Proposta de síntesi analògica amb control digital

Es presenta una proposta de construcció, amb components de prototipatge ràpid i mòduls DIY (Do It Yourself), d’un sintetitzador analògic amb suport de model digitalitzat. Es pretén aproximar el millor de cada un d’ambdós mons.

El projecte és orientat a la síntesi cibernètica amb apropament al desenvolupament de sons clàssics. El Chorosynth de Mitchell (Revista Elektor 1981) és un projecte que caminava en aquesta direcció. Tot i això el sistema és obert i pot arribar a permetre desenvolupar qualsevol tipus de so. L’Anàlisi Espectral amb Furrier, descomposta en formes pures, no és l’únic camí. S’exposarà més endavant el com fer-ho i les seves limitacions.

En aquest enfocament s’haurà d’assumir oscil·ladors de qualitat amb capacitat de reproducció lineal de 7 octaves per a la totalitat de l’espectre d’àudio. Actualment, per a aquests tipus de oscil·ladors és més econòmic optar per el DIY en format Eurorack.

Per aquests motius s’ha triat el nom de Octave 7.

El Chorosynth de J.D. Mitchell

J.D. Mitxell exposava al seu article la disposició a donar lliurement aquest treball per a desenvolupament amateur. Fou dissenyat amb components de fàcil localització i amb una placa de circuit imprès molt amplia a fi de fer fàcil el muntatge.

Molts aspectes del muntatge són actualment superats per la facilitat de localització de components complexes, cosa que fa defugir de la seva utilització en nous dissenys. No obstant, un dels avantatges del model additiu presentat és el de poder disposar, com a punt de partida, d’uns espectres coneguts i confeccionar de nous amb una major llibertat en l’us flexibilitzat digitalment de la gran quantitat d’harmònics disponibles en el disseny original.

La imperfecció del Corosint no es pot desestimar, la utilització de lo Digital ha de tenir l’astúcia suficient per a no corregir efectes desitjats. Si endemés es busca una dinàmica canviant en el temps sobre la mateixa senyal fonamental, podem estar parlant de que un sintetitzador de cor pot ésser quelcom més que una fonamental i harmònica en harmonia. El efecte de cor consisteix en generar ones fonamentals de freqüència diferent però amplitud molt similar, amb una certa gràcia acústica, de manera que no s’aprecia quina és la predominant i això ho fa interessant. Certament, una orella ben educada en pot descriure els detalls, però la primera impressió no deixa indiferent. Afegir un vibrato pot augmentar l’efecte de profunditat del só.

Caracterítiques originals del Corosint:

Dues i mitja octaves, amb teclat d’estilet.

Registres:

Larigot, Dotzena, Viola, Violí, Viola alta, Violoncel, Flauta, Clarinet, Fagot.

Podeu veure els espectres de cada un d’ells a l’enllaç al fil d’Hispasonic a la bibliografia.

Efectes:

Monofònic
Cor, en funció de l’instrument
Vibrato (Amplitud i Freqüència)
Envoltants (AR-ASR) regulables de 1ms a 10 segons
Comandament de Pitch
Afinació (Centre de Pitch a 523,25Hz en Do segona octava)

Mecànica de sinterització:

Quatre oscil·ladors governats per una mateixa tensió de teclat KOV, dels quals no s’entrega cap mena de tímbrica. La generació de timbres es produeix als comptadors CD4520 que converteixen els inaudibles trens de polsos dels NE555 en ones quadrades amb diferent simetries produïdes per sumes duals de notes desplaçades en una octava amb el CD4011. Aquests senyals són a la banda positiva i es neutralitzen en continua per a ser tractats a la fase de filtres.

Estructura Hardware proposada

S’ha eliminat el sistema de teclat, de poc interès en general, i els oscil·ladors NE555 ja que no són prou lineals per a les 7 octaves. En el seu lloc s’optarà per circuits similars als dels oscil·lador de relaxació amb compensació de la conversió exponencial. El control analògic es fa per la convenció Volt/Octava.

El control de vibrato és també digital.

En general, aquest control digital és de tipus “local”, amb un mòdul situat a les immediacions del mòdul d’àudio, disposant d’un processador dedicat de tipus Atmel (Arduino). Per a la conversió analògica es tracte d’un doble DAC, de 10 bits cada un, per software, amb suma externa de dues sortides per a un únic punt de control. Cada una de les seccions del Corosint és controlada per un grup digital independent, compensant així la pèrdua de velocitat a les conversions. El conjunt de transferències continues i discretes ve donada per la commutació dels “frames” que defineixen el só al model general situat a la Raspberry P3.

Estructura Software proposada

La estructura de la aplicació és suportada per un Raspberry P3 que requereix de sistema operatiu, web server i base de dades relacional.

Per a facilitar la implantació del software s’ha triat Windows 10 IoT core, amb eines de tipus Acces o similars. Aquesta és una elecció que depèn de les possibilitats de cada un i en aquest cas, la incorporació gratuïta de la distribució de Windows 10 en el Visual Studio (a la versió Community, també gratuïta) per a l’arrencada de la Raspberry P3, fa pensar-s’ho dues vegades.

La comunicació amb el sintetitzador és per cables USB amb protocol 2.0 Cada Atmel es manté en comunicació constant per mitjà d’un driver, creat a l’efecte, que manté la transferència instantània dels paràmetres del frame en execució. Una possible entrada de teclat és prevista per via del quart USB, encara que la utilització del mateix no és objectiu important de l’estudi proposat.

L’aplicació principal és gestionada com a serveis oferts des del web server, Xampp i una aplicació en php, a través del qual es disposa de totes les entrades a les funcions de l’aplicació és una possibilitat a estudiar.

Constaria de tres editors especialitzats, Partitures (score), Instruments i Descriptors de So. L’estratègia proposada per Magda Teruel d’utilitzar C++ i XML com a estructura de dades és molt interessant, complexa aparentment a l’inici, però que anirà donant els fruits quan la estructura estigui aixecada i carregui moltes dades.

Una entrada de generador de frames per via de MIDI o d’altre tipus d’interfície humana és una estratègia que es deixa oberta per a etapes més avançades del projecte. Una forma inicial seria la de incorporar a la Raspberry un teclat i un monitor en format Eurorack que possibiliti la edició de sons de forma manual.

Una App Frame Generator és plantejada com una via orientada a l’anàlisi espectral,  ja sigui via un micròfon, un instrument clàssic o un fitxer d’àudio, però que també es pot tractar d’una simple traducció entre protocols amb d’altres formats d’escriptura electrònica musical.

Síntesi per Models Espectrals

El model de síntesi triat és el de Models Espectrals amb anàlisi i síntesi per Transformada Discreta de Furrier. Aquest mètode és proposat per Xavier Amatriain a la seva web sobre processos de síntesi de qui teniu un enllaç a la bibliografia. Utilitza la definició de “frame” per a cada bloc-nota o símbol de la partitura en el domini temporal i de la freqüència, separant aquests de les definicions del so.

La modelació SMS proposada per Amatriain és basa en oscil·ladors sinus de freqüència pura que requereixen d’interpolació per a omplir els buits entre les fonamentals, a través de síntesi subtractiva procedent de soroll blanc.

Estructura mecànica proposada

Ja que es tracte d’un dispositiu amb oscil·ladors de tipus eurorack, mecànicament parlant, s’ha optat per a la arquitectura modular amb possibilitat d’ampliar la cadena d’àudio més enllà de les prestacions exposades, poden ampliar la mateixa estructura mecànica en cas de necessitat (what else?).

Els controladors i el mòduls analògics poden conviure en el mateix carril on els cablejats es fan a mode de patch, tan els de la cadena d’àudio, amb mini-jack,  com els digitals amb USB, entre els diferents controladors Arduino i Raspberry, tots ells amb frontal també Eurorack.

Conclusions i abast del projecte

Donat el factor inicial del projecte, anomenat Chorosynth, s’ha trencat el model plantejat per Amatriain (ell no en sap res!), per fer més simple l’aplicació. Això és degut a que sortim amb formes d’ona no pures i en molts casos pot ésser vàlid el criteri additiu, per contra, en d’altres, pot resultar impossible de desenvolupar l’objectiu en absència de sinusoïdals. Per això s’ha decidit triar un VCF més sofisticat que l’original de cara a disposar d’eines per a un criteri subtractiu, tot i que no és garantia d’èxit.

Per contra, seguin el criteri inicial de J.D. Mitchell, no es tracte d’assolir la perfecció, si no de fer troballes per la via de la experimentació amateur (hacksters, com en diuen a la ultima volada). El plantejament de la dinàmica AR/ASR originals està ben acotada a la realitat d’utilitzar un teclat d’estilet, on dues notes mai no sonaran juntes o acordades. En aquest cas el nou plantejament d’un Chorosynth semi digital requereix d’una capacitat dinàmica més avançada amb una mecànica ADSR orientada a una gestió del volum VCA tipus Amplificador Operacional de Transconductància, actualment molt assequible.

Bibliografia:

El Corosint, de J.D. Mitxell. Elektor Juliol 1981. Tot i ser un article lliure no sempre surt a la mateixa ubicació en els motors de cerca. Aneu provant.  http://www.spontis.se/pdf/chorosynth.pdf

Síntesi per Models eSpectrals SMS

An Object-Oriented Metamodel for Digital Signal Processing, de Xavier Amatiain. http://xavier.amatriain.net/Thesis.pdf
MetriX-ML Llenguatge de descripció musical per a instruments i partitures en XML. De Magda Teruel Llorente.  http://xavier.amatriain.net/PFC/mteruel.pdf

Fòrums amb el Corosint com a tema.
Elektor forum http://forum.elektor.com/viewtopic.php?f=2698572&t=2715516
Befaco forum https://befaco.org/forum/phpBB3/viewtopic.php?f=22&t=795
Hispasonic forum http://www.hispasonic.com/foros/corosint-elektor-1981/476901
Muffwiggler forum https://www.muffwiggler.com/forum/viewtopic.php?t=154492&highlight=

Transformada discreta de Furrier. (Wikipedia)

https://ca.wikipedia.org/wiki/Transformada_discreta_de_Fourier
https://en.wikipedia.org/wiki/Short-time_Fourier_transform

“Nueva generación de instrumentos musicales electrónicos” de Juan Bermúdez Costa. Document, revisat per l’autor, pràctic i entenedor sobre sintetitzadors, en llengua castellana i per a electrònics. Una bona referència per a millorar el Corosint.

https://dl.dropboxusercontent.com/u/7062739/Libros/Rev%202001_NUEVA%20GENERACI%C3%93N%20INSTRUMENTOS%20MUSICALES%20ELECTR%C3%93NICOS.pdf.zip