FM
Frequency Modulation synthesis
기존의 감산합성이나 웨이브테이블 신디사이저들은 오실레이터나 웨이브테이블이 만들 수 있는 음색의 다양성에 한계가 있을 수 밖에 없었다. FM 음색 합성 방식은 기본 오실레이터의 주파수(Frequency)를 변조(Modulation)하는 방법을 통해 아주 다양한 새로운 음색을 창조해 낼 수 있었다.1) 따라서 음색을 만들어내는 것에 많은 노력이 들긴해도 만들고 싶은 거의 대부분의 음색을 유사하게 만들어 낼 수 있었다.2) 기존의 아날로그 방식은 이미 정해진 Sawtooth, Square, Sine, Triangle 파형만 사용 가능했던 반면에, FM 신디사이저는 Frequency Modulation을 이용하여 오퍼레이터(오실레이터)의 조합을 통해 훨씬 다양한 파형을 만들어내서 사용할 수 있었다.
FM 신디사이저는 그 때 당시의 감산 합성 아날로그 신디사이저들이나 웨이브테이블 방식들 보다 동시발음수에서도 비교 우위를 점하고 있었고3) 음색에 대한 평가도 훨씬 더 실제 악기에 근접한 소리라고 여겨졌다.4) 왜냐하면 오실레이터로 만들 수 있는 파형이 제한적이었던 기존 아날로그 신디사이저보다 훨씬 만들 수 있는 파형이 많았기 때문에 수많은 프리셋 개발자들이 다양한 FM 알고리즘을 테스트하면서 실제 악기에 유사한 파형을 만들어냈기 때문이다. 풀 디지털 기술을 사용하기 때문에 동시발음수도 많았다.5)
FM 신디사이저는 여러개의 오퍼레이터(오실레이터)를 가지고 있고, 다시 오퍼레이터는 파형을 만들어내는 캐리어로 사용되거나, 그 모듈레이터를 주파수 변조하는 모듈레이터로 사용될 수 있다.
기존의 감산 합성이나 웨이브테이블 신디사이저에 비해서 기본적으로 만들어낼 수 있는 음색이 엄청나게 많지만, 실제로는 사용자의 입장에서는 FM 으로 음색 데이터를 합성하는 알고리즘 자체를 수정하여 원하는 음색을 만드는 것은 실질적으로 매우 어렵기 때문에, 개발자들이 미리 만들어 놓은 알고리즘이 프리셋 형태로 제공되고, 사용자는 해당 알고리즘 구조에서 일부 파라미터만 변경하여 프리셋 음색을 모디파이하여 쓰는 것으로 대부분 동작한다. 알고리즘 전체를 에디팅하기 위해서는 따로 외부의 컴퓨터 등을 이용해야만 했다.6)
Operator
FM 신디사이저의 오퍼레이터는 사인파를 발생시키는 오실레이터와 엔벨로프 제너레이터, VCA가 하나의 그룹으로 구성되어 있습니다. FM 신디사이저는 오퍼레이터를 모듈레이터 또는 캐리어로 사용함으로써 주파수 모듈레이션(FM)을 구현합니다.
- Carrier : 모듈레이터에 의해 변조되는 오퍼레이터입니다.
FM(Frequency Modulation)에 의해 생성된 음색은 다양한 배음을 담고 있고, 파라미터를 변경해서 배음 구조를 변경가능합니다.
모듈레이터의 사인파형 자체로는 배음이 없지만, 캐리어를 합성하는 비율이 높아질수록 배음 성분이 많아지게 됩니다. 모듈레이터와 캐리어의 비율로 배음 성분을 생성할 수 있기 때문에 FM 신디사이저에는 보통 VCF가 없습니다.
캐리어 주파수가 모듈레이터 주파수와 배음관계에 있는 주파수일 때는 하모닉 사운드가 생성되고, 캐리어 주파수가 모듈레이터 주파수와 배음관계가 아닐 경우에는 넌하모닉(Non-harmonic) 사운드가 생성됩니다. 이러한 특징을 잘 이용하면 음정이 있는 일반 음색과 타악기 음색을 만들어내는 것에 사용할 수 있습니다.
PM
Phase Modulation, 위상 변조
신호의 위상을 변조 신호의 진폭에 따라 변화시키는 것을 위상 변조라고 합니다. 변조 신호가 증가하면 “캐리어” 신호(변조되는 신호)의 위상이 진행되어 시간상으로 신호를 앞으로 이동시킵니다. 반면에 변조 신호가 감소하면 캐리어 신호를 시간상으로 뒤로 이동시킵니다. 이러한 경우 변조 신호가 변할 때 캐리어 신호에 왜곡이 발생합니다.
변조 신호가 사인파일 경우, 주파수 변조와 위상 변조는 동일한 결과를 생성합니다.
디지털에서 위상 변조가 주파수 변조보다 계산하기 쉽다는 것이 밝혀졌습니다. 초기의 1980년대 초에 DX-7이 디자인된 때에는 사용 가능한 마이크로프로세서가 실시간으로 진짜 주파수 변조를 계산하기에 충분한 처리 능력이 없었지만 위상 변조는 충분히 가능했습니다. 이것이 DX-7과 다른 초기 Yamaha FM 신디사이저의 오퍼레이터 파형이 모두 사인 파형인 이유입니다. DX-7은 사실 내부적으로 주파수 변조를 계산하지 않았습니다. 위상 변조를 계산했습니다. 그러나 변조를 사인파형으로 제한함으로써 동일한 결과를 얻었습니다. 사용 가능한 프로세서가 내부적으로 진짜 주파수 변조를 계산할 수 있는 수준에 도달한 이후에야 Yamaha는 다른 변조 파형을 제공할 수 있었습니다.7)
알고리즘
FM 신디사이저에서는 미리 패치 프로그램 제작자가 오퍼레이터들을 모듈레이터와 캐리어로 조합하는 알고리즘을 만들어 놓습니다. 연주자는 해당하는 오퍼레이터(모듈레이터, 캐리어)를 얼마나 동작시킬 것인지만 변경하여 사용하게 됩니다. 어떤 알고리즘은 오르간 소리를 재현하는 것에 효과적이고 다른 알고리즘은 피아노 소리를 재현하는 것에 효과적이고, 이런식으로 스트링, 관악기, 타악기 등 각각의 악기 카테고리 별로 효과적인 알고리즘이 있습니다.
드로우바 6개 오르간을 구현하기에 매우 적합한 알고리즘
Yamaha DX7의 알고리즘 프리셋
Yamaha TX802의 알고리즘 프리셋
Korg Volca FM의 알고리즘 프리셋