Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Синтез частотной модуляции (или FM-синтез ) - это форма синтеза звука, при которой частота формы волны изменяется путем модуляции ее частоты с помощью модулятора. Частота генератора изменяется «в соответствии с амплитудой модулирующего сигнала». [1]

FM-синтез может создавать как гармонические, так и негармонические звуки. Чтобы синтезировать гармонические звуки, модулирующий сигнал должен иметь гармоническое отношение к исходному несущему сигналу. По мере увеличения количества частотной модуляции звук становится все более сложным. За счет использования модуляторов с частотами, которые не являются целыми кратными несущему сигналу (т.е. негармоническими), могут быть созданы негармонические колоколообразные и ударные спектры.

FM-синтез с использованием аналоговых генераторов может привести к нестабильности высоты звука. Однако FM-синтез также может быть реализован в цифровом виде, что является более стабильным и стало стандартной практикой. Цифровой FM-синтез (реализованный как фазовая модуляция ) был основой нескольких музыкальных инструментов, начиная с 1974 года. Yamaha построила первый прототип цифрового синтезатора в 1974 году, основанный на FM-синтезе, [2] до коммерческого выпуска Yamaha GS-1 в 1980 году. . [3] Synclavier I , производства Новой Англии Digital Corporation начала в 1978 году, включал в себя цифровой синтезатор FM, используя алгоритм FM синтез , лицензированный Yamaha. [4]Новаторский синтезатор DX7 от Yamaha , выпущенный в 1983 году, вывел FM на передний план синтеза в середине 1980-х годов.

FM-синтез также стал обычной настройкой для игр и программного обеспечения до середины девяностых. Благодаря звуковым картам, таким как AdLib и Sound Blaster , компьютеры IBM популяризировали микросхемы Yamaha, такие как OPL2 и OPL3 . OPNB использовался в качестве основной базовой платы звукового генератора в игровых автоматах SNK Neo Geo (MVS) и домашней консоли (AES). Позже вариант используется для Taito Z системы . Соответствующий OPN2 использовался в Fujitsu FM Towns Marty и Sega Genesis в качестве одной из микросхем звукового генератора. Аналогично Sharp X68000 и MSX (Компьютерный блок Yamaha ) также используют звуковой чип на основе FM, OPM.

История [ править ]

1960-е - 1980-е годы [ править ]

К середине 20-го века частотная модуляция (FM), способ передачи звука, была понятна на протяжении десятилетий и использовалась для радиопередач . [5] FM-синтез был разработан в 1960-х годах в Стэнфордском университете , Калифорния, Джоном Чоунингом , который пытался создавать звуки, отличные от аналогового синтеза . Его алгоритм был лицензирован японской компанией Yamaha в 1973 г. [2] Реализация, коммерциализированная Yamaha (патент США 4018121, апрель 1977 г. [6] или патент США 4,018,121 [7] ), фактически основана на фазовой модуляции., но результаты оказываются эквивалентными математически, поскольку оба являются, по сути, частным случаем квадратурной амплитудной модуляции . [8]

Синтез цифровой частотной модуляции был разработан Джоном Чоунингом.

Инженеры Yamaha начали адаптировать алгоритм Чоунинга для использования в коммерческом цифровом синтезаторе, добавляя такие улучшения, как метод «масштабирования ключа», чтобы избежать появления искажений, которые обычно возникают в аналоговых системах во время частотной модуляции , хотя потребовалось несколько лет, прежде чем Yamaha выпустила их Цифровые синтезаторы FM. [9] В 1970-х годах Yamaha получила ряд патентов под прежним названием «Nippon Gakki Seizo Kabushiki Kaisha» на развитие работы Чоунинга. [7] Yamaha построила первый прототип цифрового синтезатора FM в 1974 году. [2] Yamaha в конечном итоге коммерциализировала технологию синтеза FM с Yamaha GS-1, первым цифровым синтезатором FM,выпущен в 1980 году.[3]

FM-синтез был основой некоторых из первых поколений цифровых синтезаторов , в первую очередь синтезаторов Yamaha, а также New England Digital Corporation по лицензии Yamaha. [4] Синтезатор Yamaha DX7 , выпущенный в 1983 году, был повсеместным на протяжении 1980-х годов. Несколько других моделей Yamaha представили вариации и развитие FM-синтеза в течение того десятилетия. [10]

Yamaha запатентовала аппаратную реализацию FM в 1970-х [7], что позволило ей практически монополизировать рынок FM-технологий до середины 1990-х. Casio разработала родственную форму синтеза, называемую синтезом с фазовым искажением , которая используется в синтезаторах серии CZ . Качество звука было схожим (но несколько иначе) с серией DX. Дон Бухла применил FM на своих инструментах в середине 1960-х годов, до получения патента Yamaha. Его модули с двумя осцилляторами 158, 258 и 259 имели специальный вход управляющего напряжения FM, [11] а модель 208 (Music Easel) имела встроенный генератор модуляции, позволяющий использовать FM, а также AM первичного генератора. [12]Эти ранние приложения использовали аналоговые генераторы, и за этой возможностью также последовали другие модульные синтезаторы и портативные синтезаторы, включая Minimoog и ARP Odyssey .

1990-е годы - настоящее время [ править ]

С истечением срока действия патента FM в Стэнфордском университете в 1995 году, цифровой FM-синтез теперь может быть свободно реализован другими производителями. Патент на синтез FM принес Стэнфорду 20 миллионов долларов до истечения срока его действия, что сделало его (в 1994 году) «вторым по прибыльности лицензионным соглашением в истории Стэнфорда». [13] FM сегодня в основном встречается в программных синтезаторах, таких как FM8 от Native Instruments или Sytrus от Image-Line , но он также был включен в репертуар синтеза некоторых современных цифровых синтезаторов, обычно сосуществуя в качестве опции вместе с другими методами. синтеза, такого как субтрактивный , выборочный синтез , аддитивный синтез, и другие техники. Степень сложности FM в таких аппаратных синтезаторах может варьироваться от простого 2-операторного FM до очень гибких 6-операторных механизмов Korg Kronos и Alesis Fusion , до создания FM в сильно модульных модулях, таких как в последних синтезаторы Kurzweil Music Systems . [ необходима цитата ]

Новые аппаратные синтезаторы специально выпускаемые для своих возможностей FM исчезли с рынка после выхода Yamaha SY99 и FS1R , и даже те , на рынке их высоко мощные способности FM в качестве партнеров для образцов на основе синтеза и формант синтеза соответственно. Однако хорошо проработанные возможности FM-синтеза являются особенностью синтезаторов Nord Lead, производимых Clavia, линейки Alesis Fusion , Korg Oasys и Kronos, а также Modor NF-1. Различные другие синтезаторы предлагают ограниченные возможности FM в дополнение к своим основным двигателям. [ необходима цитата ]

В 2016 году Korg выпустила Korg Volca FM, 3-голосную, 6-операторную FM- версию серии компактных и доступных настольных модулей Korg Volca [14], а Yamaha выпустила Montage , который сочетает в себе 128-голосную версию на основе семплов. движок с 128-голосным FM движком. Эта итерация FM называется FM-X и включает 8 операторов; у каждого оператора есть выбор из нескольких основных форм волны, но каждая форма волны имеет несколько параметров для настройки своего спектра. [15] За Yamaha Montage в 2018 году последовала более доступная модель Yamaha MODX с 64-голосной архитектурой FM-X для 8 операторов в дополнение к 128-голосному механизму на основе семплов. [16] Elektron в 2018 году запустилDigitone , 8-голосный FM-синтезатор с 4 операторами, оснащенный известным движком последовательности Elektron. [17]

Синтез FM-X был представлен с Yamaha Montageсинтезаторов в 2016 году. FM-X использует 8 операторов. Каждый оператор FM-X имеет набор мультиспектральных волновых форм на выбор, что означает, что каждый оператор FM-X может быть эквивалентен стеку из 3 или 4 операторов FM DX7. Список выбираемых форм волн включает синусоидальные волны, формы волн All1 и All2, формы волн Odd1 и Odd2 и формы волн Res1 и Res2. Выбор синусоидальной волны работает так же, как и формы волны DX7. Волны All1 и All2 представляют собой зубчатую волну. Волны Odd1 и Odd2 представляют собой импульсные или прямоугольные волны. Эти два типа волновых форм можно использовать для моделирования основных гармонических пиков в нижней части гармонического спектра большинства инструментов.Волновые формы Res1 и Res2 перемещают спектральный пик к определенной гармонике и могут использоваться для моделирования треугольных или округлых групп гармоник в спектре инструмента. Комбинирование формы волны All1 или Odd1 с несколькими формами волны Res1 (или Res2) (и регулировка их амплитуд) может моделировать гармонический спектр инструмента или звука.[18] [ необходима ссылка ]

Комбинирование наборов из 8 FM-операторов с мультиспектральными формами волн началось в 1999 году компанией Yamaha в FS1R. В FS1R было 16 операторов, 8 стандартных операторов FM и 8 дополнительных операторов, которые использовали источник шума, а не генератор в качестве источника звука. Добавляя настраиваемые источники шума, FS1R может моделировать звуки человеческого голоса и духового инструмента, а также издавать звуки ударных инструментов. FS1R также содержал дополнительную форму волны, называемую формой волны Formant. Форманты можно использовать для моделирования резонирующих звуков инструментов тела, таких как виолончель, скрипка, акустическая гитара, фагот, английский рожок или человеческий голос. Форманты можно найти даже в гармоническом спектре некоторых медных духовых инструментов. [18]

Спектральный анализ [ править ]

Спектр, генерируемый ЧМ-синтезом с одним модулятором, выражается следующим образом: [19] [20]

Для сигнала модуляции несущий сигнал

Если бы мы проигнорировали члены постоянной фазы на несущей и модулятор , в конечном итоге мы получили бы следующее выражение, как показано на Chowning 1973 и Roads 1996 , p. 232 :

где - угловые частоты ( ) несущей и модулятора, - индекс частотной модуляции , а амплитуды - -я функция Бесселя первого рода соответственно. [примечание 1]

Сноска [ править ]

  1. ^ Вышеупомянутое выражение преобразуется с использованием формул тригонометрического сложения
    и лемму о функции Бесселя,
    ( Источник : Kreh, Martin (2012), «Функция Бесселя» (PDF) , Гёттингенская летняя школа по теории чисел , Гёттинген, Германия, 29 июля 2012 г. - 18 августа 2012 г., стр.  5–6 , заархивировано с оригинала ( PDF) на 2017-11-18 , извлекаться 2014-08-22CS1 maint: location (link))
    следующим образом:

См. Также [ править ]

  • Аддитивный синтез
  • Chiptune
  • Цифровой синтезатор
  • Электронная музыка
  • Звуковая карта
  • Звуковой чип
  • Музыка из видеоигр

Цитаты [ править ]

  1. ^ ( Dodge & Jerse 1997 , стр.115)
  2. ^ a b c "[Глава 2] Тональные FM-генераторы и рассвет домашнего музыкального производства" . 40 лет Yamaha Synth - История . Корпорация Yamaha. 2014 г.
  3. ^ a b Кертис Роудс (1996). Учебник по компьютерной музыке . MIT Press . п. 226. ISBN. 0-262-68082-3. Проверено 5 июня 2011 .
  4. ^ a b "Цифровой синклавир Новой Англии 1978 года" . Смешайте . Пентон Медиа. 1 сентября 2006 г.
  5. ^ "История Роланда: Часть 2" . Звук на Звук . Проверено 5 февраля 2020 .
  6. ^ "Патент США 4018121, апрель 1977 г." . patft.uspto.gov . Проверено 30 апреля 2017 .
  7. ^ a b c «Патент US4018121 - Метод синтеза музыкального звука - Патенты Google» . Проверено 30 апреля 2017 .
  8. ^ Rob Hordijk. «FM-синтез по модульному принципу» . Советы и рекомендации Nord Modular и Micro Modular V3.03 . Clavia DMI AB. Архивировано из оригинала на 2007-04-07 . Проверено 23 марта 2013 .
  9. ^ Холмс, Том (2008). «Ранняя компьютерная музыка» . Электронная и экспериментальная музыка: технологии, музыка и культура (3-е изд.). Тейлор и Фрэнсис . С. 257–8. ISBN 978-0-415-95781-6. Проверено 4 июня 2011 .
  10. Гордон Рид (сентябрь 2001 г.). "Звуки 80-х. Часть 2: Yamaha DX1 и его преемники (ретро)" . Звук на Звук . Архивировано из оригинального 17 сентября 2011 года . Проверено 29 июня 2011 .
  11. Доктор Хуберт Хоу (1960-е). Электронная музыкальная система Buchla: Руководство пользователя, написанное для музыкальных инструментов CBS (Руководство пользователя Buchla 100) . Департамент образовательных исследований, CBS Musical Instruments, Columbia Broadcasting System. п.  7 . На этом этапе мы можем рассмотреть различные дополнительные модификации сигнала, которые мы можем пожелать внести в серию тонов, созданных в приведенном выше примере. Например, если мы хотим добавить частотную модуляцию к тонам, необходимо подключить другой аудиосигнал к разъему, соединенному линией со средней шкалой двойного синусоидального генератора модели 158. ...
  12. ^ Atten Strange (1974). Программирование и метапрограммирование в электроорганизме - операционная директива для музыкального мольберта . Buchla and Associates.
  13. ^ Служба новостей Стэнфордского университета (07.06.94), Музыкальный синтез приближается к качеству звука реальных инструментов
  14. ^ Страница продукта Volca FM
  15. ^ Страница характеристик продукта Yamaha Montage
  16. ^ Страница характеристик продукта Yamaha MODX
  17. ^ Страница продукта Digitone
  18. ^ a b Золлингер, В. Тор (декабрь 2017 г.). "FM_Synthesis_of_Real_Instruments" (PDF) .
  19. ^ Chowning 1973 , стр. 1-2
  20. ^ Деринг, Эд. «Математика частотной модуляции» . Проверено 11 апреля 2013 .

Ссылки [ править ]

  • Чоунинг, Дж. (1973). «Синтез сложных звуковых спектров с помощью частотной модуляции» (PDF) . Журнал Общества звукорежиссеров . 21 (7).(также доступно в формате PDF в виде цифровой версии 13.02.2007 [ постоянная мертвая ссылка ] )
  • Чоунинг, Джон; Бристоу, Дэвид (1986). Теория FM и приложения - Музыканты для музыкантов . Токио: Ямаха. ISBN 4-636-17482-8.
  • Дороги, Кертис (1996). Учебник компьютерной музыки . MIT Press. ISBN 978-0-262-68082-0.
  • Додж, Чарльз; Джерс, Томас А. (1997). Компьютерная музыка: синтез, композиция и исполнение . Нью-Йорк: Книги Ширмера. ISBN 0-02-864682-7.

Внешние ссылки [ править ]

  • Введение в FM , Билл Шоттштадт
  • FM учебник
  • Секреты синтеза, часть 12: Введение в частотную модуляцию , Гордон Рид
  • Секреты синтеза, часть 13: Еще о частотной модуляции , Гордон Рид
  • Школа синтеза Пола Виффенса: Часть 3
  • FM-синтез, включая комплексный операторный анализ
  • Часть 1 из 2-х частей руководства YouTube по FM-синтезу с многочисленными аудио примерами