Как устроен электронный музыкальный синтезатор?
Большинство популярных аналоговых синтезаторов, работающих на разностном принципе, построены по модульной технологии, сложившейся к концу 70-х годов, и содержат блоки Key, Env, VCO, VCA, VCF, LFO, NG, Mix и другие.
Key (Keyboard - клавиатура) - блок музыкальной клавиатуры. В ответ на нажатия клавиш формирует сигнал нажатия, запускающий остальные блоки синтезатора, а также сигнал высоты, напряжение которого пропорционально номеру нажатой клавиши.
VCO (Voltage Controlled Oscillator - генератор, управляемый напряжением, ГУН) - генератор исходного сигнала синтезатора. Вырабатывает прямоугольные колебания с различной скважностью (разным спектром сигнала), а также синусоидальные, треугольные и пилообразные, логарифм частоты которых пропорционален управляющему напряжению.
NG (Noise Generator - генератор шума) вырабатывает шум - в основном белый или розовый.
Mix (Mixer - микшер) объединяет вырабатываемые генераторами сигналы, суммируя их в различных пропорциях, задаваемых регуляторами. Изменение пропорций смешиваемых сигналов дает изменение спектральной плотности выходного сигнала, который подается в другие блоки для дальшейшей обработки.
VCF (Voltage Controlled Filter - управляемый напряжением фильтр) - блок перестраиваемых фильтров. Обычно под воздействием управляющего напряжения изменяется полоса пропускания фильтра (Band, Contour), частота среза (Cutoff) и добротность фильтра - подъем или спад усиления внутри полосы (Resonance - резонанс). Чаще всего используется фильтр нижних частот (ФНЧ), срезающий высшие частоты, с резонансом около частоты среза; в более сложных моделях используются также полосовые фильтры и ФВЧ. Все или часть параметров фильтров выведены на регуляторы, задающие их исходные значения.
Env (Envelope - огибающая) вырабатывает напряжение, изменяющееся по фазам ADSR (Attack - Decay - Sustain - Release). При поступлении сигнала запуска начинается выработка фазы Attack, которая переходит в Decay и далее - в Sustain, где остается до момента снятия сигнала запуска, после чего формируется фаза Release и цикл выработки огибающей завершается. Длительности фаз ADR и уровень S задаются регуляторами. На простых одноголосых синтезаторах имеется только один блок Env, который позволяет сформировать огибающую для одного звука; в многоголосных синтезаторах их несколько. В простых инструментах блок Env формирует только амплитудную огибающую звука, в более сложных имеется отдельный блок для выработки спектральной огибающей для фильтра или дополнительного управления синтезом.
VCA (Voltage Controlled Amplifier - управляемый напряжением усилитель) формирует выходной сигнал синтезатора. Обычно его управляющее напряжение берется с блока Env, что дает амплитудную огибающую звука.
LFO (Low Frequency Oscillator - генератор низкой частоты) вырабатывает колебания различной формы частотой примерно от 0.1 до 20 Гц, которые могут быть смешаны с любым из других управляющих напряжений. Подача их на VCO дает частотную модуляцию, на VCF - эффект "вау-вау", "вращающегося" или "открывающегося" источника звука, на VCA - амплитудное вибрато (тремоло). Некоторые LFO могут вырабатывать случайно меняющийся ступенчатый сигнал, дающий интересные на слух виды модуляции.
Каждый из блоков синтезатора полностью независим от других - все они могут соединяться любым способом для получения различных режимов синтеза. В концертных синтезаторах большинство блоков соединены жестко (Key - на VCO и Env, Env - на VCA, LFO - на VCO и VCA и т.п.), в студийных входы и выходы каждого блока выведены на переднюю панель, и соединение делается внешними шнурами.
В начале 80-х начали внедряться цифровые методы обработки, которые поначалу комбинировались с аналоговыми, выполняя каждый свойственные ему функции. Например, блоки Key, VCO, LFO, NG и Env проще реализуются цифровым способом, а Mix и VCF - аналоговым. При этом цифровые блоки через ЦАП подавали управляющие напряжения на аналоговые. Преимущество цифровых формирователей - более высокая стабильность, точность, а главное - повторяемость сигналов, поскольку аналоговая (непрерывная) форма заменена дискретной (конечной). При достаточно большом числе дискрет ступенчатость перестает ощущаться на слух, но повторяемость остается.
Тогда же появились полностью цифровые FM-синтезаторы, которые не содержали наиболее сложных в цифровой реализации управляемых фильтров.
В середине 80-х был освоен выпуск быстродействующих DSP, и появились полностью цифровые разностные и самплерные синтезаторы.
По сути, цифровой синтезатор представляет собой обыкновенный компьютер с устройствами ввода (клавиатура, кнопки, рычажки, датчики, MIDI), вывода (звук, индикаторы, MIDI), обработки (генераторы, преобразователи, память и т.п.) и центральным процессором, координирующим их работу. Например, клавишный синтезатор Roland JV-30 выпускается как в виде отдельного модуля (тонгенератора) SC-55, так и в виде звуковой карты для PC - SCC-1.
