Цифровые синтезаторы: история и развитие

Введение

Синтезатор, использующий цифровую обработку сигналов для создания звуков.

Цифровой синтезатор – это синтезатор, использующий методы цифровой обработки сигналов (DSP) для создания музыкальных звуков. Это отличается от более ранних аналоговых синтезаторов, которые генерируют музыку с помощью аналоговой электроники, и сэмплеров, которые воспроизводят цифровые записи акустических, электрических или электронных инструментов. Некоторые цифровые синтезаторы имитируют аналоговые синтезаторы, другие, помимо цифрового синтеза, обладают функцией сэмплирования.

История

Самые ранние эксперименты по цифровому синтезу были проведены с использованием компьютеров в рамках академических исследований в области генерации звука. В 1957 году Макс Мэтьюс разработал первый язык программирования для компьютерной музыки, MUSIC, на IBM 704 в Bell Labs. Он генерирует цифровые звуковые волны посредством прямого синтеза. Около 1969 года система EMS MUSYS 3 была разработана Питером Грогоно (программное обеспечение), Дэвидом Кокереллом (аппаратное обеспечение и интерфейсы) и Питером Зиновьевым (проектирование и эксплуатация системы) в их лондонской (Путни) студии. Система работала на двух мини-компьютерах Digital Equipment PDP 8. Они были оснащены парой быстрых А/Ц и Ц/А преобразователей, 12 000 (12К) байт оперативной памяти (RAM), дополненной жестким диском объемом 32К и ленточным накопителем (DecTape). На этой системе в 1971–1972 годах была выполнена первая цифровая сэмплизация для произведения Харрисона Биртуистла "Chronometer", выпущенного в 1975 году. В 1972–1974 годах профессора Дартмутского колледжа Джон Эпплтон и Фредерик Дж. Хоувен разработали Dartmouth Digital Synthesizer в сотрудничестве с соучредителями NED Сидни А. Алонсо и Кэмероном В. Джонсом. В 1977 году Хэл Алес разработал цифровой синтезатор в Bell Labs. В 1977 году компания New England Digital (NED) выпустила Synclavier – первый коммерческий синтезатор, использующий исключительно цифровое генерирование звука, а также первый в мире коммерческий FM-синтезатор. Ранние коммерческие цифровые синтезаторы использовали простую аппаратную цифровую схему для реализации таких методов, как аддитивный синтез и FM-синтез. Другими ранними коммерческими цифровыми синтезаторами были Fairlight CMI, представленный в 1979 году, и New England Digital Synclavier II, представленный в 1979 году как обновление оригинального Synclavier. Synclavier первоначально использовал технологию FM-синтеза, лицензированную у Yamaha, прежде чем в 1982 году добавить первый в мире 16-битный стриминговый сэмплер с жесткого диска в реальном времени.

В Японии

В 1973 году японская компания Yamaha лицензировала патент на синтез частотной модуляции (FM-синтез) у Джона Чоунинга, который экспериментировал с ним в Стэнфордском университете с 1971 года. Инженеры Yamaha начали адаптировать алгоритм Чоунинга для использования в коммерческом цифровом синтезаторе, добавив улучшения, такие как метод "масштабирования клавиатуры", чтобы избежать искажений, обычно возникающих в аналоговых системах при частотной модуляции, хотя потребовалось несколько лет, прежде чем Yamaha выпустила свои цифровые FM-синтезаторы. В 1970-х годах Yamaha получила ряд патентов под прежним названием компании "Nippon Gakki Seizo Kabushiki Kaisha", развивая ранние работы Чоунинга в области технологии FM-синтеза. Yamaha построила первый прототип цифрового синтезатора в 1974 году. Casio VL 1 был первым бюджетным цифровым синтезатором, продававшимся по цене 69,95 долларов США. Представленный в 1983 году, Yamaha DX7 стал прорывным цифровым синтезатором, оказавшим значительное влияние благодаря своей инновационности и доступности, что привело к упадку аналоговых синтезаторов. Он использовал FM-синтез и, хотя не поддерживал сэмплирование, как Fairlight CMI, его цена составляла около 2000 долларов, что делало его доступным для большего числа музыкантов. DX7 также был известен своим методом "масштабирования клавиатуры" для предотвращения искажений и характерным ярким тембром, частично обусловленным высокой частотой дискретизации в 57 кГц. Он стал незаменимым инструментом для многих музыкантов 1980-х годов и вошел в число самых продаваемых синтезаторов всех времен, благодаря встроенным цифровым эффектам (реверберация, хорус, эквалайзер). Roland назвал это синтезом линейной арифметики (LA). Этот инструмент ответственен за некоторые из наиболее узнаваемых пресетных звуков синтезаторов конца 1980-х годов, например, звук Pizzagogo, использованный в песне Enya "Orinoco Flow". Постепенно стало возможным включать высококачественные сэмплы существующих инструментов вместо их синтеза. В 1988 году Korg представил последний из чрезвычайно популярных трио цифровых синтезаторов 1980-х годов – M1, после DX7 и D50. Это ознаменовало растущую популярность цифрового сэмплирования и появление синтезаторов типа "рабочая станция". После этого многие современные популярные цифровые синтезаторы стали описываться как не являющиеся полноценными синтезаторами в строгом смысле, поскольку они воспроизводят сэмплы, хранящиеся в их памяти. Однако они по-прежнему включают в себя возможности формирования звука с помощью огибающих, LFO, фильтров и эффектов, таких как реверберация. Серии клавиатур Yamaha Motif и Roland Fantom являются типичными примерами этого типа, описываемые как "ROMplers"; в то же время, они также являются примерами синтезаторов "рабочей станции". С падением стоимости вычислительной мощности и памяти появились новые типы синтезаторов, предлагающие разнообразные новые возможности синтеза звука. Korg Oasys был одним из таких примеров, объединяющим несколько цифровых синтезаторов в одном устройстве.

In 1973, the Japanese company Yamaha licensed the patent for frequency modulation synthesis (FM synthesis) from John Chowning, who had experimented with it at Stanford University since 1971. Yamaha's engineers began adapting Chowning's algorithm for use in a commercial digital synthesizer, adding improvements such as the "key scaling" method to avoid the introduction of distortion that normally occurred in analog systems during frequency modulation, though it would take several years before Yamaha were to release their FM digital synthesizers. In the 1970s, Yamaha were granted a number of patents, under the company's former name "Nippon Gakki Seizo Kabushiki Kaisha", evolving Chowning's early work on FM synthesis technology. Yamaha built the first prototype digital synthesizer in 1974. the Casio VL 1 was the first low budget digital synthesizer, selling for $69.95. Introduced in 1983, the Yamaha DX7 was the breakthrough digital synthesizer to have a major impact, both innovative and affordable, and thus spelling the decline of analog synthesizers. It used FM synthesis and, although it was incapable of the sampling synthesis of the Fairlight CMI, its price was around $2,000, putting it within range of a much larger number of musicians. The DX 7 was also known for its "key scaling" method to avoid distortion and for its recognizably bright tonality that was partly due to its high sampling rate of 57 kHz. It became indispensable to many music artists of the 1980s, and would become one of the best selling synthesizers of all time. of built in digital effects (reverb., chorus, equalizer). Roland called this Linear Arithmetic (LA) synthesis. This instrument is responsible for some of the very recognisable preset synthesizer sounds of the late 1980s, such as the Pizzagogo sound used on Enya's "Orinoco Flow." It gradually became feasible to include high quality samples of existing instruments as opposed to synthesizing them. In 1988, Korg introduced the last of the hugely popular trio of digital synthesizers of the 1980s after the DX7 and D50, the M1. This heralded both the increasing popularisation of digital sample based synthesis, and the rise of 'workstation' synthesizers. After this time, many popular modern digital synthesizers have been described as not being full synthesizers in the most precise sense, as they play back samples stored in their memory. However, they still include options to shape the sounds through use of envelopes, LFOs, filters and effects such as reverb. The Yamaha Motif and Roland Fantom series of keyboards are typical examples of this type, described as 'ROMplers'; at the same time, they are also examples of "workstation" synthesizers. As the cost of processing power and memory fell, new types of synthesizers emerged, offering a variety of novel sound synthesis options. The Korg Oasys was one such example, packaging multiple digital synthesizers into a single unit.

Аналоговый и цифровой

Аналоговый синтезатор создаёт звук, используя электронные схемы, такие как генераторы с управлением напряжением и фильтры с управлением напряжением. В отличие от него, цифровой синтезатор генерирует поток чисел, часто с использованием цифрового сигнального процессора, которые затем преобразуются в звук с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). По сути, цифровой синтезатор – это компьютер с (часто) клавиатурой фортепиано или органа и ЖК-дисплеем в качестве пользовательского интерфейса. Поскольку компьютерные технологии быстро развиваются, цифровые синтезаторы зачастую предлагают больше возможностей по сравнению с аналоговыми за ту же цену. Однако обе технологии имеют свои достоинства. Некоторые виды синтеза, например, сэмплирование и аддитивный синтез, невозможны в аналоговых синтезаторах, в то время как многие музыканты предпочитают звучание аналоговых синтезаторов их цифровым аналогам.

Использование в популярной музыке

Эпоха новой волны 1980-х годов впервые представила цифровой синтезатор широкой публике. Группы, такие как Talking Heads и Duran Duran, использовали созданные цифровым способом звуки в некоторых из своих самых популярных альбомов. Другие группы, вдохновленные поп-музыкой, например Hall & Oates, начали внедрять цифровой синтезатор в свое звучание в 1980-х годах. Благодаря технологическим прорывам в 1990-х годах многие современные синтезаторы используют DSP.

Цифровой синтез

Работая по схожему принципу, каждый цифровой синтезатор во многом напоминает компьютер. При фиксированной частоте дискретизации цифровой синтез генерирует поток числовых значений. Звук, воспроизводимый через динамики, получается путем преобразования в аналоговый сигнал. Прямой цифровой синтез является типичной архитектурой для цифровых синтезаторов. Поток сигнала создается и контролируется посредством генерации сигнала, обработки уровня сигнала голоса и инструмента – либо через возможности MIDI, либо с помощью ручного управления уровнем сигнала голоса и инструмента.