Синтез звука на основе частотной модуляции

Любой звук характеризуется высотой (основного тона) и дополнительными гармониками — обертонами, — определяющими тембр звучания конкретного тона. Высота звука зависит от частоты основного тона. Обертоны, даже если их сила велика, на ощущение высоты звука влияют мало, но придают ему своеобразную окраску. Способность человеческого уха разложить сложный звук на гармонические составляющие (основной тон и обертоны) позволяет различать звуки, например, отличить ноту до, взятую на кларнете, от той же ноты, взятой на рояле.

Таким образом, если синтезировать сигналы основного тона и обертонов, присущих звучанию конкретного инструмента, можно имитировать звук практически любой ноты этого инструмента.

Как уже отмечалось, высота созданного с помощью музыкального инстру­мента звукового сигнала характеризуется частотой и формой амплитудной огибающей. От формы амплитудной огибающей зависит также и спектраль­ный состав обертонов. Обычно в фазе атаки количество высокочастотных составляющих максимально и постепенно уменьшается на стадиях поддерж­ки и затухания. Особенно это свойственно звуку смычковых и клавишных инструментов. Следовательно, в простейшем случае для генерации голоса музыкального инструмента достаточно двух генераторов сигналов сложной формы: генератора несущей частоты и модулирующего генератора (рис. 2.5). Генератор несущей частоты формирует сигнал основного тона, частотно-модулированный сигналом обертонов. Модулирующий генератор (генератор огибающей) управляет индексом модуляции сигнала основного тона и ам­плитудой результирующего сигнала. Управление генераторами (настройка частоты, выбор формы амплитудной огибающей, режим работы и т. п.) осуществляется путем подачи на его вход цифрового кода. Эти генераторы называются операторами.

Рисунок 2.5 – Синтез звука на основе частотной модуляции

Такой способ не позволяет получить много спектральных составляющих звукового сигнала, поэтому в реальных FM-синтезаторах используется не два, а шесть и более операторов, модулирующих друг друга. При этом соз­дание новых звуков осуществляется на основе эмпирических методов путем выбора определенных соотношений частот и схем соединения операторов. Варианты соединения операторов называют FM-алгоритмами. В первых зву­ковых картах использовался двухоператорный синтез, т. е. в создании голоса одного инструмента (тембра) участвовало только два генератора. FM-синтезаторы современных звуковых карт могут работать в двух-, четырех- и более -операторных режимах.

Каждый оператор может формировать сигнал одной из определенных форм {waveform). В соответствии с FM-алгоритмом операторы могут соединяться по-разному. Например, выходные сигналы операторов могут суммироваться (аддитивный синтез). При последовательном соединении с петлей обратной связи второй оператор будет задавать основной тон сигнала (являться гене­ратором несущей), а первый — определять обертоны (является модулятором). В этом случае сигнал с выхода первого операторы поступает на вход второ­го, а с выхода второго — на вход первого.

Звуковые карты с FM-синтезаторами обеспечивают высокую повторяемость тембров. Например, партия скрипки, записанная с использованием FM-синтезатора одной модели, будет звучать практически без искажений на FM-синтезаторах других моделей. К настоящему времени накоплено боль­шое количество FM-алгоритмов синтеза оригинальных звучаний (тембров).

Однако, поскольку процесс синтеза во времени совмещен с процессом ис­полнения музыки, значительно возрастают требования к суммарной произ­водительности ПК и собственно FM-синтезатора. Действительно, чем выше требования к точности воспроизведения звучания музыкального инструмен­та, тем большее количество генераторов должно быть задействовано. При этом алгоритм управления генераторами окажется достаточно сложным — ведь необходимо учитывать малейшие оттенки звучания, присущие конкрет­ному инструменту. Для уменьшения объема вычислений в звуковых картах используются упрощенные алгоритмы, при этом голос инструмента форми­руется минимальным количеством генераторов. Это приводит к тому, что звуковые карты с FM-синтезатором формируют небольшое количество бла­гозвучных тембров. Вследствие этого имитация звучания реальных музы­кальных инструментов оказывается очень грубой.