Modulación de baja frecuencia

Los sonidos naturales jamás son totalmente estables. En ellos, la altura, la amplitud, el contenido armónico, oscilan de forma permanente, enriqueciéndolos. Una forma simplificada de obtener cierta variación en los sonidos sintéticos, consiste en aplicar señales periódicas de baja frecuencia, por debajo de los 15 Hz, que modulen sus diferentes parámetros (cuando la oscilación se aplica a la amplitud se produce el efecto de trémolo y cuando se aplica a la frecuencia, el vibrato). Estas señales moduladoras se llaman LFOs (Low Frequency Oscillator), y en algunos sintetizadores son únicamente sinusoidales, mientras que otros incorporan señales cuadradas, dientes de sierra, triangulares, etc. Cuantos más osciladores de baja frecuencia podamos asignar a cada voz, más rico y variable podrá resultar el sonido final.

El motivo de este limite de frecuencia, es que cuando la frecuencia de la moduladora entra en el terreno audible (por encima de los 20 Hz), los efectos producidos son mucho más
complejos, como veremos más adelante.

Filtros

El contenido armónico de los instrumentos naturales también es variable en el tiempo. Esto se puede lograr utilizando filtros de frecuencias que actúen atenuando algunas frecuencias y amplificando otras. Pero, para conseguir efectos variables en el tiempo, es necesario que evolucionen también los parámetros de estos filtros (frecuencia de corte, resonancia, etc.). Las técnicas más frecuentemente aplicadas, consisten en controlar el filtro mediante LFOs (con lo que se consigue el efecto denominado wahwah), o mediante envolventes.

Integración de estos elementos

En la figura 1 se esquematiza un sistema de síntesis que incorpora todos los componentes vistos aquí (envolvente, moduladoras y filtros). El componente oscilador es el que variará más de un sistema a otro, dependiendo del sistema de síntesis implementado.

Fig. 1

Técnicas de síntesis digital

Hemos visto formas de modificar y aportar variedad a un sonido. Ahora veremos diferentes alternativas de generación de este sonido base. Para tratar en detalle todos los diferentes sistemas que se han venido utilizando en el terreno de la síntesis digital de sonido, serían necesarios varios libros. En esta oportunidad comentaré brevemente aquellos sistemas que han tenido un mayor relieve.

Síntesis aditiva

La síntesis aditiva parte de la idea contenida en el teorema de Fourier, según la cual todo sonido periódico, por complejo que sea, es el resultante de la suma de ondas sinusoidales sencillas de frecuencias múltiplo de una frecuencia base. Conceptualmente la idea es simple, por lo que no es de sorprender que los primeros experimentos utilizaran este método que, como veremos, tiene bastantes inconvenientes por lo que prácticamente no se usa en la actualidad.

Los sonidos naturales no son totalmente periódicos, y se pudo comprobar rápidamente que los sonidos periódicos son aburridos y carentes de interés. Esto se resolvió en parte, aplicando diferentes envolventes a cada uno de los componentes armónicos.

Para obtener una riqueza sonora mínima, son necesarios muchos armónicos, y aunque esto es fácilmente implementable por software, su implementación por hardware (necesaria para el tiempo real) requiere de un gran número de osciladores, lo que encarece enormemente el sistema. En la figura 2 se muestra la onda resultante de sumar dos ondas sinusoidales de frecuencia y amplitud diferentes. Esta onda resultante mantiene la frecuencia del componente más grave, pero con el timbre alterado.

Fig. 2

Modulación de frecuencia (FM)

Este fue uno de los primeros sistemas que permitió una riqueza sonora considerable, con un pequeño coste computacional. John Chowning, de la universidad de Stanford, patentó este método en 1973, y lo licenció a Yamaha dos años más tarde. La compañía japonesa tardó siete años en diseñar y fabricar el chip que permitiese ejecutar, en tiempo real, el algoritmo que Chowning había implementado en software. Este fue el chip que se implantó en los primeros sintetizadores digitales comerciales (el mítico DX7), y el que, con ligeras variaciones, se utiliza trece años más tarde en la tarjetas de sonido de gama baja (Sound Blaster 16 y compatibles).

En el caso más sencillo, la síntesis FM necesita tan sólo dos osciladores: la señal portadora y la señal moduladora. Parte de la idea de que cuando la moduladora no es una señal de baja frecuencia sino que entra ya en el rango de las frecuencias audibles (a partir de los 20 Hz) se crean un gran número de frecuencias adicionales que generan un sonido con un gran contenido armónico. La figura 3 muestra la onda obtenida de la modulación en frecuencia de las mismas ondas sinusoidales del ejemplo anterior. En este caso, la onda obtenida no mantiene ya la frecuencia de la onda más grave.

Fig. 3

Este fenómeno no tiene una equivalencia en la naturaleza y, aunque permite generar sonidos de gran riqueza, es difícil programarlo para obtener sonidos imitativos, por lo que hoy en día ha quedado un tanto desbancado. Si sólo ha escuchado la síntesis FM en una tarjeta de tipo Sound Blaster, conviene indicar, en defensa de este método, que los instrumentos originales de Yamaha eran bastante más sofisticados y sonaban francamente mejor.

Síntesis por tabla de ondas

Los avances tecnológicos de principios de los ochenta hicieron posible la sustitución de las ondas periódicas simples que se venían utilizando como material base, por pequeños fragmentos procedentes de sonidos reales, digitalizados y almacenados en ROM. Estos
fragmentos pueden ser tan breves como un ciclo, ya que el sintetizador se encarga de repetirlos periódicamente (de decenas a miles de veces por segundo). Un sintetizador compatible por ejemplo con el General MIDI deberá contener suficientes fragmentos para
reconstruir 128 instrumentos, más 59 sonidos de percusión.

Esta técnica permite muchas variaciones y refinamientos (como la combinación o la alternancia de varios fragmentos en un único instrumento, mediante sofisticados algoritmos). También utiliza a fondo todos los mecanismos descritos anteriormente (envolventes, filtros y moduladoras).

En los sonidos naturales, es frecuente que el timbre varíe mucho en el ataque, permaneciendo más o menos constante a continuación, por lo que en muchas ocasiones las dos partes se almacenan por separado y el sintetizador las combina en tiempo real. Más de la mitad de los sintetizadores fabricados en los últimos diez años implementan alguna variante de este método de síntesis. Es también el utilizado en todas las tarjetas de sonido a partir de cierto precio.

Sin embargo, la síntesis por tabla de ondas no es ninguna garantía de calidad, como los fabricantes de tarjetas frecuentemente quieren hacernos creer. Un factor decisivo es la cantidad de ROM disponible en la tarjeta. Igualmente decisiva es la información contenida en esta memoria: si los fragmentos almacenados no poseen una calidad suficiente, o no están bien seleccionados, el resultado sonoro será inevitablemente pobre, independientemente de la cantidad de memoria que dispongamos. Otro factor importante, e igualmente difícil de evaluar a priori, son los algoritmos empleados para combinar y modificar esta información.

Espero que estos conceptos básicos les hayan servido para entender mejor el proceso de síntesis sonora y les incentiven a experimentar tanto en hardware, como en la infinita variedad de software de síntesis que existe hoy en día. Hasta la próxima.

Marcelo Castillo
Productor Musical-Arreglista-Sonidista
e-mail: mcproducciones@vtr.net