Частотная модуляция или FM-синтез (Frequency Modulation, FM-synthesis) — это тип синтеза, при котором звуковое колебание формируется воздействием одной простой синусоидальной волны (модулирующего сигнала) на частоту другой волны (несущего сигнала) . С помощью частотной модуляции можно получить спектрально богатые и сложные звуки, которых трудно добиться другими методами синтеза.
Методом частотной модуляции практически невозможно воссоздать звуки живых акустических инструментов, зато он позволяет получать необычные, яркие и оригинальные тембры.
Частотная модуляция сигнала использовалась в радиосвязи с 1930-х гг., а технологию синтеза музыкальных звуков посредством частотной модуляции разработал композитор Джон Чоунинг (John Chowning). В 1970 году он получил патент, который затем передал Стэнфордскому университету, в котором преподавал, за символическую плату в $1.
Амплитудная и частотная модуляция,
в первом случае (АМ) мы видим, что по определенной функции (в данном случае y=sin(x)) изменяется амплитуда колебаний несущей волны, а во втором (ЧМ) — частота.
В отличие от модуляции посредством LFO (низкочастотного осциллятора), при которой частота модулирующего сигнала ниже 20 Гц, т.е. не воспринимается как звук, в случае FM-синтеза модулирующий сигнал имеет частоту звукового диапазона, и таким образом изменяет не амплитуду или частоту, а спектральный состав сигнала:
результат модулирования (слева) и сложения (справа) двух сигналов
А поскольку осцилляторов (или «операторов» в терминологии FM-синтеза) может быть несколько, и каждый из них может модулировать любой другой, становится возможным получение бесконечного разнообразия тембров. Один сигнал посредством частотной модуляции усложняет другой, второй, в свою очередь, воздействует на третий, и так далее (например, в Yamaha DX7 используется 6 операторов).
В 1977 году права на технологию FM-синтеза приобрела компания Yamaha, которая активно развивала её и вскоре выпустила линейку FM-синтезаторов: Yamaha GS1 (1981), Yamaha DX7 (1983, одна из наиболее продаваемых моделей синтезаторов в истории) и др.
Yamaha DX7
Это были одни из первых цифровых синтезаторов, поскольку технология FM-синтеза подразумевает цифровую генерацию колебаний. Частоты операторов должны быть строго кратны друг другу, иначе вместо звуков определенной высоты генерируется разнообразный шум, а VCO аналоговых синтезаторов не обладают необходимой точностью, более того, именно их легкая «расстроенность» обеспечивает богатый и сочный тембр субтрактивного синтезатора.
FM-чип. Специальная Коллекция Стэнфордской Библиотеки
Каждый из операторов Yamaha DX7 представляет собой простейший модуль с двумя входами (высота и модулирующий сигнал) и одним выходом, состоящий из осциллятора и генератора огибающей:
Шесть операторов синтезатора могут быть скоммутированы в различной последовательности, при этом каждый из них может выполнять роль как модулятора, так и несущего сигнала (в т.ч. модулировать сам себя), обеспечивая огромное многообразие вариантов взаимодействия:
Пресетные патчи Yamaha DX7:
| Factory internal presets (ROM-1 A MASTER GROUP) | ||
| 1 BRASS 1 | Classic '80 synth brass. | |
| 2 BRASS 2 | A variant on the classic synth brass. | |
| 3 BRASS 3 | Muted brass, typically the breath controller was used for these types of sounds. | |
| 4 STRINGS 1 | Glassy strings, typically FM. The DX7 was never renowned for its string sounds - most everybody preferred the warmth and body of a true analog for string parts. | |
| 5 STRINGS 2 | Variation of the above. | |
| 6 STRINGS 3 | Full string orchestra. | |
| 7 ORCHESTRA | Rich orchestral setup. This was great for the time. | |
| 8 PIANO 1 | Nice approximation of a grand piano, with its own character. | |
| 9 PIANO 2 | Rough rock 'n' roll piano. | |
| 10 PIANO 3 | Detuned upright. | |
| 11 E.PIANO 1 | THE MOST FAMOUS PATCH OF THE '80s!!!!!!! Used by EVERYBODY, the fabled INT11 preset has become a standard sound (aka "FM piano" in all modern workstations, of all brands. It was manipulated in many ways, but the typical add-on was a wide chorus, to achieve that polished, professional sound. Mixed with a regular piano sound, it became the "L.A. piano", a standard for mid-80s ballads. | |
| 12 GUITAR 1 | Solid guitar sound. Quite expressive and hypnotic! | |
| 13 GUITAR 2 | Heavy guitar rendition. | |
| 14 SYN-LEAD 1 | Very nice, quasi-analog synth solo. Reminds of the sound used by Chick Corea (which he mixed with another electric piano type of sound). | |
| 15 BASS 1 | THE OTHER CLASSIC DX7 PATCH!!!!!!! This bass was used as the MAIN BASS for SO MANY '80s productions. Listen back and you'll spot it easily. Again, this patch now has become a standard (FM Bass) and lives in all modern synthesizer workstations, of any brand. | |
| 16 BASS 2 | Very nice and expressive fretless bass. This sound is also an FM trademark. | |
| 17 E.ORGAN 1 | Aha! I bet you didn't remember the DX7 Hammond organ sound to be this good! Yep, the sine waves of the DX7 lend themselves very well to create a Hammond sound. | |
| 18 PIPES 1 | Powerful and noble pipe organ. | |
| 19 HARPSICH 1 | Realistically programmed harpsichord, key release and all. | |
| 20 CLAV 1 | Awesome Clavinet sound. Just add wah-wah. | |
| 21 VIBE 1 | Intriguing, beautiful digital sound. These were the types of sounds that the other synthesizers of the era could not do at all - and in part helped the DX7 rise to the top. | |
| 22 MARIMBA | Another classic DX7 sound!!! Very used in the mid-80s | |
| 23 KOTO | Excellent reproduction of the Japanese instrument. | |
| 24 FLUTE 1 | Much was said about the realism of this patch, at the time. Today, it doesn't stand out as such, but in 1983, especially if you used a breath controller, it didn't get more real than this (unless you sold your car and bought on of the first samplers, such as the Emulator I) | |
| 25 ORCH-CHIME | Beautiful, angelic orchestral pad. | |
| 26 TUB BELLS | Graceful tubular bells. Again, a sound that no other synthesis but FM at the time could reproduce. | |
| 27 STEEL DRUM | Cool steel drums. | |
| 28 TIMPANI | Expertly programmed, and very expressive orchestral percussion. | |
| 29 REFS WHISL | Dead-on referee whistle! | |
| 30 VOICE 1 | Another DX7 signature sound - the hollow digital voices. Useful as a pad and for many other purposes. | |
| 31 TRAIN | Marvelously programmed setup, with the aftertouch controlling the volume of the "steam engine" sound. Split keyboard to achieve all these sounds. This was for the time, absolutely groundbreaking. | |
| 32 TAKE OFF | At the end, the usual sci-fi sounds step in. Common in synths of that era. | |
| ROM 1-B KEYBOARD AND PLUCKED SOUNDS GROUP | ||
| 2 PIANO 5 | A nice, intimate piano. | |
| 4 E.PIANO 3 | Wurlitzer variant of the electric piano | |
| 13 E.ORGAN 2 | Jazz organ, with some of the higher drawbars pulled out. | |
| 16 E.ORGAN 5 | Great Farfisa / Vox combo organ sound! | |
| 18 PIPES 3 | Solemn church organ - very well programmed! | |
| 20 CALIOPE | Cute calliope puff organ sound | |
| ROM 2-A ORCHESTRAL & PERCUSSIVE SOUNDS GROUP | ||
| 1 PICCOLO | Super cute piccolo flute sound | |
| 3 OBOE | Realistic oboe | |
| 4 CLARINET | Realistic clarinet | |
| 18 HARMONICA1 | This preset was used in a VERY FAMOUS hit song of the '80s: Tina Turner's "What's Love Got To Do With It?" | |
| 26 GONG 1 | Ominous gong sound | |
| 32 LOG DRUM | Excellent wood percussion sounds | |
| ROM 2-B SYNTH, COMPLEX & EFFECTS SOUNDS GROUP | ||
| 2 SYN-LEAD 3 | Another great, expressive '80s solo synth | |
| 6 SYN-CLAV 2 | Throaty, funny synth clav | |
| 10 SYNBRASS 2 | More DX7 signature synbrass sounds. | |
| 16 SYN-BASS 2 | Typical FM bass - | |
| 22 B.DRM-SNAR | Analog sounding TR-808 type. | |
| 24 EVOLUTION | Strange, evolving synthesizer FX | |
| 26 WASP STING | Great emulation! | |
| 27 LASER GUN | More sci-fi FX | |
| 31 ST.HELENS | Disturbed transmission | |
| ROM 3-A MASTER GROUP | ||
| 15 JAZZ GUIT1 | Awesome jazz hollow-body guitar! | |
| 28 GRAND PRIX | Classic car racing sound FX | |
| 31 BRASS S H | Synth brass with Sample and Hold effect (mod wheel) | |
| ROM 3-B KEYBOARD & PLUCKED SOUNDS GROUP | ||
| 3 E.GRAND 2 | Nice electric grand, a la CP-80 | |
| 14 E.ORGAN 3 | Happy '60s electric organ sound | |
| 26 LUTE | Airy and transparent lute sound | |
| ROM 4-A ORCHESTRAL & PERCUSSIVE SOUNDS GROUP | ||
| 5 BASSOON | Realistic emulation of a bassoon. | |
| 25 VOICES | Icy, mysterious digital voices. | |
| 26 XYLOPHONE | Nice xylophone | |
| 27 COWBELL | Well-programmed cow bell. | |
| ROM 4-B COMPLEX SOUND & EFFECTS GROUP | ||
| 2 PERC BRASS | Nice percussive synbrass. | |
| 4 HARPSI-STG | Very interesting amalgam.. | |
| 8 STRG-CHIME | Nice split. | |
| 20 FILTER SWP | Ok emulation of a filter sweep (the DX7 doesn't have filters..) | |
| 22 WILD BOAR | LOL! Great sound. | |
| 23 SHIMMER | Happy sci-fi sound | |
| 30 ..GOTCHA.. | Yep! | |
За Yamaha DX7 последовали различные её модификации: настольная версия TX7, мультитембральные версии DX7S, DX7IID, DX7IIFD и рэковая TX802, а также инструменты с другим количеством операторов (например, модель DX11 и ее рэковая версия TX81Z имеют 4 оператора). Модель DX5 имела два комплекта операторов DX7 в одном корпусе, а рэковый монстр TX816 — целых восемь.
Кроме того, был выпущен синтезатор с шестиоктавной полновзвешенной клавиатурой и дополнительным большим светодиодным дисплеем для отображения алгоритмов FM-синтеза и других параметров — Yamaha DX1.
В 1990 году выходит легендарный SY77 и его рэковая версия TG77, затем более навороченный SY99. Эти инструменты отличало, главным образом, наличие фильтров, которые давали им все возможности субтрактивного синтеза, а также использование семплированных звуков (AWM), которые можно смешивать со звуками, синтезированными путем частотной модуляции.
Вершиной FM-синтеза от Yamaha стал модуль FS1R, заключавший в себе возможности 8-операторного FM- и формантного синтеза (Formant Shaping Synthesis).
Компания Casio разработала похожую технологию — PD-синтез (Phase Distortion Synthesis), и в середине 80-х выпустила серию синтезаторов CZ с таким типом синтеза.
Срок действия патента на FM-синтез истек в 1995 году, и возможности частотной модуляции стали использоваться в синтезаторах других производителей.
Дополнительно: Джон Чоунинг — «отец» цифрового синтезатора