FM syntéza

Syntetizéry: mýtus, nebo hračka? Jde to i bez filtru

FM syntéza je dodnes životaschopný princip tvorby barvy tónu, který v 80. létech minulého století obohatil zvukové nahrávky prakticky všech nonartificiáních žánrů. Po řadě DX firmy Yamaha dnes můžeme FM syntézu nalézt i v nástrojích jiných výrobců jako jednu z možností, jak kreativně pracovat se zvukem.

Něco málo teorie

Zatím jsme se zabývali principy tvorby barvy tónu pomocí skládání jednotlivých složek (aditivní syntéza) nebo naopak ořezáváním některých složek bohatšího spektra (subtraktivní syntéza). FM syntéza je založena na frekvenční modulaci signálu signálem jiným. Už jsme se s ní setkali u subtraktivních syntetizérů i samplerů, kde LFO periodicky měnil kmitočet signálu. Vždy se však jednalo o simulaci vibráta, kdy zdrojem modulace byl nízkofrekvenční kmitočet (0,1 – 20Hz). Co se ale stane, když jako zdroje modulace použijeme kmitočet pohybující se ve slyšitelném pásmu? Na obrázku Frekvenční modulace a Operátor jsou znázorněny dva případy frekvenční modulace dvou sinusových signálů. V prvním případě se jedná o naše známé vibráto, kdy slyšitelný kmitočet je pozvolna měněn modulačním signálem o nízké frekvenci. Ve druhém případě se modulační generátor pochlapil a vyšvihnul se k vyšším kmitočtům. Pro zjednodušení se jedná o dva signály stejných kmitočtů, přesněji jeden oscilátor se zpětnou vazbou (moduluje sám sebe). Na obrázku už zobrazujeme pouze jednu periodu. Dále se do teorie nořit nebudeme.

K pochopení principu a hlavně důsledků si postačí uvědomit, že modulační signál u FM syntézy způsobuje změnu tvaru modulovaného signálu a tím i jeho barvy. FM syntéza tedy neskládá signál z více složek, ani nepoužívá filtry pro odřezávání harmonických. Funguje na principu okamžité změny tvaru signálu pomocí frekvenční modulace. Tak může vzniknout pomocí dvou sinusových signálů tón, který má prakticky nekonečnou řadu harmonických. Jejich zastoupení závisí na poměru obou kmitočtů i na hloubce modulace.

Operátor

Elementárním prvkem FM syntézy je operátor. Na obrázku Frekvenční modulace a Operátor je jeho blokové schéma. Jednotlivé prvky operátoru nám nejsou neznámé. Jedná se vlastně o sdružení VCO (produkujícím většinou sinusový průběh), VCA a EG. Frekvence VCO je definována jednak jeho nastavením a jednak stisknutou klávesou. VCA určuje okamžitou výstupní úroveň signálu operátoru. Ta je dána jednak nastavením úrovně, dynamikou úhozu a také nastavením EG. Výsledným produktem jednoho operátoru je tedy harmonický signál o určité okamžité úrovni. Nic víc.


Algoritmus

Co je tedy na FM syntéze tak převratného? Pokud má docházet k frekvenční modulaci, je zapotřebí nejméně dvou signálů. Modulačního a modulovaného. Je tedy nasnadě, že FM syntetizéry disponují více operátory. Každý z operátorů může být zdrojem modulace, může být modulován, může docházet k oběma procesům současně a dokonce může modulovat sám sebe (zpětná vazba). Signál některých operátorů je pak posílán na výstup nástroje. Který operátor má které z výše uvedených funkcí určuje tzv. algoritmus. Algoritmus tedy definuje vzájemné propojení jednotlivých operátorů a tak každému jednoznačně určuje jeho funkce. Na obrázku Algoritmy a FM syntetizér jsou příklady několika způsobů propojení čtyř operátorů. Pojďme si je popsat.

Algoritmus 1: Všechny operátory jsou propojeny do lineárního řetězce. Op4 je zdrojem modulace pro Op3. Ten (už se změněným tvarem svého signálu) moduluje Op2, který je zdrojem modulace pro Op1. Až teprve signál z Op1 je přiváděn na výstup a vyrábí slyšitelný tón. Op4 také může díky zpětné vazbě modulovat sám sebe.

Algoritmus 2: Op3Op1 jsou opět v lineárním řetězci a platí pro ně obdobné vztahy jako v předchozím případě. Zdrojem výstupního signálu je pak součet signálů Op1 a Op4.

Algoritmus 3 můžeme chápat jako dva lineární řetězce. Op1 je modulován Op2 a Op3 je modulován Op4. Až souzvuk Op1 a Op3 tvoří výsledný tón.

Algoritmus 4 je trošku složitější. Op3 je zdrojem modulace Op2. Součet signálu Op2 a Op4 je pak zdrojem modulace pro Op1, jehož signál je posílán na výstup.

Algoritmus 5: Zde jsou všechny operátory řazeny paralelně, k žádné frekvenční modulaci tedy nedochází a výsledný zvuk tvoří součet signálů všech čtyř operátorů.

Na stejném obrázku Algoritmy a FM syntetizér je ve spodní části zjednodušené blokové schéma FM syntetizéru. Na první pohled je patrné, že každý operátor je samostatná nezávislá jednotka, které její funkce určí až zvolený algoritmus. Oproti subtraktivním syntetizérům se EG přesunuly do vnitřní struktury operátorů a VCF chybí úplně. Na konci řetězce může být efektová jednotka, která ale u první řady DX chyběla také.

Proč tak složitě?

Tento na první pohled komplikovaný princip tvorby tónu skýtá nepřeberné množství vzájemných kombinací, možností a tím i barev. A o to jde u každé syntézy především. Když si uvědomíme, že změnou jediného parametru jednoho operátoru můžeme dosti podstatně až dramaticky ovlivňovat změny signálu celého řetězce, otevírají se před námi obrovské obzory k tvorbě téměř jakéhokoli zvuku nebo jen k zajímavému experimentování.



Jeden z nejpopulárnějších syntetizérů využívajících FM syntézy je Yamaha DX7, který vládne šesticí operátorů vzájemně propojitelných ve 32 algoritmech, LFO a dalšími prvky. Při možnosti vrstvení zvuků a ovládání parametrů během hry pomocí kontrolérů začínáme tušit obrovský potenciál tohoto nástroje.

Příště

Dnes jsme si naznačili, jak lze pomocí FM syntézy vyrobit barvu tónu. V dalším díle našeho seriálu se budeme věnovat ostatním prvkům FM syntetizéru, které většinou slouží ke globálnímu nastavení (majícímu vliv na všechny operátory) nebo hudebníkově expresi.

Frekvenční modulace a Operátor
Algoritmy a FM syntetizér
populární FM syntetizéry a VST pluginy