W dobrym tonie


W barwie okaryny

Umiejętności karty w zakresie syntezy dźwięku mają niebagatelne znacznie nie tylko dla muzyków podłączających do komputera klawiaturę MIDI. Przydają się też na co dzień - np. kiedy odtwarzane jest tło muzyczne niektórych stron WWW, muzyka w grach.

Układy montowane w kartach dźwiękowych nie przypominają wykorzystywanych w pierwszych cyfrowych syntezatorach cyfrowych. Wśród popularnych kart do użytku domowego królują dziś technologie FM i Wavetable, konkurencyjne w kontekście jakości i działające na zupełnie innych zasadach.

Technika syntezy FM ma swój początek w 1973 roku, kiedy za sprawą Johna M. Chawninga pojawił się pomysł uzyskiwania skomplikowanych brzmień przez miksowanie prostych przebiegów. W praktyce najprostsza implementacja tej technologii polega na współpracy dwóch oscylatorów. Każdy z nich wytwarza falę o określonym przebiegu (np. sinusoidalną, piłokształtną itp.). Jeden z przebiegów nazywany jest nośną, a drugi modulatorem. Na falę nośną nakładany jest przebieg modulujący. Jakie są efekty? Bardzo różne, w zależności od proporcji w jakiej zmieszamy fale, ich kształtu etc. Jeżeli np. częstotliwość modulatora wobec nośnej będzie bardzo mała, uzyskamy dźwięk przypominający wycie syreny alarmowej. Prawdziwa zabawa zaczyna się jednak dopiero wtedy, gdy częstotliwości zaczynają się do siebie zbliżać. Rezultaty trudno przewidzieć. Właśnie odległość dzieląca teorię syntezy FM od rzeczywistych podstaw wytwarzania dźwięku w naturalnych instrumentach jest przyczyną problemów z naśladowaniem ich brzmień. Próby dopasowania parametrów pracy każdego oscylatora do oczekiwanego efektu syntezy przypominają często loterię. Dużą zaletą techniki FM i cechą, która zadecydowała o wykorzystaniu jej przy budowie kart muzycznych, są małe koszty.

Coś dla muzyka

Termin MIDI odnosi się do standardu komunikacji instrumentów elektronicznych. Oprócz tej funkcji odgrywa też ważną rolę podczas kontrolowania wszystkich urządzeń stosowanych w pracy muzyka. Standard MIDI zagościł w świecie pecetów dość dawno i dziś w złącze tego typu wyposażona jest każda karta muzyczna. Większość z nich używa jednak gniazda w formie nieobjętej oryginalną specyfikacją. Jest ono współdzielone z interfejsem joysticka. Funkcje MIDI karty są dostępne nie poprzez gniazda typu DIN, ale przez port gier. Dlatego w przypadku tańszych kart podłączenie np. klawiatury muzycznej MIDI wymaga zastosowania specjalnej przejściówki.

Idea działania MIDI opiera się na zapisie tzw. zdarzeń dźwiękowych w połączeniu z instrukcjami pozwalającymi na uzyskanie dodatkowych efektów. Plik MIDI w odróżnieniu od zbioru WAV nie zawiera cyfrowego nagrania muzyki, ale tylko informacje, kiedy, jaki instrument i na jak długo powinien się odezwać. Właśnie dlatego pliki MIDI mają dużo mniejsze rozmiary niż zwykłe zbiory dźwiękowe. Cały utwór nie zajmuje na ogół więcej niż kilkadziesiąt KB. Niestety, w odróżnieniu od nagrań cyfrowych typu WAV, MP3 itp., odtwarzanie muzyki zapisanej w formacie MIDI wymaga karty o dużych możliwościach w zakresie syntezy dźwięku. Naturalnie teoretycznie wystarczy do tego celu nawet najprostsze urządzenie, ale efekt i jakość wydawanych przez nie brzmień mogą być dalekie od ideału.

W dzisiejszych kartach dźwiękowych dwuoperatorowa (wykorzystująca sumę dwóch przebiegów) synteza FM nie jest już stosowana. Realizujące ją układy OPL2 przeszły już do historii. Produkowanie dźwięku na zasadzie modulacji częstotliwościowej odbywa się zwykle z udziałem czterech lub sześciu operatorów. Daje to dużo większe możliwości, jeśli chodzi o kreowanie nowych, ciekawych brzmień. Niestety, instrumenty naśladowane przy użyciu syntezy FM brzmią nienaturalnie. Stało się to przyczyną, dla której wśród amatorów muzyki popularność zdobyły urządzenia korzystające z tablic brzmień.

Alternatywna w stosunku do FM metoda odtwarzania plików muzycznych polega na wykorzystaniu zapisanych w pamięci nagrań. Technologia o nazwie Wavetable opiera się na tym, że w pamięci karty (ew. komputera) przechowywane są próbki poszczególnych instrumentów. Syntezator używa ich do naśladowania brzmienia określonej nuty, podwyższając lub obniżając zapisany cyfrowo dźwięk. Oczywiście prosta zmiana częstotliwości nie wystarczy do wiernego odtworzenia dźwięku gry na flecie czy pianinie. Dlatego synteza Wavetable wykorzystuje także techniki obliczeniowe do wyznaczenia przebiegu podczas narastania, opadania dźwięku.

Mimo że technologia Wavetable jest dużo efektywniejsza niż FM, nadal daleko jej do doskonałości. Poza tym ma wiele wad. Przede wszystkim do poprawnego odtworzenia pliku MIDI potrzeba określonego zestawu brzmień. Poza tym na przechowanie próbek potrzeba miejsca - najtańsze karty nie są wyposażone we własną pamięć i wszystkie próbki muszą być przechowywane w RAM komputera. Droższe modele zawierają jednak gniazda, w których można umieszczać kości pamięciowe (np. SIMM). Przeniesienie obowiązku przechowywania próbek brzmień "na barki" karty muzycznej jest bardzo korzystne - nie obciąża zasobów komputera i nie wymaga przesyłu, i przetwarzania dużej liczby danych.

Jak w chórze

Oddzielnym zagadnieniem dotyczącym działania układu syntezy jest odtwarzanie polifoniczne. Kwestia dotyczy możliwości karty w zakresie jednoczesnego odtwarzania wielu brzmień. W przypadku techniki FM liczba tzw. głosów, czyli odtwarzanych w tym samym czasie instrumentów, jest ograniczona przede wszystkim liczbą operatorów i odmianą syntezy. Większość kart udostępnia 20-głosową polifonię FM. Inaczej jest w odniesieniu do syntezy Wavetable. Tutaj wszystko zależy od wydajności procesora karty lub/i CPU komputera. Liczba odtwarzanych jednocześnie głosów dla różnych kart może wahać się w dość szerokich granicach. Dzisiejsze minimum to 32-głosowa polifonia Wavetable.

Możliwości oferowanych kart dźwiękowych w zakresie syntezy dźwięku ciągle rosną. Wraz z możliwościami technicznymi rodzą się nowe pomysły i rozwiązania. Nowoczesne syntezatory posługujące się techniką APM (z ang. Acoustic Physical Modeling) używają np. skomplikowanych układów tworzących dźwięk dokładnie w ten sam sposób, w jaki powstaje on w prawdziwym instrumencie. Oczywiście nie ma w nich elementów drewnianych, ale wyposażono je w wiedzę o fizycznej naturze dźwięku i matematyczne modele poszczególnych instrumentów. Brzmienie powstaje w nich, jak w rzeczywistości - wpierw pojawia się czysty ton wydawany np. przez drgającą strunę, a chwilę później jest on modyfikowany z uwzględnieniem informacji o odbiciach, przejściach, rezonansie wewnątrz obudowy instrumentu. Tworzenie brzmień APM jest złożone obliczeniowo. Dlatego karty, które mają tę możliwość, w przypadku nagrań wielogłosowych posługują się często techniką mieszaną, łącząc APM z Wavetable.