Virtuálny analógový syntezátor - popis funkcie

Obsah:

• Režimy
• Bloky
  • Kontroléry
• Vrstvy
• Oscilátory
  • Generátor výšky základnej harmonickej zložky
  • Generátor „BEI“ obálky
  • Generátor výšky ostatných harmonických zložiek a blok harmonických oscilátorov
• Generátor spektra
• Filtre
  • Obálka filtrov
  • Modifikátory filtrov
• Režim filtrovania
  • Režim aditívnej syntézy
  • Režim subtraktívnej syntézy
  • Porovnanie režimov
• VDA
  • Blok „ADSR“ obálky
• Efektový blok

Režimy

Môj virtuálny analógový syntezátor dokáže pracovať v troch základných režimoch:

• Režim klasickej syntézy (tvarového generátora) a subtraktívneho filtrovania -
• Režim aditívnej syntézy a subtraktívneho filtrovania -
• Režim aditívnej syntézy a aditívneho filtrovania -

Režim klasickej syntézy (tvarového generátora) a subtraktívneho filtrovania - základný signál sa vytvára pomocou generátora tvarového signálu (napr. sinusovka, obdĺžnik, píla a podobne). Filtrovanie je realizované digitálnymi filtrami, ktoré signál upravujú a menia tak jeho frekvenčné zloženie (farbu). Takýto spôsob vytvárania zvuku je realizovaný na väčšine analógových syntezátorov.

Režim aditívnej syntézy a subtraktívneho filtrovania - základný signál sa vytvára pomocou sčítavania jednotlivých harmonických zložiek - sinusoviek. Vhodným nastavením hlasitostí harmonických zložiek je totiž možné vytvoriť takmer identický signál ako signál z tvarového generátora. Tento režim je výpočtovo náročnejší a preto je možné určiť, do ktorej harmonickej zložky sa má počítať (parameter „Harmonic count“). Pri menšom počte však zvuku chýbajú zložky s vysokou frekvenciou. Oproti predošlému režimu má však jednu prednosť - je možné meniť frekvencie jednotlivých harmonických zložiek (využitie napr. pri tvorbe „zvonivého“ alebo „kovového“ zvuku).
Vyššie harmonické zložky sú tvorené buď ako normálne násobky prvej harmonickej alebo jednou z troch metód pre ich posun (lineárny posun, exponenciálny posun alebo ručné nastavenie každej frekvencie).
Filtrovanie je realizované rovnako ako v predošlom režime - filtruje sa až signál vytvorený sčítaním všetkých harmonických zložiek.

Režim aditívnej syntézy a aditívneho filtrovania - tvorba signálu funguje podobne ako v predošlom režime - signál je tvorený sčítaním všetkých harmonických zložiek. Avšak filtrovanie funguje úplne inak - neupravuje sa nejaký výsledný signál, ale namiesto toho sa určia hlasitosti (t.j. amplitúdy) jednotlivých harmonických zložiek. Amplitúda konkrétnej harmonickej zložky teda závisí od zvoleného spektra (napr. píla) a hodnoty danej filtrom pre túto harmonickú zložku. Výsledný signál sa už dodatočne nijako nefiltruje.
Takto je možné vytvoriť aj filtre, ktoré by sa nedali vytvoriť ako klasické filtre (napr. veľmi vysoký rád filtra).
Tento režim má však aj svoje nevýhody (viac v časti Filtre).

V ďalšom popise bude uvedené, pre ktorý z týchto režimov sa popis týka. Niektoré časti popisu sú však spoločné pre všetky tri režimy.

Bloky

Nasledujúce blokové schémy znázorňujú prepojenie blokov syntezátora a iných blokov.
Bloková schéma syntezátora v režime klasickej syntézy a subtraktívneho filtrovania (režim ):

Bloková schéma syntezátora v režime aditívnej syntézy a subtraktívneho alebo aditívneho filtrovania (režimy ):

Frekvencia tónu je tvorená hlavným oscilátorom (na obázku Main oscillator), ktorého úlohou je určiť frekvenciu na základe hraného tónu, portamenta, vibráta, obálky oscilátora a pod.
Časti ako Arpeggiator, Controllers (kontroléry) a Drum-machine sú doplnkové funkcie programu.

Kontroléry

Kontroléry slúžia na ovládanie parametrov syntezátora, arpegiátora a bubeníka buď pomocou špeciálnych otočných gombíkov na obrazovke alebo pomocou ovládacích prvkov cez MIDI. Ku každému kontroléru môže byť priradený niektorý z ovládacích prvkov (napríklad hlasitostný pedál, joystick na klávesoch a pod.) a parameter syntezátora, arpegiátora alebo bubeníka, ktorý sa má ovládať. Tiež sa dá nastaviť rozsah ovládaného parametra a spomalenie zmeny.

Vrstvy

Môj virtuálny analógový syntezátor môže pracovať buď v režime jednej vrstvy (1 layer) alebo v režime dvoch vrstiev (2 layers). Pojmom vrstva (layer) sa tu myslí akýsi blok, ktorý produkuje zvuk daný jeho kompletným nastavením. V režime dvoch vrstiev sú takéto bloky dva a teda pri spustení tónu sa začne produkovať zvuk, ktorý je súčtom dvoch nezávislých vrstiev. Zvuk každej vrstvy teda môže byť úplne iný. Vrstvy sú nezávislé na sebe (s výnimkou možnosti synchronizácie oscilátora vrstvy 1 podľa oscilátora vrstvy 2). Spoločný majú len vstup (t.j. povely z klávesnice, MIDI, NetSound, arpegiátora alebo kontrolérov) a výstup, ktorý je sčítaný a privedený do efektovej jednotky.
Význam vrstiev znázorňuje nasledujúci obrázok:

Treba si uvedomiť, že počet vrstiev je niečo úplne iné ako počet naraz znejúcich hlasov - polyfónia. Ak je polyfónia napríklad 4, naraz môžu znieť najviac 4 hlasy (ich nastavenie je ale rovnaké). Každý hlas ale môže obsahovať jednu alebo dve vrstvy.

Ak je syntezátor v režime dvoch vrstiev (2 layers), výsledný signál je možné získať dvomi spôsobmi zo signálov jednotlivých vrstiev:

• sčítaním - režim „Normal (add)“:
  
  kde sa úroveň vrstiev riadi jedným gombíkom „Layers 1/2 balance“ - ten určuje ich pomer.
  
  
• násobením - režim „Mod (multiple)“:
  
  Tu je výpočet už trochu zložitejší, ale gombík „Layers 1/2 balance“ opäť určuje pomer signálov vrstiev, avšak s tým rozdielom, že sa signály násobia. Ak je gombík vytočený doľava, je počuť len vrstvu 1, ak je vytočený doprava, je počuť len vrstvu 2 a ak je v strede, je počuť zvuk vzniknutý násobením signálov oboch vrstiev.

Oscilátory

Blok oscilátorov pozostáva z jednej (režim klasickej syntézy ) alebo z dvoch častí (režimy aditívnej syntézy ):

• generátor výšky základnej harmonickej zložky,
• generátor výšky ostatných harmonických zložiek (len pre režimy aditívnej syntézy ). To znamená, že vyššie harmonické zložky nemusia byť pevne viazané na základnú harmonickú zložku a ich správanie sa dá nastaviť.

Generátor výšky základnej harmonickej zložky je znázornený na nasledujúcom obrázku:

Hlavný výstup z tohto bloku je na obrázku nazvaný „Oscillator pitch“ a zahŕňa aj vibráto. Naproti tomu, výstup nazvaný „Frequency of tone“, nezahŕňa vibráto a slúži na riadenie niektorých iných blokov (napríklad filtrov alebo VDA modulácie), kde niektorý parameter má závisieť od výšky hraného tónu.

V tomto bloku sa nachádza generátor „BEI“ obálky (BEI = Begin-End-Interval), ktorý má nasledovnú štruktúru:

Na obrázku sú farebne odlíšené rôzne profily prechodu medzi začiatočnou a konečnou hodnotou.

Jemu podobný blok bol na obrázku nazvaný „BEI envelope with randomness“ - začiatočná a konečná hodnota môže byť aj záporná a okrem toho je možné nastaviť náhodnosť začiatočnej a konečnej hodnoty.

Generátor výšky ostatných harmonických zložiek a blok harmonických oscilátorov znázorňujú nasledovné dva obrázky (platí len pre režimy ):

Na tomto obrázku je znázornený režim parametrického posunu vyšších harmonických - výška ostatných harmonických sa určuje na základe určitého matematického výpočtu.
Ďalší obrázok znázorňuje režim užívateľského nastavenia výšky ostatných harmonických zložiek:

Tu treba spomenúť, že všetky generátory „BEI“ obálky majú spoločný parameter časového intervalu. V tomto režime je možné výšku každej harmonickej zložky nastavovať samostatne.

Blok harmonických oscilátorov bol v oboch režimoch rovnaký a jeho úlohou je generovať harmonické (sínusové) zložky, ktorých frekvencia je určená z frekvencie prvej harmonickej zložky „Tone Pitch“ a relatívnej frekvencie každej ďalšej harmonickej zložky.
Oscilátory môžu byť synchronizované so štartom obálok - v tom prípade pri začatí tónu všetky oscilátory začínajú generovať sínusovku od nuly. Týmto sa zamedzí vzniku puknutia pri začatí tónu (za predpokladu, že pred ním bol daný hlas v „tichu“).

Generátor spektra ()

Úlohou tohto bloku je vytvoriť zo signálov vychádzajúcich z harmonických oscilátorov výsledný signál. Treba poznamenať, že amplitúda všetkých harmonických zložiek z harmonických oscilátorov je rovnaká a jednoduchým sčítaním týchto signálov by nevznikol rozumný výsledný signál. Preto treba amplitúdu jednotlivých harmonických zložiek vhodne upraviť a týmto úkonom je možné napodobňovať spektrum známych tvarových signálov (pílka, trojuholník, obdĺžnik a podobne). Na toto slúži blok generátora spektra:

Okrem voľby spektra základných známych tvarov signálu je možné zvoliť aj užívateľské spektrum, pri ktorom je možné nastaviť amplitúdu každej jednotlivej harmonickej zložke. K dispozícii je aj náhodné spektrum - toto sa vygeneruje vždy pri štarte obálok.

Filtre

Jednou z najdôležitejších častí analógového syntezátora sú filtre. Syntezátor pracuje až s tromi nezávislými filtrami, ktoré je možné radiť buď paralelne, sériovo alebo jednou z dvoch paralelno-sériových radení (pozri obrázok):

Bloková schéma jedného filtra pre režimy :

Bloková schéma jedného filtra pre režim :

Filter pracuje so základnými parametrami:

• Typ - Low-pass filter (dolno-priepustný filter) s rezonanciou, High-pass filter (horno-priepustný filter) s rezonanciou, Band-pass filter (pásmovo-priepustný filter), Pulse emulator (emulátor obdĺžnikového signálu s meniteľnou šírkou impulzu) - len pre režim . Okrem toho sú k dispozícii voľby Off (filter neprepúšťa nič) a All-pass (filter prepúšťa všetko).
• Order - rád filtra (t.j. jeho strmosť) - len pre režim .
• Cutoff - medzná frekvencia filtra. V prípade typu Pulse emulator je toto parameter meniaci šírku emulovaného obdĺžnikového signálu.
• Rezonancia (len v prípadoch High-pass alebo Low-pass filtra). V prípade režimov je to aj kvalita Band-pass filtra.
• Symetria (len v prípade Band-pass filtra) - len pre režim .

Bloky obálok filtrov (obálka A, B a C) sú spoločné pre všetky 3 filtre, no každý filter má na výber jednu z obálok a tiež intenzitu a polaritu vplyvu vybranej obálky.
Obálka filtrov (A, B alebo C) má nasledovnú štruktúru:

Tiež je možné zvoliť, aký priebeh má narastajúca a klesajúca hrana - môže byť buď lineárna alebo exponenciálna. Je možné nastaviť závislosť niektorých parametrov obálky od sily úderu (dynamiky) tónu.

V prípade režimov a je možné každý filter prepnúť do „dvojitého“ (double) režimu - v takom prípade sa jadro filtra správa ako dve identické jadrá filtra radené za sebou:

V prípade jednoduchého filtra má filter strmosť 12dB/oktávu, v prípade dvojitého filtra 24dB/oktávu. Filter má teda dvojnásobne vyšší rád.

Parameter „Cutoff“ (medznú frekvenciu filtra) môžu meniť ešte tzv. modifikátory:

Tento blok je spoločný pre všetky 3 filtre. Blok „Apply select“ umožňuje prepojiť daný modifikátor k filtrom alebo parametru šírky impulzu (len ak je režim a navolený tvar Pulse). K dispozícii sú teda 3 modifikátory:

• Generátor tvarového signálu (na výber je tvar, frekvencia a obálka). Obálka tohto generátora je vždy synchronizovaná so štartom ostatných obálok (bežne pri začatí tónu). Tvarový signál môže byť tiež synchronizovaný so štartom obálok.
• Generátor náhodného signálu v určitých časových krokoch. Voliť sa dá rýchlosť krokov a tiež náhodnosť rýchlosti krokov.
• Generátor konštantného signálu - hodnota je konštantná po dobu hrania toho istého tónu. Pri spustení ďalšieho tónu (presnejšie pri štarte všetkých obálok) sa vygeneruje nová náhodná hodnota.

Pozn.: Štart obálok nemusí byť totožný so štartom tónu a to v prípade legáta, kedy začína nový tón, ale obálky sa nereštartujú.

Režimy filtrovania

Filtrovanie vo virtuálnom analógovom syntezátore môže pracovať v dvoch úplne odlišných režimoch:

• Režim subtraktívneho filtrovania ,
• Režim aditívneho filtrovania .

Týmto dvom režimom treba venovať pozornosť.

Režim subtraktívneho filtrovania - filtre sú v skutočnosti bloky, do ktorých vstupuje signál a vystupuje filtrovaný signál. Filtrovanie v tomto režime teda znamená, že sa zo signálu niečo uberá - z toho názov „subtraktívne“ filtrovanie.
Princíp filtra v režime subtraktívneho filtrovania režimu :

Princíp filtra v režime subtraktívneho filtrovania režimu :

Režim aditívneho filtrovania funguje tak, že je spočítané frekvenčné spektrum kombinácie filtrov v podobe sady hodnôt (jedna hodnota pre jednu harmonickú zložku). Týmito hodnotami sú násobené amplitúdy harmonických oscilátorov (podobne, ako to robí generátor spektra).
Nasledujúci obrázok znázorňuje princíp filtra v režime :

Okrem rozdielu princípu filtrov v týchto dvoch režimoch je rozdiel aj v možnostiach. Každý ma svoje výhody aj nevýhody:

	Výhody	Nevýhody
Režimy	Je možné filtrovať šum. Lepšie fungovanie rezonancie.	Menšie možnosti filtrov (predovšetkým rád filtrov). Filtre sa pri paralelnom radení ovplyvňujú (dôsledok zmeny fázy).
Režim	Bohatšie možnosti filtrov. Filtre sa pri paralelnom radení neovplyvňujú.	Nie je možné filtrovať šum. Menej realistická rezonancia.

VDA

VDA (Variable-Digital-Amplifier) je blok spracovania amplitúdy (okamžitej hlasitosti) signálu. Okamžitá amplitúda je určovaná takto:

Bloky generátora „BEI“ obálky, krokového náhodného generátora a generátora tvarového signálu sú rovnaké ako v prípade modifikátorov filtrov.

V prípade generátora tvarového signálu je možné nastaviť metódu modulácie:

• Standard - klasická amplitúdová modulácia,
• Myltiplying - násobiaca metóda - modulovaný signál je priamo násobený tvarovým signálom. Keďže tvarový signál nadobúda ako kladné hodnoty, tak aj záporné, je modulovaný signál násobený raz kladnou, raz zápornou hodnotou, čo má za následok inverziu signálu.

Blok „ADSR“ obálky (Attack-Decay-Sustain-Release) je bližšie znázornený na ďalšom obrázku:

Narastajúca hrana je vždy lineárna a klesajúca hrana vždy exponenciálna. Navyše je možné nastaviť aj intenzitu obálky a tiež závislosť tejto intenzity od sily úderu (dynamiky) tónu. Tiež je možné nastaviť závislosť niektorých ďalších parametrov „ADSR“ obálky od sily úderu.

Efektový blok

Efektový blok má za úlohu vytvorený signál vhodne upraviť efektami ako elektrónkový skresľovač, chorus alebo flanger a echo. Okrem toho sa až v tomto bode vytvára z mono-signálu stereo-signál.
K dispozícii je niekoľko variantov poradia efektov: