FM-synthese

FM-synthese is een wijze van geluidssynthese die in 1967-1968 ontwikkeld werd door John Chowning aan de universiteit van Stanford. Later werd deze techniek, nadat Chowning verschillende Amerikaanse producenten van synthesizers was afgegaan, commerciëel ontwikkeld door Yamaha die deze in de jaren '80 onder de vorm van de welbekende DX-synthesizers uitbracht.

De werking van FM-synthese

In dit voorbeeld wordt een 220 Hz carrier gemoduleerd door een 440Hz modulator. De diepte van de modulatie in iedere golfvorm wordt aangegeven met de modulatie-index β. Een geluidsvoorbeeld van deze vier golfvormen is hier te horen

De frequentieverdeling van de golfvormen uit de vorige afbeelding

In tegenstelling tot subtractieve synthese is fm-synthese additief van aard. De eerste FM-synthesizers, zoals de Yamaha DX reeks, hadden alleen sinus oscillators. Deze oscillators kunnen op verschillende manieren aan elkaar gekoppeld worden, waarbij de output van een oscillator de frequentie van een andere oscillator moduleert. Dit is vergelijkbaar met een LFO die de oscillator frequentie moduleert (exponentieel) in een subtractieve synthesizer. Maar doordat de frequentie van FM-oscillators veel hoger is dan van LFO's, zorgt deze modulatie voor grote veranderingen in de klankt van de gemoduleerde oscillator. Bovendien kunnen FM-oscillators op veel verschillende manieren aan elkaar gekoppeld en opgeteld worden, waardoor zeer complexe geluidspatronen kunnen ontstaan.

Vandaag de dag beperken de oscillatoren van verscheidene fm-synthesizers zich niet meer tot simpele sinus oscillatoren (of parabool oscillatoren, die men gebruikte om rekenkracht uit te sparen.)

Phase Modulation

In werkelijkheid, althans in de DX-serie en vele anderen, is fm-synthese een verkeerde benaming. Om helemaal precies te zijn moet het "phase modulation" worden, aangezien in de effectieve toepassingen van deze synthesetechniek men niet de frequentie met elkaar moduleert, maar men moduleert de fase van een bepaalde operator. Maar praktisch wordt fm-synthese veel gemakkelijker uitgelegd aan de hand van frequenties die elkaar moduleren. Het verschil tussen deze twee vormen is eerder theoretisch van aard. Bij fase modulatie verandert de grondtoon van een oscillator niet als hij zichzelf moduleert, noch als hij gemoduleerd wordt door een signaal dat een DC component bevat.

Terminologie

Operator

Operators kunnen op verschillende manieren aan elkaar geschakeld worden. In dit voorbeeld is operator 1 een carrier, met 2 en 3 als modulator. Operator 4 is eveneens een carrier die gemoduleerd wordt door operator 5, een modulator. Operator 5 wordt op zijn beurt gemoduleerd door operator 6, ook een modulator. Operator 1 en 4 vormen samen de output

Een operator is een geluidsgenererend basisblok van FM-synthese. Een operator bestaat uit een oscillator en een envelope, die het volume van de oscillator bepaalt. Bij een carrier bepaalt deze envelope dus het volume verloop van het totale geluid, terwijl bij een modulator de envelope alleen invloed heeft op de mate van modulatie van de carrier.

Carrier

Een carrier is een operator die verbonden is aan de audio uitgang van een fm-synthesizer m.a.w. een carrier genereert het geluid dat naar buiten gestuurd wordt.

Modulator

Een modulator is een operator die een andere operator moduleert. Een operator op zich brengt geen geluid voort maar, doordat deze een andere operator (carrier of modulator) moduleert verandert hij de harmonische inhoud van deze.

Algoritme

Een algoritme is de benaming voor de plaatsing van de verschillende operators tegenover elkaar. De bovenstaande afbeelding is een voorbeeld van één mogelijk algoritme. Om de complexiteit van fm-synthese te verlagen naar het publiek toe, had men oorspronkelijk besloten om de gebruiker niet zelf te laten kiezen welke operator een andere zou moduleren, maar heeft men geopteerd voor een vast aanbod van verschillende opstellingen waartussen de gebruiker kan kiezen. Een algoritme kan men vergelijken met een gefixeerd signaalpad. Vandaag de dag zijn er verschillende fm-synthesizers die de gebruiker zelf hun eigen algoritme laten samenstellen via een modulatiematrix.

Zelfmodulatie

Zelfmodulatie is ook mogelijk bij FM-synthese. Dit verkrijgt men als een operator zichzelf moduleert, en dus de operator zowel zijn eigen carrier als modulator is. Hierdoor ontstaat een feedback-lus. Als men een sinus oscillator in een bepaalde mate met zichzelf moduleert verkrijgt men een zaagtandgolf. Als men dit overdrijft, door te veel modulatie toe te passen, krijgt men digitale ruis.

Referenties

• http://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_modulation_synthesis

Links

• Sound on Sound artikel over FM, deel 1
• Sound on Sound artikel over FM, deel 2

Tips & gebruikerservaringen

• discussie over FM op oscillators
• Tips voor het programmeren van FM synthesizers

Leestips

• Chowning, John; Bristow, David (1986). FM Theory & Applications - By Musicians For Musicians. Tokyo: Yamaha. Standaardwerk over de theoretische achtergrond en het gebruik van FM-synthese.