Syntéza frekvenční modulace - Frequency modulation synthesis

**Syntéza FM pomocí 2 operátorů**
220 Hz nosný tón f _c modulován modulační tónem 440 Hz f _m , s různými volby indexu frekvenční modulace , p . Signály časové oblasti jsou znázorněny výše a odpovídající spektra jsou uvedena níže (amplitudy spektra v dB ).
Průběhy pro každý β
Spektra pro každé β

Syntéza frekvenční modulace (nebo FM syntéza ) je forma zvukové syntézy, při níž se frekvence průběhu mění modulací její frekvence pomocí modulátoru. Frekvence oscilátoru se mění „v souladu s amplitudou modulačního signálu“.

Syntéza FM může vytvářet harmonické i neharmonické zvuky. Aby bylo možné syntetizovat harmonické zvuky, musí mít modulační signál harmonický vztah k původnímu nosnému signálu. S rostoucí frekvenční modulací se zvuk postupně stává komplexnějším. Použitím modulátorů s frekvencemi, které jsou neceločíselnými násobky nosného signálu (tj. Neharmonické), lze vytvořit neharmonická zvonovitá a perkusní spektra.

Syntéza FM pomocí analogových oscilátorů může mít za následek nestabilitu výšky tónu. Syntéza FM však může být implementována také digitálně, což je stabilnější a stala se standardní praxí. Digitální FM syntéza (implementovaná jako fázová modulace ) byla základem několika hudebních nástrojů začínajících již v roce 1974. Yamaha postavila první prototyp digitálního syntezátoru v roce 1974, založený na FM syntéze, než komerčně uvolnila Yamaha GS-1 v roce 1980. Synclavier I , vyráběný společností New England Digital Corporation počínaje rokem 1978, jsem zahrnoval digitální FM syntezátor využívající algoritmus syntézy FM licencovaný společností Yamaha. Průlomový syntezátor Yamaha DX7 , vydaný v roce 1983, v polovině osmdesátých let přivedl FM do popředí syntézy.

Syntéza FM se také stala obvyklým prostředím pro hry a software až do poloviny devadesátých let. Prostřednictvím zvukových karet, jako jsou AdLib a Sound Blaster , počítače IBM propagovaly čipy Yamaha jako OPL2 a OPL3 . OPNB byl použit jako hlavní základní deska generátoru zvuku v arkádách SNK ovládaných Neo Geo (MVS) a domácí konzole (AES). Pozdější varianta používaná pro Taito Z System . Související OPN2 byl použit ve Fujitsu FM Towns Marty a Sega Genesis jako jeden z jeho čipů generátoru zvuku. Podobně Sharp X68000 a MSX ( počítačová jednotka Yamaha ) také používají zvukový čip založený na FM, OPM.

Dějiny

60. - 80. léta 20. století

V polovině 20. století byla frekvenční modulace (FM), prostředek pro přenos zvuku, chápána po celá desetiletí a byla používána k vysílání rádiových přenosů . Syntéza FM byla vyvinuta v 60. letech na Stanfordské univerzitě v Kalifornii Johnem Chowningem , který se pokoušel vytvářet zvuky odlišné od analogové syntézy . Jeho algoritmus byl licencován japonské společnosti Yamaha v roce 1973. Implementace uváděná na trh společností Yamaha (US Patent 4018121 Apr 1977 nebo US Patent 4 018 121) je ve skutečnosti založena na fázové modulaci , ale výsledky jsou matematicky ekvivalentní, protože oba jsou v podstatě zvláštním případem kvadraturní amplitudová modulace .

Syntézu digitální frekvenční modulace vyvinul John Chowning

Inženýři společnosti Yamaha začali přizpůsobovat Chowningův algoritmus pro použití v komerčním digitálním syntezátoru a přidali vylepšení, jako je například metoda „key scaling“, aby se předešlo zkreslení, ke kterému obvykle docházelo v analogových systémech během kmitočtové modulace , ačkoli než by Yamaha vydala jejich Digitální syntezátory FM. V 70. Yamaha postavila první prototyp digitálního syntetizátoru FM v roce 1974. Yamaha nakonec komercializovala technologii syntézy FM s Yamaha GS-1, prvním FM digitálním syntetizátorem, vydaným v roce 1980.

Syntéza FM byla základem některých raných generací digitálních syntetizátorů , zejména těch od Yamahy a New England Digital Corporation na základě licence od Yamahy. Syntezátor Yamaha DX7 , vydaný v roce 1983, byl všudypřítomný po celá osmdesátá léta. Několik dalších modelů společnosti Yamaha poskytlo během tohoto desetiletí variace a evoluce syntézy FM.

Yamaha si v 70. letech minulého století nechala patentovat hardwarovou implementaci FM, což jí umožnilo téměř monopolizovat trh s FM technologií až do poloviny 90. let. Společnost Casio vyvinula příbuznou formu syntézy zvanou syntéza fázového zkreslení , která se používá v řadě syntetizátorů CZ . Měla podobnou (ale trochu odlišně odvozenou) kvalitu zvuku jako u řady DX. Don Buchla implementoval FM na své nástroje v polovině šedesátých let, před patentem Yamahy. Jeho moduly duálních oscilátorů 158, 258 a 259 měly specifický vstup řídicího napětí FM a model 208 (Music Easel) měl pevně zapojený modulační oscilátor, který umožňoval FM i AM primárního oscilátoru. Tyto rané aplikace používaly analogové oscilátory a na tuto schopnost navazovaly také další modulární syntezátory a přenosné syntezátory včetně Minimoog a ARP Odyssey .

1990 - současnost

S vypršením platnosti patentu Stanford University FM v roce 1995 může být digitální syntéza FM nyní volně implementována jinými výrobci. Patent na syntézu FM přinesl Stanfordu 20 milionů dolarů, než vypršela, což z něj (v roce 1994) učinilo „druhou nejlukrativnější licenční smlouvu v historii Stanfordu“. FM se dnes většinou vyskytuje v softwarových syntezátorech, jako je FM8 od Native Instruments nebo Sytrus od Image-Line , ale byl také začleněn do repertoáru syntézy některých moderních digitálních syntetizátorů, obvykle koexistujících jako možnost vedle jiných metod syntézy, jako je jako subtraktivní , syntéza založená na vzorcích , aditivní syntéza a další techniky. Stupeň složitosti FM v těchto hardwarových syntetizátorech se může lišit od jednoduchých FM s 2 operátory, přes vysoce flexibilní motory se 6 operátory Korg Kronos a Alesis Fusion , až po vytvoření FM v rozsáhle modulárních motorech, jako jsou ty nejnovější syntetizátory od Kurzweil Music Systems .

Nové hardwarové syntezátory specificky na trh pro své schopnosti FM zmizely z trhu po vydání Yamaha SY99 a FS1R , a to i těm, které prodává své vysoce výkonné FM schopnosti jako protějšky k syntéze vzorku bázi a formant syntézy resp. Dobře vyvinuté možnosti syntézy FM jsou však součástí syntezátorů Nord Lead vyráběných společností Clavia, řada Alesis Fusion , Korg Oasys a Kronos a Modor NF-1. Různé další syntezátory nabízejí omezené schopnosti FM k doplnění jejich hlavních motorů.

V roce 2016, Korg pustil Korg Volca FM, A, 3-hlas, 6 provozovatelé FM iteraci Korg Volca řady kompaktních, cenově dostupné stolní moduly a Yamaha pustil sestřih , který kombinuje motor 128 hlasový vzorek na bázi s 128hlasý FM motor. Tato iterace FM se nazývá FM-X a nabízí 8 operátorů; každý operátor má na výběr z několika základních tvarů vln, ale každá forma vlny má několik parametrů pro úpravu spektra. Po Yamaha Montage následovala v roce 2018 cenově dostupnější Yamaha MODX , se 128 hlasovým motorem založeným na vzorcích a 64- hlasou architekturou FM-X s 8 operátory. Elektron v roce 2018 uvedl na trh Digitone , 8hlasý , 4 operátorový FM syntezátor s proslulým sekvenčním motorem Elektron.

Syntéza FM-X byla představena se syntetizátory Yamaha Montage v roce 2016. FM-X používá 8 operátorů. Každý operátor FM-X má na výběr sadu multispektrálních tvarů vln, což znamená, že každý operátor FM-X může být ekvivalentem hromady 3 nebo 4 operátorů DX7 FM. Seznam volitelných tvarů vln obsahuje sinusové vlny, tvary vln All1 a All2, tvary vln Odd1 a Odd2 a tvary vln Res1 a Res2. Výběr sinusových vln funguje stejně jako tvary vln DX7. Vlny All1 a All2 jsou vlnovou formou pilového zubu. Vlny Odd1 a Odd2 jsou pulzní nebo čtvercové vlny. Tyto dva typy vlnových forem lze použít k modelování základních harmonických špiček ve spodní části harmonického spektra většiny nástrojů. Formy vln Res1 a Res2 přesouvají spektrální vrchol na konkrétní harmonickou a lze je použít k modelování buď trojúhelníkových nebo zaoblených skupin harmonických dále nahoru ve spektru nástroje. Kombinací vlnového tvaru All1 nebo Odd1 s více vlnovými formami Res1 (nebo Res2) (a úpravou jejich amplitud) lze modelovat harmonické spektrum nástroje nebo zvuku.

Kombinace souborů 8 FM operátorů s vícespektrálními vlnovými formami začala v roce 1999 společností Yamaha ve FS1R. FS1R měl 16 operátorů, 8 standardních FM operátorů a 8 dalších operátorů, kteří jako zdroj zvuku používali spíše zdroj hluku než oscilátor. Přidáním laditelných zdrojů hluku mohl FS1R modelovat zvuky produkované lidským hlasem a dechovým nástrojem spolu se zvukem bicích nástrojů. FS1R také obsahoval další vlnovou formu nazývanou Formantova vlnová forma. Formanty lze použít k modelování rezonujících zvuků tělesných nástrojů, jako je violoncello, housle, akustická kytara, fagot, anglický roh nebo lidský hlas. Formanty lze dokonce nalézt v harmonickém spektru několika dechových nástrojů.

Spektrální analýza

Spektrum generované syntézou FM s jedním modulátorem je vyjádřeno následovně:

U modulačního signálu je nosný signál ${\ Displaystyle m (t) = B \, \ sin (\ omega _ {m} t) \,}$

{\ Displaystyle {\ begin {aligned} FM (t) & \ = \ A \, \ sin \ left (\, \ int _ {0}^{t} \ left (\ omega _ {c}+B \, \ sin (\ omega _ {m} \, \ tau) \ right) d \ tau \ right) \\ & \ = \ A \, \ sin \ left (\ omega _ {c} \, t-{\ frac {B} {\ omega _ {m}}} \ left (\ cos (\ omega _ {m} \, t) -1 \ right) \ right) \\ & \ = \ A \, \ sin \ left ( \ omega _ {c} \, t+{\ frac {B} {\ omega _ {m}}} \ left (\ sin (\ omega _ {m} \, t- \ pi /2) +1 \ right) \ right) \\\ end {aligned}}}

Pokud bychom ignorovali konstantní fázové členy na nosiči a modulátoru , nakonec bychom získali následující výraz, jak je vidět na Chowning 1973 a Roads 1996 , s. 232 : ${\ Displaystyle \ phi _ {c} = B/\ omega _ {m} \,}$ ${\ Displaystyle \ phi _ {m} =-\ pi /2 \,}$

{\ Displaystyle {\ begin {aligned} FM (t) & \ \ zhruba \ A \, \ sin \ left (\ omega _ {c} \, t+\ beta \, \ sin (\ omega _ {m} \, t) \ right) \\ & \ = \ A \ left (J_ {0} (\ beta) \ sin (\ omega _ {c} \, t)+\ sum _ {n = 1}^{\ infty} J_ {n} (\ beta) \ left [\, \ sin ((\ omega _ {c} +n \, \ omega _ {m}) \, t) \ +\ (-1)^{n} \ hřích ((\ omega _ {c} -n \, \ omega _ {m}) \, t) \, \ right] \ right) \\ & \ = \ A \ sum _ {n =-\ infty}^ {\ infty} J_ {n} (\ beta) \, \ sin ((\ omega _ {c}+n \, \ omega _ {m}) \, t) \ end {zarovnáno}}}

kde jsou úhlové frekvence ( ) nosné a modulátoru, je index frekvenční modulace a amplitudy je -th Besselova funkce prvního druhu . ${\ Displaystyle \ omega _ {c} \ ,, \, \ omega _ {m} \,}$ ${\ Displaystyle \, \ omega = 2 \ pi f \,}$ ${\ displaystyle \ beta = B/\ omega _ {m} \,}$ ${\ displaystyle J_ {n} (\ beta) \,}$ ${\ displaystyle n \,}$

Poznámka pod čarou

Viz také

Citace

Reference

Chowning, J. (1973). „Syntéza komplexních zvukových spektrů prostředky frekvenční modulace“ (PDF) . Journal of the Audio Engineering Society . 21 odst.(k dispozici také v PDF jako digitální verze 13.2.2007 )
Chowning, Johne; Bristow, David (1986). FM teorie a aplikace - od hudebníků pro hudebníky . Tokio: Yamaha. ISBN 4-636-17482-8.
Roads, Curtis (1996). Výukový program počítačové hudby . Stiskněte MIT. ISBN 978-0-262-68082-0.
Dodge, Charles; Jerse, Thomas A. (1997). Počítačová hudba: Syntéza, složení a výkon . New York: Schirmer Books. ISBN 0-02-864682-7.

externí odkazy

Úvod do FM , Bill Schottstaedt
FM návod
Synth Secrets, část 12: Úvod do frekvenční modulace , Gordon Reid
Synth Secrets, část 13: Více o frekvenční modulaci , Gordon Reid
Paul Wiffens Synth School: Část 3
FM Synthesis včetně komplexního zrcadla pro analýzu operátorů společnosti FM Synthesis, 2019
Část 1 dvoudílného tutoriálu YouTube o syntéze FM s mnoha zvukovými příklady

Languages

In other projects