Synthesizer-Diplom

Synthesizer Diplom ist ein Pamphlet, welches ich Mitte der 90er schrieb, um digitale Synthesizer näher zu beleuchten als Arbeit bei der Schule für Tontechnik aka SfT in Wuppertal (Audio Engineer / Audio Producer). http://www.sequencer.de/synthaudio/synthesizer-diplom.html

Auch als PDF http://www.sequencer.de/pix/synthaudio_pics/synthdiplom.pdf (ohne Bilder leider). Im Folgenden auch ohne Bilder.. Bau ich evtl später dazu..

SYNTHESIZER - DIPLOM

von --- Moogulator.com - 13:44, 14 August 2007 (CEST) Uhrheberrechtlich geschützt, bitte bei Ausschnitten fragen.. nicht einfach kopieren (C) 1996/97 by Consequence Mic Irmer (Moogulator) kontakt / adresse / email moogulator

0 Vorgeschichte des Synthesizers

Synthesizer History Milestones/Vorgeschichte und Geschichtliche Meilensteine

• Synthesizer Vorgeschichte
• Synthesizer History Timeline

Hauptteil

2. Digitale Grundlagen / global

2.1 Was ist "digital"?

Bevor die Vorteile und die Technik von "Analog"- und "Digital" Synthesizern besprochen werden, ist es nötig, den Unterschied zu erklären: "digitale" Zustände kommen in der Natur nicht vor, es ist eine Technik der Vereinfachung durch Darstellung von physikalischen Größen in einem Zahlenraster. Konkret: eine Steuerspannung, die jeden Wert annehmen kann, ist formgleich; wie in der Natur; eine analoge wert- und zeitkontinuierliche Größe. Wenn man diese Größe als digital bezeichnen will, so bedeutet dies, sie wird als Zahlenwert auf einer ebenfalls gerasterten Zeitachse als diskrete Zahl ausgedrückt (Beispiel für die: y Achse: Auflösung: 8 Bit = 65536 Werte, dadurch ergeben sich Stufungen; erhöht man die Auflösung, werden die Stufen kleiner, aber niemals so fein wie das analoge "Soll-Pendant"; die x Achse: wieviele "Proben" werden genommen pro Sekunde?). Um das digitale Signal dem Analogvorbild anzunähern, kann man:

- Die Anzahl (Auflösung) der Werte zwischen Maximal- und Minimalpunkt vergrößern (die Treppe hat mehr Stufen = feineres Abbild). Ein Analogwert ist stufenlos, der digitale muß hier zwischen zwei diskreten Werten unterscheiden (="Quantisierung") und kann nur innerhalb dieser Werte operieren.

- Mehr Werte auf der x-Achse entsprechen häufigerem "Abfragen", also mehr Einzelproben, die "Samples" (Treppe hat schmalere Stufen = feineres Abbild). Häufigeres Abfragen erhöht die oberste hörbare, wiedergegebene Frequenz, muß also nicht "gegen unendlich" tendieren, wie der y-Wert, sondern kann im hörbaren Bereich bleiben. Hierbei sind noch andere Dinge wichtig, welche mit der Abtastung zusammenhängen. Zu nennen sei hier das "Nyquist-Theorem", das ähnlich dem Effekt des scheinbaren Rückwärtslaufes von Filmen besagt, die doppelte Abtastfrequenz zu verwenden, um nicht ungewollt Wellendurchläufe zu "überspringen" und somit falsch wiederzugeben. Dies soll zugunsten des Umfangs der Arbeit nicht weiter vertieft werden.

unperfekte Zeichnung:

Als Beispiel für die Reduktion einer analogen auf eine digitale Wellenform hier eine Prinzipskizze (Seite 6 oben) einer Sinuswellenform. Die Umwandlung ist nötig, um sie mit Computern weiterverarbeiten zu können.

Ein letzter Punkt zur Verdeutlichung ist die praktische Umsetzung in die Realität: Ein Analogsynthesizer ist aus verschiedenen Baugruppen (also Modulen), welche eine bestimmte Funktion erfüllen, zusammengesetzt. Jede Baugruppe kann, wie bei analogen Modularsystemen gut zu erkennen, als eine in sich geschlossene, (fast) autarke Einheit gesehen werden, die mit anderen Modulen durch entsprechendes Patchen verbunden werden. Bei nicht- oder teilmodularen Systemen sind diese Verbindungen bereits ab Werk intern verdrahtet. Ein reiner Digitalsynthesizer besteht ebenfalls aus solchen Baugruppen mit dem Unterschied, daß sie als Computerprogramme (bzw. "Unterprogramme") in Form eines Algorithmus bestehen. Diese (Einzel-)algorithmen besitzen die Möglichkeit zur Übergabe von Parametern zur Ein- und Ausgabe, welche mit den Patchkabeln zwischen den Analogmodulen vergleichbar sind.

Jetzt kann man erkennen, daß der Digitalsynthesizer eine Datenverarbeitungsanlage, ein Computer, ist. Dieser ist, weil er ja keine (analogen) elektrischen Spannungen oder verschiedene Schalldrucke verarbeitet, sondern mit Algorithmen (also Zahlen) umgeht, mit Wandlern ausgestattet sein, die das digitale "Signal", also Zahlenkolonnen, in elektrische Spannungen (Spannungsschwankungen) umsetzen (und umgekehrt).

Die Vorteile der digitalen Geräte sind:-

leichter / preiswerter herstellbar- reproduzierbare Ergebnisse / mögliche Verarbeitung durch Computer- neue Funktionen leichter integrierbar / austauschbar

2.2 Sampling

Ein "Sample" ist die digitale Aufnahme eines Geräusches, welches oft als Erweiterung subtraktiver Synthesizer eingesetzt wird (siehe Kapitel "Synthesetechniken"), um Naturklänge oder Startphasen eines Klanges (sehr entscheidend zur Erkennung eines Instrumentes) authentischer und schneller zur Verfügung zu haben.

Um Samples zu benutzen, müssen diese im Speicher des Synthesizers (also des Computers im Synthesizer) abgelegt sein, welche entweder ab Werk fest in einem Chip (einem ROM = Read Only Memory, siehe dazu Abschnitt 2.3 Computer) oder von außerhalb in den Daten-Speicher des Synthesizers geladen werden. Dies geschieht durch Datentransfer über eine Schnittstelle oder Massenspeicher wie Disketten oder Festplatten. Eine übliche Methode ist die Benutzung von Analog- / Digital (A/D) - Wandlern, welche die Entsprechung bei der Ausgabe durch Digital / Analog (D/A) - Wandler sind. Hierbei gibt es viele Methoden. Die zur Zeit übliche ist die "Delta Sigma" Wandlung (Messung relativ zum vorangegangenen Meßwert).

Wie Tonhöhenänderungen erreicht werden siehe auch Kapitel 3.2.1.

Samples haben einen Start- und Endpunkt, sowie eine (oder mehrere) Schleifenbildungmöglichkeit(en) mit eigenen Start- und Endpunkten ("Loopstart- und Endmarkierung"). Die Schleife(n) sind für die Phase des Klanges, in der die Taste gedrückt bleibt, zuständig. So ist es möglich, auch einen Streicherklang "unendlich langzuziehen", bis die Taste losgelassen wird (durch Wiederholen, also "Loopen" eines Teils des Samples). Der Ausklang kann auch oft mit einer zweiten solchen Schleife ("Loop") belegt werden.

Professionelle und aktuellere Sampler haben zumeist eine komplette subtraktive Einheit mit "an Bord" und sind somit auch als Synthesizer zu sehen (wie zum Beispiel der E-mu "Emulator IV"). Die Oszillatoren haben hier Samples als "Wellenform", die nachher eine Filtereinheit passieren, das heißt: dynamisches Verändern bestimmter harmonischer Teiltöne. Natürlich können auch die Grundwellenformen als Sample benutzt werden, digitale Oszillatoren sind oft ebenfalls in dieser Weise realisiert (andernfalls werden sie algorithmisch, also nach einer Rechenvorschrift in einem Programm erzeugt). Deshalb kann man "Sampler" und "Synthesizer" nicht getrennt sehen, wie auch der "Workstation"-Begriff (Synthesizer mit eingebautem Sequencer und Schlagzeugsounds) lediglich auf eine Spezialisierung hinweist, und die Grenzen zunehmend verschwimmen oder gar nicht mehr zu erkennen sind.

Eine Auswahl einiger digitaler Synthesizer und Samplermodule: Von oben nach unten (rechtes Foto): - Ensoniq ASR - 10 (Sampler mit Effektprozessor) & Wechselplattenlaufwerk - Yamaha TG-77 (FM-Synthesizer mit Samplewiedergabe = "AFM") - ( YAMAHA Effektprozessor SPX 900 ) - Waldorf Microwave (Hybrid Wavetable-Synthesizer) - Clavia Nord Lead (digitaler virtueller "analog"-Synthesizer) - EMU Emulator IV (Z-Plane-Sampler)& Wechselplattenlaufwerk (nicht im Bild) ( Ensoniq Effektprozessor DP/4 )

Fotos sind hier leider nicht mehr, aber alle Synthesizer befinden sich in der Synthesizerdatenbank! SynthDB

Von oben n. unten (Linkes Foto): Oberheim Xpander(Analog-Synthesizer) Korg Prophecy (M.O.S.S. Synthesizer) Ensoniq SQ80 (Hybridsynthesizer)

2.3. Computer

2.3.1 Hardware

Ein Computer ist eine Einrichtung zur Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe von Daten. Im Prinzip werden nur Kombinationen von "Einsen" und "Nullen", genauer gesagt zwei Zuständen, wie z.B. "5 Volt" oder "0 Volt", benutzt. Diese Zustände werden im Binär- (oder Dual-) System dargestellt, ein Zahlensystem mit der Basis zwei. Proportional zum dezimalen (Zehner-) System können die Stellen der Ziffern durch eine Potenz dieser Basiszahl dargestellt werden:

2343 (dezimal)= 2x 103 + 3x 102 + 4x 101 + 3x 100

Ein zweites Beispiel: 1001 (binär)= 1x 23 + 0x 22 + 0x 21 + 1x 20 Der Dezimalwert dieser Binärzahl entspricht dem Ergebnis der Potenzen (hier also "9").

Die einzelnen Ziffern zeigen auch deutlich, daß der maximale Wert durch Hinzunahme einer weiteren Ziffer verdoppelt werden kann. Die Bitbreite (Datenwort), die ein Computer gleichzeitig verarbeiten kann beträgt meist 8,16 oder 32 (usw...). Obwohl ein Byte = 8 Bit sind, ist es unüblich, die Prozessorwortbreite in Byte anzugeben. Nun aber erst einmal zur technischen Seite, um die Fremdworte zu erklären: Das obige zweite Beispiel ist eine 4-Bit Zahl. Will man die Gesamtspeicherkapazität angeben, so kann man die üblichen Bezeichnungen der Physik verwenden, also "1 KiloByte" für 1000 x 1 Byte = 1024 Byte, abgekürzt "1 kB". Die 1024 ergeben sich durch 8 Bit, die 1 Byte enthält.

Zentrales Element des Rechners ist die CPU (Central Processing Unit = Prozessor), welche(r) aus Rechenwerk, Steuerwerk und einem kleinen Speicher (="Register") besteht. Diese CPU ist über Busse / Bussysteme (=parallele Leitungen, die die Information, jene oben beschriebenen Binärinformationen, weiterleiten) mit dem eigentlichen Arbeits- und Datenspeicher (RAM und ROM, siehe unten,) sowie der Ein- / Ausgabe verbunden, z.B: Tastatur, Display oder Wandler (eine Einrichtung zum Umsetzen von analogen in digitale Signale und umgekehrt). Ein Taktsignal bringt den Prozessor dazu, den nächsten Schritt, einen Befehl, auszuführen. Genauer: den Befehlszähler "weiterzuschalten", bzw. Zwischenschritte zur Lösung mathematisch - logischer Probleme "weiterzuschalten".

Hier die wichtigsten Bestandteile und Bezeichnungen eines (rudimentären) Computers:

Befehl: Eine Anweisung an das Rechenwerk oder den Befehlszähler, eine logische Operation durchzuführen, z.B.: Springen (bedingt oder unbedingt), addieren, o.ä. (...)

Betriebssystem: Programm, das die Grundfunktionen des Systems enthält (wird vom Anwender nicht geändert), jedoch die Benutzeroberfläche, die "Schnittstelle" zwischen Mensch und Gerät (Bekannte Betriebssysteme sind u.a.: "Mac OS", "Windows ´95" oder "OS/2" bei Computern).

Bus: Eine Reihe von parallelen Leitungen zur Übertragung der binären Information: Adressbus: Wählt eine Speicherzelle oder einen Speicher der Ein- / Ausgabe an (Synthesizer: Der Wandler soll einen Wert auslesen oder hineinschreiben oder: Displayausgabe anwählen, usw...). Datenbus: Ein Wert wird hier ein- / ausgegeben (z.B: Ausgabe des Wertes an das Display: Es soll "Attack=12" anzeigen). Steuerbus: Synchronisation aller Rechnerkomponenten und Organisation.

EPROMS / EEPROMS: "Festspeicher" - ROMs, die löschbar und beschreibbar sind. Das doppelte "E" (für "electrical eraseable") deutet auf die generell elektrisch mehrmalige Lösch- und Beschreibbarkeit hin. Dieses Bauteil wird oft verwendet für die Parameterspeicherung der Einzelklangprogramme, die einfacheren EPROMs hingegen werden gern für das Betriebssystem genutzt, da es nicht sehr oft ausgetauscht werden muß ("Eraseable Programable ROM" = begrenzt häufig löschbares ROM). Diese Speicher werden nicht durch Ausschalten gelöscht.

Hardware: Die Technik, ("festverdrahtet").

Programm: Eine logische Folge von Befehlen (Arbeitsanweisungen), welche aus einem festbegrenzten und für diesen Prozessor (CPU) genormten Vorrat von Befehlen aus einer Gesamtvorratsliste besteht.

Rechenwerk: Der Prozessor-Teil, in dem (z.B.) addiert wird, also der Befehl ausgeführt wird, wie etwa: "Eine Zahl aus dem Daten - Speicher holen, zu einer anderen hinzuaddieren und das Ergebnis in einer weiteren Speicherzelle ablegen".

Schnittstellen / IO-Ports: Verbindungen mit anderen Geräten über genormte, physikalische "Hardwarekommunikationsverbindungen" und Softwareprotokolle zur Steuerung der Datenübergabe. Hierüber werden andere Geräte angeschlossen, wie Drucker oder Synthesizer (über MIDI = Musical Instrument Digital Interface = Normschnittstelle für Musikinstrumente). "IO-Ports" steht für "Input - Output - Anschluß", also Ein- / Ausgabebausteine, bzw. Schnittstelle(n).

Software: Programme und Daten, ("veränderbar").

Speicher: Der Speicher ist eine Einrichtung aus einzelnen "Speicherzellen", die durch den Adressbus angewählt werden. In einer solchen "Speicherzelle" ist eine Zahl gespeichert, die auch wieder über den Datenbus ausgelesen, gelöscht oder überschrieben werden kann. Dabei gibt es das RAM (Random Access Memory = Speicher mit freiem Zugriff) als Arbeits- und Datenspeicher, aus dem Daten ausgelesen und geschrieben werden können und das ROM (Read Only Memory = Nur - Lese - Speicher), aus dem nur gelesen werden kann. Hier stehen für den Anwender unveränderliche Daten. In Synthesizern sind das u.a.: Tastatursteuerung, (Werks-) Sampleklänge / (Werks-) Sounds (=Parameter dieser Klänge). Es gibt auch die Möglichkeit, das Betriebssystem in ein RAM zu laden und bei jedem Neustart (über Diskette / Festplatte) jedesmal erneut alle Daten zu laden. Meist ist das Betriebssystem von Synthesizern jedoch im ROM zu finden. RAMs werden gelöscht beim Ausschalten, (E/EP)ROMs nicht. ROMs behalten ihren Inhalt ebenfalls. Eine Akkupufferung der RAMs ist eine Möglichkeit, um dieses Problem zu umgehen.

Steuerwerk: Koordiniert den Ablauf des Programms. Es weist das Rechenwerk an, einen Befehl umzusetzen und das Ergebnis in den prozessorinternen Zwischenspeicher zu bringen, bzw. in / aus dem Speicher (RAM / ROM) zu lesen, wo Daten (etc...) gelesen oder gespeichert werden sollen.

Die Aufgaben sind:

1.Adressierung (Anfahren einer bestimmten Speicherzelle) 2.Auslesen 3.Decodierung (Heraussuchen des Befehls aus der "Vorratsliste" / Anweisung des Rechenwerkes) 4.Ausführung eines Befehls eines Programms anzuweisen.

Noch einige Worte zu logischen Verknüpfungen und Operationen: Jede der verschiedenen Befehle für das Rechenwerk (alle mathematischen Operationen, jedoch nicht die "unbedingten Sprungbefehle") werden durch ihre Kodierung ausgewählt, z.B.: Befehl "011" kann bedeuten: "addieren" oder: "durch eine UND Logikoperation verknüpfen".. Sprungbefehle werden zwar auch in dieser Art kodiert, führen aber nur zur Änderung des Befehlszählerstandes.

Hier exemplarisch die Arbeitsweise des logischen "UND": Die Wertetabelle für das logische UND lautet:

Bei Variable 1 Variable 2 Ergebnis 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

Nur wenn Variable 1 UND Variable 2 = 1 sind, ist das Ergebnis 1. Solch eine Wertetabelle wird aufgestellt und dann in Form einer Schaltung realisiert, auch bei anderen logischen Verknüpfungen.

Beim logischen ODER wäre dies also:

Bei Variable 1 Variable 2 Ergebnis 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

Wenn Variable 1 ODER Variable 2 gleich 1 ist, ist das Ergebnis 1.

Man kann der besseren Anschauung wegen auch "wahr" und "falsch" benutzen (statt "0" und "1") oder auch "offene" und "geschlossene" Schalter, etc.. Bei Benutzung von Schaltern ist die Reihenschaltung zweier oder mehrerer Schalter mit der UND Schaltung identisch, die Parallelschaltung hingegen entspricht dem logischen ODER.

Interessant ist, als letztes Beispiel, der Addierer für binäre Zahlen, stellvertretend für andere Funktionen hier beschrieben:

Wenn Ziffer1 und Ziffer2 binär addiert werden, gibt es nur diese Möglichkeiten:

0+0=0 ; 0+1=1, bzw. 1+0=1 ; 1+1=1.

Zusätzlich muß für die nächst höherwertige Stelle ein "Übertrag" gesetzt werden ("Übertrag =1"). Wenn kein Übertrag mehr gesetzt wird, ist somit das maximal errechenbare Ergebnis erreicht, bzw. begrenzt durch die Stellenanzahl! Das "Additionsergebnis" ist ein logisches "ODER" -Verhalten. Der Übertrag ist ein logisches "UND" (beides natürlich Verknüpfungen zwischen den beiden Ziffern als Variable).

Nun erkennt man die Realisierbarkeit aus logischen Funktionen von mathematischen Problemen! Die Gesamtheit der mathematischen Befehle sind in einem Arithmetik- und Logik - Netzwerk im Rechenwerk enthalten. Des weiteren enthält es "Register" als Zwischenspeicher (1 Byte groß). Auf dieser Ebene rechnet der Computer jeden einzelnen Befehl (jede Zahl nacheinander) aus.

Es können in neueren Prozessoren theoretisch auch parallel Zahlen addiert werden, dies beschleunigt den Rechner dadurch, daß er innerhalb eines Prozessor - Taktschritts mehrere Zahlen bereits addiert hat. Die Wortbreite des Prozessors muß natürlich entsprechend groß sein.

Ein aktuelles Beispiel für die Anwendung des parallelen Ausnutzens des gesamten Prozessorbusses (etc...) ist "MMX" für Intel Pentium- Prozessoren.

3. Synthesetechniken / speziell

3.1 Subtraktive Synthese / Sampling

Grundlagen und wie digitale Filter funktionieren

3.2.1 Wavetable-Synthese (Wavescanning / Wavesequencing)

(zB in ppg wave und waldorf wave, microwave 1 und 2 und waldorf microwwave xt und xtk)

5.CD Inhalte

hier downloaden: http://www.sequencer.de/synthaudio/synthesizer_cd_literatur.html#synthdiplomAUDIO

6. Literaturverzeichnis

5. Literaturverzeichnis

monatliche Zeitschriften:

- Keys 1/97, PPV Presse Project Verlags GmbH, Bergkirchen-

Keyboards 4/86, 5/86, 6/86 MM-Musik Media Verlag GmbH, Augsburg

sowie die Informationen dieser Zeitschriften seit 1985...

Bücher:

- Marc Vail, Vintage Synthesizers, 1. Auflage, 1993, GPI / Miller Freeman Books San Francisco

- Dr.Ing. Hans-Jochen Bartsch, Taschenbuch mathematischer Formeln, 16.Auflage 1994, Fachbuchverlag Leipzig-Köln Leipzig

- Matthias Becker, Synthesizer von gestern, 1. Auflage, 1990, MM-Musik Media Verlag Augsburg

- Europa / H.Häberle, Tabellenbuch Elektrotechnik, 11.Auflage, 1984, Verlag Europa Lehrmittel, Nourney, Vollmer, Wuppertal

Verschiedenes:

- Informationen und Bedienungsanleitungen der exemplarischen Firmen Waldorf, Symbolic Sound, Clavia

- sowie sehr viele persönliche Informationen / Aufzeichnungen des Autors..

... 6. Bilderverzeichnis

Seite 4 - Foto: YAMAHA CS-80 (fotografiert von Dieter Stork) Matthias Becker, Synthesizer von gestern, Seite 71 unten rechts, 1. Auflage, 1990, MM-Musik Media Verlag Augsburg

Seite 6 - Grafik / Prinzipskizzen: vom Verfasser selbst (analog <>digital)

Seite 8 - Foto: vom Verfasser selbst (diverse Synthesizer)

Seite 18 - Foto: vom Verfasser selbst (CLAVIA Nord Lead, offen)

Seite 21 - Foto: vom Verfasser selbst (WALDORF Microwave, offen) Foto: vom Verfasser selbst (YAMAHA TG77, offen)

Seite 25 - Grafik / Skizzen: vom Verfasser selbst (Filterkennlinien)

Seite 28 - Grafik: vom Verfasser selbst (WALDORF Microwave Parameter für Modulationen, Oszillatoren, LFOs & LFO-Hüllkurve, Mix, Wave/table)

Seite 35 - Grafik: vom Verfasser selbst (WALDORF Microwave: Wavetable-Ausschnitt / Interpolation, Wave-Hüllkurve, Filter-Hüllkurve mit Modulationen)

Seite 38 - Grafik: vom Verfasser selbst (Beispiel für FM-Synthesizer: Hüllkurven, Skalierung und "Algorithm" für YAMAHA TG77)

Anmerkung: Einige Grafiken wurden unter Zuhilfenahme des Programms "EMAGIC Sounddiver für Apple Macintosh" erstellt.

7. Bilderverzeichnis

8. Anhang (Demo-CD Inhalt) AUDIO DOWNLOAD

9 ) find a complete "how to make a bass with FM" tutorial here / Tutorial für FM Bass Sounds hier..