Syntezator MIDI

W syntezatorze Spectral Sound Synthesiser zostało zastosowanych siedem układów dsPIC działających z szybkością 70 lub 40 MIPS każdy. Ich zadaniem jest cyfrowe generowanie dźwięków. Daje to 18-nutową polifonię (tj. możliwość grania 18 różnych nut jednocześnie) i możliwość złożonego tworzenia dźwięku, z „morfingiem barwy” będącym kluczową cechą modułu.

Urządzenie charakteryzuje się również małymi opóźnieniami, co jest ważne, ponieważ nie chcesz, aby słyszalne były opóźnienie między naciśnięciem klawisza na klawiaturze a generowanym dźwiękiem.

Syntezator jest samodzielnym modułem dźwiękowym, ma kuszącą możliwość wbudowania w niestandardowe instrumenty muzyczne DIY bez potrzeby korzystania z komputera.

Moduł ten to przygoda z syntezą dźwięku w czasie rzeczywistym, eksplorująca szeroką gamę elementów akustycznych oddających charakterystykę instrumentów prawdziwych i wyimaginowanych. Dzięki niemu docenimy różne rodzaje dźwięku, poznamy zasadę działania instrumentów muzycznych i dowiemy się dlaczego niektóre instrumenty są w wielu przypadkach trudne do naśladowania.

Jest to wprawdzie w pełni działające urządzenie, ale może również być przydatne podczas eksperymentowania z syntezą dźwięku. Jest to zabawne i stymulujące zajęcie, z ujmującą interakcją między cyfrowym generowaniem przebiegów a ludzką percepcją.

Konstrukcja modułu opiera się na prawdziwym przetwarzaniu równoległym, dzieląc obciążenie obliczeniowe na sześć procesorów tonów.

Dostępny jest cały kod źródłowy, zarówno dla oprogramowania układowego jak i towarzyszącego mu oprogramowania komputerowego dla systemu Windows. Dostępne jest również oprogramowanie w wersji wynikowej, włącznie z wszelkimi aktualizacjami wersji.

Jest to mocno zaawansowany projekt, więc dla tych, którzy chcą zgłębić jego tajniki, przygotowano stosowny podręcznik techniczny.

Cały temat syntezy dźwięku, przeplatający się z historią muzyki, jest bogatą i niezwykle interesującą ewolucyjną podróżą, pobudzaną naszym instynktownym pragnieniem zrozumienia i tworzenia dźwięku. Spectral Sound Synthesiser odpowiada na to pragnienie.

Przegląd systemu

System posiada wejście MIDI do odbierania nut oraz komunikatów sterujących MIDI (np. z klawiatury), wejście USB do konfiguracji przez oprogramowanie Windows oraz stereofoniczne wyjście analogowe audio do podłączenia wzmacniacza.

Możesz tworzyć patche (presety) za pomocą oprogramowania Windows, a pewna liczba tych presetów jest ładowana do modułu i przechowywana wewnętrznie. Wszelkie poprawki ustawień presetów można natychmiast wysłać do modułu i usłyszeć rezultat.

„Kontroler główny” to 8-bitowy mikrokontroler PIC18LF25K50 z przydatnym interfejsem USB. Układ ten jest powszechnie stosowany w systemach wbudowanych wymagających USB. Działa jako koncentrator, przetwarzając przychodzące komunikaty USB i MIDI. Przydziela również procesory do zadań w pozostałej części systemu.

Sześć procesorów tonów to 16-bitowe układy dsPIC33EP512MC502-I/SP z identycznym kodem do generowania cyfrowych próbek dźwięku. Każdy z nich oblicza do trzech wystąpień nut granych jednocześnie, więc system ma maksymalną polifonię 6×3=18 nut. Każdy procesor tonów przechowuje pojedynczy preset, ale różne układy scalone mogą mieć różne presety, dzięki czemu instrument ten zdolny jest do jednoczesnego odtwarzania kilku różnych barw dźwięku na różnych kanałach MIDI.

Pojedynczy układ „miksera”, 16-bitowy dsPIC33FJ128GP802-I/SP, miksuje próbki ze wszystkich procesorów tonów, ogranicza generowany poziom dźwięku za pomocą automatycznej regulacji wzmocnienia (AGC – automatic gain control), a następnie przekazuje dźwięk przez wbudowany stereofoniczny przetwornik cyfrowo-analogowy do wzmacniacza operacyjnego MCP6022.

Wyjście jest „pseudo stereo”. Wykorzystywana jest tu dobrze znana sztuczka audio zwana efektem Haasa, w której opóźnienie kopii sygnału z jednego ucha do drugiego daje bardzo przekonujące wrażenie pola stereo!

Moduł może pomieścić kilka presetów i „występów” w układzie scalonym EEPROM 24LC512.

Czym jest synteza addytywna?

Trwające badania nad słuchem i ludzką percepcją ujawniają, że wciąż jesteśmy daleko od całkowitego zrozumienia, w jaki sposób nasze mózgi przetwarzają i identyfikują dźwięk. Kluczowym elementem jest barwa, która jest związana z widmem częstotliwości dźwięku i tym, jak zmienia się ono w czasie.

Synteza addytywna to metoda tworzenia i modulowania barw w oparciu o fakt, że dowolną funkcję okresową można wyrazić jako sumę wielu fal sinusoidalnych, co nazywamy szeregiem Fouriera, opisanym przez Josepha Fouriera w 1822 roku.

Używał jej do rozwiązywania funkcji przenoszenia ciepła, ale pomysł ten szybko stał się powszechny, od przewidywania pływów do ruchu planet, a znacznie później do syntezy dźwięku.

Prostota tego pomysłu jest atrakcyjna, ponieważ oznacza, że złożone barwy można konstruować po prostu dodając sinusoidy o odpowiednich wagach i fazach.

Okazuje się, że faza nie jest generalnie ważna, ponieważ nasz słuch ją lekceważy. Ma to sens, gdy zastanawiamy się nad falami dźwiękowymi odbijającymi się w pomieszczeniu. Pomimo tego, że fazy różnych częstotliwości są pomieszane, generalnie nie dostrzegamy żadnej różnicy w barwie.

Kolejną zaletą jest to, że dźwięki w naturze opierają się na wibracjach, w których sinusoidy tonalne mają częstotliwości będące całkowitymi wielokrotnościami lub harmonicznymi częstotliwości podstawowej („fundamentalnej”). Ten dobrze zdefiniowany związek nadaje się do obliczeń. Instrumenty muzyczne można rozpoznać po ich charakterystycznych poziomach harmonicznych.

Duże ewolucyjne drzewo genealogiczne syntezatorów elektronicznych zawiera wybitne przykłady syntezy addytywnej. Na przykład, ukochane organy Hammonda z 1935 roku łączą w sobie dźwięki generowane przez przetworniki umieszczone blisko obracających się mechanicznych „kół tonowych”.

Również wczesny syntezator Fairlight Quasar z lat 80. był syntezatorem addytywnym, podobnie jak Synclavier i kilka klawiatur Kawai. Loom, nowoczesny instrument VST, jest również typem addytywnym.

Przy wystarczającej mocy obliczeniowej, synteza addytywna umożliwia „morfing” barw poprzez zmianę zestawu fal sinusoidalnych sumowanych w czasie – podobnie do tego, co dzieje się wokół nas z naturalnymi dźwiękami.

Synteza addytywna ma również tę wielką zaletę, że działa w dziedzinie częstotliwości, a nie czasu. Sprawia to, że filtrowanie jest prostą koncepcją, w której kontur filtra po prostu skaluje poziomy podstawowych fal sinusoidalnych. Filtrowanie typu „ceglana ściana” (brick-wall), to nic innego jak włączanie lub wykluczanie określonych przebiegów sinusoidalnych.

Taka metoda syntezy może tworzyć bogate, stymulujące i urzekające dźwięki. Gdy emuluje prawdziwe instrumenty, ma jednak pewne ograniczenia w porównaniu do syntezy opartej na samplach.

Problem polega na tym, że naturalny dźwięk to coś więcej niż tylko harmoniczne. W widmie występują częstotliwości „nieharmoniczne”, szczególnie w przypadku dźwięków perkusyjnych. Istnieją dźwięki spowodowane dmuchaniem, skrobaniem i drapaniem. Wytwarzane przez nie harmoniczne nie zawsze są dokładnymi wielokrotnościami liczb całkowitych dźwięku podstawowego wytwarzanego przez instrument.

Jako narzędzie dźwiękowe, synteza addytywna jest więc świetna. Nie zawsze jednak może z łatwością naśladować naturalny dźwięk.

Syntezator Fairlight CMI z lat 80. (który wziął swoją nazwę od promu Sydney Harbour) był przełomem w produkcji dźwięku poprzez samplowanie. Zrewolucjonizował on muzykę pop, wprowadzając prawdziwie nowe dźwięki.

Ironia polega na tym, że wynalazcy zaczęli od syntezy addytywnej, jak twierdzi współzałożyciel Kim Ryrie (co ciekawe, również założyciel magazynu ETI): „Traktowaliśmy używanie nagranych rzeczywistych dźwięków jako kompromis – jako oszukiwanie – i nie czuliśmy się z tego szczególnie dumni”.

Ten model Fairlight był „samplerem” z możliwością nagrywania dźwięku, a wkrótce po nim pojawiły się tańsze „romplery” z nagranym dźwiękiem zapisanym w pamięci ROM. W dzisiejszych czasach możemy mieć gigabajty próbek na półprzewodnikowych dyskach twardych.

Nie można zaprzeczyć, że syntezatory oparte na samplach mogą dawać niesamowite rezultaty, zwłaszcza z wieloma specyficznymi „warstwami” parametrów, takich jak note velocity, czyli prędkość uderzenia nuty – parametr MIDI, który określa siłę, z jaką klawisz lub inny kontroler jest naciśnięty. Wykorzystują one jednak masę pamięci zamiast modelować cokolwiek w sposób fizyczny. Mimo to, od wczesnych samplowanych pętli taśmowych Mellotronu, używanych w klasykach, takich jak organy piszczałkowe w „Strawberry fields” Beatlesów, jasne jest, że sample tu pozostaną.

Wraz ze stałym wzrostem mocy obliczeniowej w ostatnich latach, zaobserwowaliśmy rozwój fizycznie modelowanego dźwięku, takiego jak popularne pianina VST „Pianotech” oparte na fizyce prawdziwych instrumentów, dawnych i współczesnych. Syntezę addytywną można również w pewnym stopniu sklasyfikować jako modelowanie fizyczne ze względu na jej podejście oparte na barwie i dynamicznej naturze.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz