сигнала в зависимости от нажатой клавиши (чтобы выровнять уровни в разных диапазионах клавиатуры).
    • Break Point - устанавливает "нулевую" точку клавиатуры, относительно которой устанавливаются остальные уровни
    • Curve - устанавливает вид кривой (линейная или экспоненциальная) корреции уровня слева и справа (два отдельных значения)
    • Depth - устанавливает глубину коррекции уровня слева и справа (два значения)
  • Operator - настройки операторов
    • Output level - выходной уровень сиграла оператора. Имеется также возможность полного выключения оператора.
    • Key Velocity Sensitivity - чувствительность к нажатию клавиш в диапазионе от 0 до 7
  • Pitch EG - огибающая изменения высоты тона. Устанавливается по четырем точкам параметрами Level и Rate в диапазоне от 0 до 99. Значение 50 означает стандартное, не измененное значение высоты тона, крайние значения устанавливают изменение тона в пределах +/- 4 октавы

Устройства

Ниже представлен небольшой обзор синтезаторов, реализующих технологию FM-синтеза.

Yamaha DX7

Синтезатор, выпущенный фирмой Yamaha в 1983 году. Благодаря своей популярности, стал своеобразным стандартом в области FM-синтеза. В настоящее время не выпускается.

Википедия: Yamaha DX7.

Yamaha DX7 Operating Manual.

Yamaha Reface DX

Компактный FM-синтезатор, активно выпускаемый в настоящее время. Представитель семейства синтезаторов Yamaha Reface.

  • Малоразмерная активная клавиатура, 37 клавиш.
  • Полифония 8 голосов
  • Фразовый лупер
  • 32 предустановленных тембра
  • 4 оператора
  • 12 алгоритмов

Руководство по использованию.

Korg Volca FM

Представитель семейства недорогих и компактных синтезаторов Korg Volca.

Трехголосный полифонический FM-синтезатор с 2-октавной сенсорной клавиатурой. Имеет синтезаторный движок в стиле DX7 с 6-ю операторами и 32-мя алгоритмами, MIDI-вход, а также разъёмы Sync In/Out для синхронизации с другими устройствами.

Документация.

Руководство пользователя.

Публикации

Preen FM

Preen FM - опенсорсный FM-синтезатор. Выпускаются наборы для самостоятельной сборки.

Программные реализации

Common FM Synthesizer

Common FM Synthesizer - программный эмулятор простейшего FM-синтезатора для устройств под управлением Android.

  • полифония - 4 голоса
  • 4 оператора
  • 8 алгоритмов
  • 128 тембров, из них 8 пресетных, остальные - пользовательские
  • простой модуль эффекта задержки

Несмотря на свою простоту, данный эмулятор оказывается наиболее предпочтительным для первого знакомства с FM-синтезом. Небольшое, и к тому же бесплатное приложение, хорошо работает даже на самых слабых устройствах. Небольшое количество настроек позволяет сконцентрировать внимание на самых основных принципах FM-синтеза.

Особенности

Синтезатор предоставляет восемь алгоритмов на основе четырех операторов.

Каждый оператор имеет семь настроек:

  1. Attack
  2. Decay
  3. Sustain
  4. Release
  5. Pitch
  6. Fine tune
  7. Level

Первые четыре параметра устанавливают вид огибающей (envelope).

Параметры Pitch и Fine tune устанавливают частоту генератора. Частота выставляется в виде отношения к основной высоте тона (задаваемой нажатой клавишей) в полутонах хроматической гаммы. Предел изменения частоты +/-48 полутонов (т.е. по четыре октавы в каждую сторону). Диапазон точной настройки +/- полутон.

Параметр Level устанавливает выходной уровень оператора. Для выключения оператора следует установить этот параметр в ноль.

Кроме того, четвертый оператор имеет дополнительный параметр Feedback, задающий уровень обратной связи в этом операторе.

Главное меню приложения предоставляет операции сохранения, копирования, и переименования создаваемых звуков.

Rockrelay Synth DX7

Программный эмулятор DX7 для устройств под управлением Android.

Rockrelay Synth DX7.

  • 512 встроенных тонов (16 банков по 32 тона)
  • 6 операторов
  • встроенный эмулятор клавиатуры на 8 октав
  • встроенные эффекты реверберации и задержки
  • полная поддержка MIDI - возможно подключение MIDI-устройств через USB с помощью OTG-адаптера
Настройки

Настройки синтезатора представлены в семи панелях:

  1. Voice - позволяет выбирать один из 512 встроенных тонов, расположенных в шестнадцати банках
  2. LFO - стандартные настройки низкочастотного генератора: Speed, Delay, AMD, PMD, PMS, Waveform.

    Параметр Sync представлен в двух видах:

    • LFO Sync - синхронизация низкочастотного генератора (см. стандартный параметр LFO/Sync)
    • Osc Sync - синхронизация операторов (см. стандартный параметр Oscillator/Sync)

    Также в этой панели выбираются параметры Algorithm и Feedback.

  3. Frequency - стандартные настройки параметров генерации для каждого из операторов: уровень, чувствительность, частота, расстройка
  4. Envelope - стандартные настройки огибающей для каждого из операторов по четырем точкам.

    Дополнительные параметры из стандартного раздела Keyboard Level Scaling:

    • Rate Scale
    • Depth L
    • KS Curve L
    • KS Break P.
    • KS Curve R
    • KS Depth R
  5. Pitch Env. - стандартные настройки огибающей высоты тона по четырем точкам
  6. Fx - настройки эффектов Delay и Reverb
  7. Keyboard - отображает два ряда клавиш с возможностью выбора диапазона для каждого из них

Dexed

Dexed - эмулятор аналогового FM-синтезатора Yamaha DX7, реализованный в виде VST-плагина.

Распространяется в виде установщика для Windows. При установке кроме самого плагина устанавливается программа, позволяющая запускать плагин отдельно, вне какой-либо DAW.

Особенности
Бесконечные ноты

Если выставить в настройках огибающей оператора EG LEVEL 4 = 99 и EG RATE 4 = 0, при нажатии клавиши данный оператор будет звучать бесконечно. Чтобы этого не произошло, лучше заранее проверить настройки четвертой точки огибающей. Наиболее безопасный вариант: EG LEVEL 4 = 0, EG RATE 4 = 99.

Если все-таки бесконечное звучание началось, его можно прекратить переключив туда-сюда тумблер "mono", расположенный в левой нижней части окна, или изменить находяющуся рядом с ним настройку "middle C".

Как пишут в Dexed FAQ, бесконечное звучание является особенностью оригинального синтезатора Yamaha DX7, и порой используется на практике.