Moderní typy syntezátorů s analogovým modelováním

Moderní typy syntezátorů s analogovým modelováním Modern types of analog modeling synthesizers

Jiří Schimmel* Abstract The synthesisers are electronic musical instruments that simulate sounds of an acoustic musical instruments using various methods of sound synthesis or create wholly new sounds that we could not find in the nature. Analog modeling synthesisers are digital electronic musical instruments that simulate vintage analogue synthesisers that have been the first electronic instruments. These instruments consist of particular blocks whose mutual connections and parameters adjusting, which generate various sounds, are user-controlled. This paper deals with analog modeling synthesizer structure. Obecná struktura virtuálního analogového syntezátoru Každý syntezátor s analogovým modelováním se skládá ze 4 základních bloků: zvukového generátoru, efektového procesoru, řídících prvků a obvodů a MIDI rozhraní. Funkce zvukového generátoru a efektového procesoru bude probrána dále. Řídícími prvky se kromě klaviatury (kterou nástroj nemusí mít, pokud jde o tzv. expander) myslí spínače, průběžné ovládací prvky (tzv. kontrolery) a připojitelné pedály a speciální ovladače (dechové kontrolery). Tyto prvky řídí buďto jeden pevně přidělený parametr nebo libovolně volitelný parametr popř. skupinu parametrů zvukového generátoru. Díky těmto řídícím prvkům lze měnit barvu zvuku v reálném čase. MIDI rozhraní je speciální komunikační rozhraní sloužící k přenosu hudebních dat mezi elektronickými hudebními nástroji a zařízeními pro záznam těchto dat, tzv. sekvencery. Druhy syntéz používané ve zvukovém generátoru Zvukový generátor analogových syntezátorů kombinuje aditivní a subtraktivní syntézu s modulačními syntézami PWM, RM a FM a speciálními druhy syntéz.

*

Ing. Jiří Schimmel, Ústav telekomunikací, FEI VUT Brno , Purkyňova 118, 612 00 Brno tel.: +420 5 41149167, fax.: +420 5 41149192, e-mail: [email protected]

Aditivní syntéza

Aditivní (součtová) syntéza pracuje s řadou oscilátorů, jejichž výstupní signály se sčítají. Kromě sinusových oscilátorů se používají i generátory pily, trojúhelníků, obdélníků s nastavitelnou šířkou pulsu a generátory šumu. U f A OSC 1

f A OSC 2

f A OSC 3

f A OSC N

analogových

syntezátorů

docházelo vlivem teplotní nestability polovodičových

+

původních prvků

ke

vzájemnému

rozlaďování

oscilátorů. To mělo ovšem příznivý vliv na zvuk, který přestal být ”uniformní” a zvýšila se jeho

Obr. 1: Aditivní syntéza

zvuková

”sytost”.

Proto

moderní

aditivní

syntezátory nabízejí kromě režimu ”unisono” (sync), ve kterém jsou oscilátory synchronizovány, i režim, ve kterém je simulováno jejich rozlaďování v nastavitelném rozsahu. Subtraktivní syntéza

Subtraktivní (rozdílová) syntéza pracuje s řadou filtrů, které omezují spektrum signálu bohatého na vyšší harmonické. Používají se parametrické filtry typu dolní a horní propust a pásmová propust a zádrž s různými strmostmi a speciální filtry, např. filtry simulující vokální trakt a all-pole filtry. Řazení filtrů může být paralelní nebo sériové. PWM syntéza

PWM (Pulse Width Modulation) je modulace šířky impulsu obdélníkového signálu (šířky sestupné hrany u trojúhelníkového průběhu). Výstupem PWM je signál s časově proměnným spektrem s časově kolísajícím poměrem vyšších harmonických. RM syntéza

RM je zkratka pro Ring Modulation, čili kruhovou modulaci. Kruhový modulátor se v analogové technice realizuje známým diodový modulátorem, v digitální oblasti je kruhový modulátor realizován násobičkou. Na jeho výstupu je signál amplitudové modulace typu DSB-SC, čili s oběma postraními pásmy ale s potlačenou nosnou. FM syntéza

FM syntéza pracuje na principu frekvenční modulace dvou oscilátorů. Jeden pracuje jako generátor nosného signálu (tzv. nosič), druhý jako generátor modulačního signálu (tzv. modulátor). Použijeme-li složitější průběhy místo sinusových, budou se

mezi sebou modulovat i alikvotní tóny (vyšší harmonické signálu) a vznikne velmi složité spektrum. Jsou-li vstupní signály v celočíselném poměru, vznikne harmonické spektrum. Pokud budou vstupní signály v neharmonickém poměru, vznikne neharmonické spektrum - perkusivní a kovové zvuky nebo jiné neharmonické zvukové komplexy. Dvojice oscilátorů modulátor-nosič se nazývá operátor. f A modulátor

+

f A

f A nosič

Budou-li i další dvojice oscilátorů pracovat v FM režimu, můžeme operátory mezi sebou spojovat paralelně (jeden operátor řídí hlasitost modulátoru druhého operátoru) nebo

sériově (jeden operátor řídí kmitočet modulátoru druhého Obr. 2: FM operátor operátoru) do tzv. algoritmu. Nejběžnější jsou 2- a 4-operátorové algoritmy. Speciální typy syntéz

Díky některým konstrukcím aditivního a subtraktivního syntezátoru a jejich vzájemným propojením lze realizovat i speciální syntézy např. formantovou syntézu a vocoder. U formantové syntézy vytváří aditivní syntezátor signál, který se v subtraktivním syntezátoru filtruje několika paralelně

f

A OSC

A NG

spojenými pásmovými propustmi naladěnými na formantové oblasti hudebních nástrojů a lidského hlasu.

x

A

Vocoder vyrábí pomocí křížové syntézy zvuky napodobující řeč. Pomocí harmonického oscilátoru se vytváří vokály, pomocí šumového generátoru souhlásky a signál prochází filtrem napodobujícím rezonanci vokálního traktu (viz obr. 3). Časové

All-pole filter

Obr. 3: Vocoder

průběhy zvuku a nastavení oscilátorů a filtru se zjistí předchozí analýzou zvuku. Struktura zvukového generátoru Zvukový generátor se skládá ze sudého počtu napětím řízených oscilátorů - Voltage Controlled Oscilator VCO (nejčastěji 2 nebo 4). Dvojice oscilátorů slouží jako vstupní signály RM modulu a zároveň mohou být přepojeny do FM režimu a společně tvořit jeden FM operátor (viz obr. 4). Vstupem napěťově řízených oscilátorů jsou signály určující kmitočet oscilátoru, tj. výšku tónu (pitch), a šířku impulsu při generování obdélníkového signálu pro pulsně-šířkovou modulaci (PWM). Výstupem jsou signály obou oscilátorů (v případě FM syntézy výstupní signál modulátoru a celého operátoru) a kruhového modulátoru.

+

Pitch 1

VCO 1 f PWM

PWM 1

Sinus Saw Square Triangle

VCO1/FM out

SYNC

VCO 2

Pitch 2

f

PWM 2

PWM

RM out

RM

FM

Sinus Saw Square Triangle

sync VCO2 out

SYNC

Obr. 4: Struktura jednoho bloku oscilátorů syntezátoru Trojice výstupních signálů z jednotlivých bloků oscilátorů z obr. 4 jsou přiváděny na vstup sumačního zesilovače označovaného pre-filter mix. Na jeho vstup jsou rovněž přiváděny výstupní signály generátorů šumu a v mnoha případech i signály ze vstupů pro externí audio signály a zpětná vazba z výstupu subtraktivního syntezátoru. Za tímto sumačním zesilovačem následuje blok subtraktivního syntezátoru - banka parametrických napěťově řízených filtrů - Voltage Controlled Filter VCF. Tyto filtry jsou řazeny sériově, paralelně nebo kombinovaně. Při paralelním nebo kombinovaném řazení filtrů následuje za subtraktivním syntezátorem další sumační zesilovač, tentokrát označovaný post-filter mix. Posledním blokem zvukového generátoru je napětím řízený zesilovač - Voltage Controlled Amplifier - VCA, který řídí průběh hlasitosti zvuku během přehrávání. Obecné blokové schéma syntezátoru je uvedeno na obr. 5. Controller

LFO 1 Square, Sine, Triangle, saw, s&h

LFO 2 Square, Sine, Triangle, saw, s&h

Keyboard

PEG 1

PEG 2

FEG 1S

FEG NS

FEG 1P

VCO 1/2 Pitch 1 PWM 1 Pitch 2 PWM2

VCF 1P

VCO1/FM RM VCO2

LPF, HPF, BPF, BEF, All-pole

VCF 2P

VCO 3/4 Pitch 1 PWM 1 Pitch 2 PWM2

VCO1/FM RM VCO2

Noise Generator

LPF, HPF, BPF, BEF, All-pole

PREFILTER MIX

VCF 1S

VCF NS

LPF, HPF, BPF, BEF, All-pole

LPF, HPF, BPF, BEF, All-pole

POST FILTER MIX

LFO N Square, Sine, Triangle, saw, s&h

feedback

AEG

FEG NP

FEG 2P

VCF NP LPF, HPF, BPF, BEF, All-pole

External Audio

Obr. 5: Obecná struktura syntezátoru

VCA

K řízení parametrů jednotlivých typů syntéz se kromě průběžných ovládacích prvků syntezátoru používají také speciální obvody - generátory řídících signálů. Používají se dva druhy: pomaloběžné (sub-akustické) oscilátory - Low Frequency Oscillator LFO - a generátory obálek - Envelope Generator EG. Na obr. 5 Jsou řídící signály těchto obvodů označeny tenkou čarou, kdežto tok audio signálu tlustou čarou a řídící signály ovládacích prvků (klaviatury a kontrolerů) přerušovanou čarou. Subakustické oscilátory

LFO jsou oscilátory s kmitočtem nastavitelným od desetin do desítek Hz. Kromě základních průběhů (sinusovka, pila, trojúhelník, obdélník) se používají i průběhy označované sample & hold (s&h). Jsou to buďto náhodné signály nebo naprogramované sekvence, které se mění podle nastaveného rytmu. Tím vznikají rytmické změny barvy signálu. LFO se používají pro řízení šířky impulsu (vznikne PWM), řízení kmitočtu oscilátoru (vznikne efekt vibráto), k nastavování mezního kmitočtu filtrů (efekt wah) i k modulování amplitudy výstupního signálu (efekt tremolo). Generátory obálek

EG se používají pro řízení kmitočtu oscilátorů (Pitch Envelope Generator PEG), mezního kmitočtu filtrů (Filter Envelope Generator FEG) a průběhu amplitudy výstupního signálu (Amplitude Envelope Generator AEG). Obálka

určuje

průběh

parametru

v několika

úsecích během přehrávání. Nejpoužívanější typ obálky je typ ADSR. Je definovaná čtyřmi parametry: Attack Time je čas, za který dosáhne velikost parametru (např. hlasitosti) svého maxima. Decay Time určuje dobu, za Obr. 6: Obálka typu ADSR

kterou klesne hodnota parametru z maximální hodnoty

na hodnotu Sustain level. Tato hodnota je udržována po celou dobu držení klávesy. Release Time je čas, za který hodnota parametru po puštění klávesy klesne na nulu (viz obr. 6). V některých případech se u PEG používají jednoduché dvouparametrové generátory obálek typu Depth/Decay. První parametr určuje velikost změny a druhý dobu, za kterou se hodnota parametru ustálí na klidové (původní) hodnotě. Naopak existují i složitější generátory obálek typu ADSR, které mají zdvojené parametry Decay a Release. U původních analogových syntezátorů se pro měření intervalů daných parametry Attack, Decay a Release používalo nabíjení kondenzátoru, ze kterého se

přímo snímalo řídící napětí. Proto byly náběhy parametrů logaritmické a poklesy exponenciální. Postupem času se ale začaly používat obvody pro nabíjení kondenzátorů konstantním proudem a tyto průběhy se linearizovaly. U některých moderních syntezátorů můžete volit mezi lineárním (linear), logaritmickým (fast fade) a exponenciálním (slow fade) náběhem či poklesem. Struktura efektového procesoru Efektový procesor virtuálního analogového syntezátoru se obecně skládá ze čtyř bloků - bloku Variation, Equalizer, Modulation effects a Delay effects. Řazení těchto bloků je sériové, poslední dva mohou být řazeny i paralelně. Jednotlivé bloky a samozřejmě i celý efektový procesor lze odpojit. BYPASS

BYPASS

Variation Effects

Equalizer

BYPASS

Modulation Effects

BYPASS

Delay Effects

+

Obr. 7: Struktura efektového procesoru Blok variačních efektů

Tento blok obsahuje různé typy efektů pracujících převážně na principu průchodu signálu systémem s nelineární převodní charakteristikou. Patří sem různé ”kytarové” efekty, jako Distortion, Overdrive, Fuzz a komresory/expandery. Blok ekvalizéru

Tento blok obsahuje buďto jen grafický ekvalizér nebo i paragrafický ekvalizér a filtry typu dolní a horní propust. Parametrické filtry se v efektovém procesoru většinou nepoužívají. Blok modulačních efektů

Tento blok v sobě sdružuje všechny typy modulačních efektů - chorus, flanger, vibráto, phaser atd. Všechny tyto efekty dávají zvuku ”hutnost” a prostorovost. Blok zpožďovacích efektů

Tento blok obsahuje efekty vytvářející zvukové odrazy (delay, multi-tap delay, echo, early reflections), simulátor poslechových prostředí (efekt Reverb) a efekty pro směrování signálu ve stereofonním obraze (auto panner, cross-delay, stereo echo). Tento blok bývá zařazen ve zvukovém řetězci jako poslední.

Obr. 8: Tónový generátor a efektový procesor syntezátoru Yamaha AN1-x Závěr V článku bylo uvedeno a popsáno obecné blokové schéma moderního syntezátoru s analogovým modelováním. Skutečné syntezátory nebývají tak složité, zvláště kombinace sériového a paralelního řazení filtrů subtraktivního syntezátoru není obvyklá. Nejnovější syntezátor s analogovým modelováním Alesis Andromeda A6 má 4 LFO (jeden typu s&h), 2 oscilátory se 4 typy průběhů, možností synchronizace a PWM a s kruhovým modulátorem. Do pre-filter mixu vstupují kromě těchto signálů ještě dva externí vstupy a generátor šumu. Subtraktivní syntezátor má 4 paralelně řazené filtry. Tři z nich jsou filtry 2. řádu typu dolní, horní a pásmová propust a jeden je typu dolní propust 4. řádu. Všechny tři generátory obálek (PEG, FEG a AEG) jsou typu ADSR se zdvojenými úseky Decay a Release. Blokové schéma syntezátoru Yamaha AN1-x je na obr. 8. Řazení filtrů je narozdíl od Andromedy sériové a jeden z oscilátorů má speciální konstrukci - je složen ze dvou oscilátorů (Master/Slave), které lze synchronizovat. Literatura [1] AN1x Control Synthesizer Analog Physical Modeling. Yamaha Corporation, 1997. [2] MS200 Analog Modeling Synthesizer. KORG & MORE GmbH, Marburg 2000. [3] Andromeda A6 Polyphonic Analog Synth. Alesis Corporation, Santa Monica 2000. [4] FORRÓ, D.: Počítače a hudba. Grada, Praha 1994. [5] FORRÓ, D.: Domácí nahrávací studio. Grada, Praha 1996.