FM-синтез

FM-синтез (англ. Frequency Modulation, FM — частотно-модуляційний), операторний синтез — це форма синтезу аудіо, коли тембр простого сигналу змінюється шляхом модуляції його частоти такою частотою, що знаходиться у тому самому або аналогічному аудіодіапазоні, що створює складнішу форму хвилі та інше звучання. Частота генерованого звука змінюється або спотворюється відповідно до амплітуди модулюючого сигналу.

FM синтех за допомогою двох операторів
Несучий тон частотою 220 Гц (ля) fc модулюється тоном частотою 440 Гц fm, з різноманітним індексом модуляції , β. Отриманий звук показано на діаграмах: верхні ілюструють форму звукової хвилі, нижні - спектр (амплідута спектральних компонентів у дБ).
Форма хвилі для різних значень β

Спектр для різних значень β

FM-синтез може створювати як гармонічні, так і негармонічні звуки. Для синтезу гармонічних звуків модулюючий сигнал повинен мати гармонічні пропорції з вихідним сигналом. Із збільшенням амплітуди частотної модуляції звук стає все складнішим. Завдяки використанню частот з негармонічними пропорціями можна легко створювати нетональні (мультифонічні) та перкусивні звуки.

Використання аналогових звукових генераторів для FM-синтезу може призвести до нестабільності висоти звуку. Проте, FM-синтез також може бути реалізований цифровим способом, який є більш надійним і нині вважається стандартом. Yamaha побудували перший прототип цифрового синтезатора в 1974 році саме на основі FM-синтезу, перш ніж комерційно випустили Yamaha GS-1 в 1980 році. Synclavier I, вироблений компанією New England Digital Corporation, починаючи з 1978 року, включав у себе цифровий FM-синтез, використовуючи алгоритм від Yamaha. Інноваційний DX7 Yamaha, випущений в 1983 році, зробив FM-синтез найпередовішим методом генерування звуку в середині 1980-х років.

FM-синтез також став буденністю для комп'ютерних ігор і програмного забезпечення в 1990-х роках. За допомогою звукових карт, таких як AdLib та Sound Blaster, IBM PC популяризували чипи Yamaha, такі як OPL2 та OPL3. Наприклад, OPN2 був використаний в Sega Genesis як один з чипів генератора звуку.

Історія

Методика цифрового втілення частотної модуляції була розроблена Джоном Чоунінгом у Стенфордському університеті в 1967-68 і була запатентована в 1975 р. До цього алгоритм FM-синтезу був ліцензований японською компанією Yamaha в 1973 році. Спочатку він призначався для радіо, щоб передавати голос шляхом модуляції його частоти з частотою іншого сигналу. Ось чому FM-радіо називається FM (від слів «частотна модуляція»). Алгоритм Yamaha (патент США 4018121 Квітня 1977 р. або в патенті США 4018121) є насправді фазовою модуляцією, а не частотною, але їх кінцеві результати еквівалентні математично, оскільки обидві є по суті окремим випадком квадратурно-амплітудної модуляції, оскільки фазова модуляція є стійкою до небажаних альтерацій в частоті вихідних хвиль за рахунок самомодуляції або зміщення постійного струму в модулюючій хвилі.

Інженери Yamaha почали адаптувати алгоритм Чоунінга для використання в комерційному цифровому синтезаторі, додавши такі поліпшення, як метод «ключове масштабування», щоб уникнути спотворень звуку, які зазвичай відбувалися в аналогових системах при частотній модуляції. У 1970-ті роки Yamaha отримали ряд патентів, розвинувши ранні роботи Чоунінга. Yamaha побудували перший прототип цифрового FM-синтезатору у 1974 році. Зрештою, технологія вперше була використана комерційно в їхньому синтезаторі Yamaha GS-1, випущеним в 1980 році.

Yamaha запатентували своє апаратне забезпечення FM-синтезу у 1970-х роках і фактично монополізували цей ринок до середини 1990-х років. Casio розробили відповідну форму синтезу під назвою «синтез фазових спотворень», що використовується в ряді їхніх синтезаторів. Вони мали аналогічну (але трохи інакшу) якість звуку, ніж серія DX від Yamaha. Дон Бачла застосував FM-синтез у своїх інструментах ще в середині 1960-х років, до патенту Yamaha. Його 158, 258 та 259 дуальні генератори мали спеціальний FM-контроль керування напругою вхідного сигналу. Ці ранні програми використовували аналогові генератори, і така технологія була застосована в інших модульних та портативних синтезаторах, включаючи Minimoog та ARP Odyssey.

Після закінчення дії патенту Стенфордського університету у 1995 році цифровий FM-синтез тепер може бути вільно впровадженим іншими виробниками. Цей патент приніс Стенфорду 20 мільйонів доларів, що зробило його (у 1994 році) «другим за прибутковістю ліцензійним договором в історії Стенфорда». На сьогодні FM-синтез використовується переважно в програмних синтезаторах, таких як FM8 Native Instruments або Sytrus Image-Line, але він також включений в деякі сучасні цифрові синтезатори, співіснуючи разом з іншими методами синтезу. Ступінь складності FM-синтезу в таких апаратних синтезаторах може відрізнятись.

Нові апаратні синтезатори, націлені на саме FM-синтез, зникли з ринку після випуску Yamaha SY99 та FS1R, і навіть вони мали свій потужний FM-синтез лише як альтернативу іншим видам синтеза звуку. Проте, добре розроблені варіанти FM-синтезу є особливістю Nord-синтезаторів, вироблених компанією Clavia, ряду інструментів Alesis Fusion, Korg Oasys та Kronos, а також Modor NF-1. Неспеціалізовані синтезатори пропонують обмежені можливості FM-синтезу.

У 2016 році Korg випустив Korg Volca FM, FM-ітерацію серії компактних, доступних настільних модулів Korg Volca, а Yamaha випустила Montage, яка поєднує в собі 128-голосний семпловий генератор з 128-голосним FM-генератором. Ця FM-ітерація називається FMX, і має 8 операторів; кожен оператор має вибір з декількох основних форм хвилі, однак для кожної форми є кілька параметрів для регулювання її спектру. Elektron випустили FM-синтезатор Digitone в 2018 році.

FMX-синтез був створений в синтезаторах Yamaha Montage в 2016 році. FMX використовує 8 операторів. Кожен FMX-оператор має набір мультиспектральних хвильових форм на вибір, що означає, що кожен FMX-оператор може бути еквівалентним стеку з 3 або 4 DX7 FM-операторів. Список можливих хвильових форм включає синусоїдальні хвилі, хвильові форми All1 і All2, Odd1 та Odd2, Res1 і Res2. Відбір синусоїдальних хвиль працює так само, як і хвиль DX7. Хвильові форми All1 і All2 мають форму пилкоподібної хвилі. Odd1 та Odd2 — пульсоподібні або квадратні хвилі. Ці два типи хвильових форм можуть бути використані для моделювання основних гармонічних піків у нижній частині гармонічного спектру більшості інструментів. Res1 та Res2 переміщують спектральний пік до певної гармоніки і можуть бути використані для моделювання як трикутних, так і округлених груп гармонік в спектрі інструмента. Комбінування хвильової форми All1 або Odd1 з кількома хвильовими формами Res1 (або Res2) (і регулювання їхніх амплітуд) може змоделювати гармонічний спектр інструменту чи звуку.

Об'єднування наборів з 8 FM-операторів з багатоспектровими хвильовими формами було розпочато в 1999 році компанією Yamaha в синтезаторі FS1R. FS1R мав 16 операторів, 8 стандартних FM-операторів та 8 додаткових операторів, які використовували шуми, а не генератори, як джерело звуку. Додавши настроювані шуми, FS1R могла моделювати звуки, подібні до людського мовлення та духових інструментів, а також створювати звуки ударних інструментів. FS1R також містила додаткову хвильову форму, яка називається формант. Форманти можуть бути використані для моделювання звуку резонуючого тіла, як у віолончелі, скрипці, акустичній гітарі, фаготі, англійському розі або людському голосі.

Див. також

Джерела

  • Чоунінг, Дж. (1973). Синтез складного звукового спектру за допомогою модуляції частот(PDF). Journal of the Audio Engineering Society.
  • Чоунінг, Джон; Брістоу, Девід (1986). FM Theory & Applications — By Musicians For Musicians. Tokyo: Yamaha. ISBN 4-636-17482-8.
  • Роадс, Кертіс (1996). The Computer Music Tutorial. MIT Press. ISBN 978-0-262-68082-0.
  • Додж, Чарльз; Джерс, Томас А. (1997). Computer Music: Synthesis, Composition and Performance. New York: Schirmer Books. ISBN 0-02-864682-7.

Посилання

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.