Synthèse FM

Synthèse FM
Schéma de principe d'un opérateur FM

Brevetée par l'ingénieur John Chowning en 1973 au CCRMA de Stanford, la synthèse FM est un procédé de synthèse sonore qui utilise la modulation de fréquence (FM pour frequency modulation). Le brevet a été par la suite racheté par Yamaha qui l'a utilisé dans le synthétiseur DX7 et d'autres synthétiseurs qui l'ont suivi. L'intérêt principal de la synthèse FM est qu'avec seulement deux oscillateurs, elle permet de générer un son contenant un grand nombre de partiels. La synthèse FM a surtout été popularisée par Yamaha, mais est aussi utilisée d'autres constructeurs tels que Clavia avec son synthétiseur Nord Modular[1].

Sommaire

Expression mathématique

Considérons le cas d'une sinusoïde modulée en fréquence par une autre sinusoïde. Soit fp la fréquence de la porteuse, fm la fréquence de la sinusoïde modulante et Im l'indice de modulation. Le signal de sortie y(t) s'exprime sous la forme.

y(t) = sin(2πfpt + Imsin(2πfmt))

Avantages et inconvénients

Cette synthèse peut donner des sons très naturels (des sons de cloches par exemple) et extrêmement variés. Elle a cependant pour particularité d'être beaucoup plus instable que la synthèse sonore additive, dans le sens qu'une légère modification d'un paramètre de la modulation (fréquence porteuse, fréquence de modulation ou indice de modulation) peut changer complètement la répartition des harmoniques, ou le timbre du son produit. Cela peut aussi être perçu comme un avantage, car la synthèse FM peut alors être utilisée pour produire des sons de synthèse inédits.

Il convient de tempérer la présentation de la synthèse FM sous forme de formules, car dans la pratique elle se programme "à l'oreille" sur les synthétiseurs. Les plus beaux sons FM ont été conçus ainsi[réf. souhaitée], non par des formules. D'autant qu'une formule n'aboutit qu'à une forme d'onde à un moment donné, alors que l'intégralité des paramètres d'un synthétiseur concernent aussi l'évolution dans le temps (enveloppes, déphasages, cycles infra-sonores, transitoires, etc).

Sur les synthétiseurs algorithmiques, tels que les DX et leurs successeurs, il suffit de comprendre le rôle des rangs harmoniques et d'appliquer un raisonnement logique à l'architecture des sons pour les programmer efficacement (en plus de bien connaître l'organisation du synthétiseur). Une fois ces connaissance maîtrisées, la programmation FM permet de travailler quasiment à l'instinct avec une grande précision.

Algorithmes

Algorithme 1 du DX7.
Algorithme 16 du DX7.

Les synthétiseurs de la famille du DX7(DX5, TX7, ...) disposent de 6 opérateurs répartis en 32 algorithmes (c'est-à-dire 32 différentes façons de combiner les opérateurs).

Pour chaque opérateur il est possible de paramétrer séparément la fréquence et l'enveloppe. Un opérateur peut être porteur (entendu directement) ou modulateur (sa sortie est utilisée en entrée d'un autre opérateur). Par exemple, dans l'algorithme 1 du DX7, les opérateurs 1 et 2 sont les porteurs, et tous les autres opérateurs sont les modulateurs. Dans l'algorithme 16, seul l'opérateur 1 est porteur, les autres sont tous modulateurs. Dans tous les cas, l'opérateur 6 a en plus la possibilité de feedback, qui peut être utilisé comme ring modulateur (pour les sons de cloche par exemple). Un opérateur 6 peut-être modélisé comme ceci: y(t) = A1sin(ω1t + y(t))

L'algorithme 1 du DX7 peut être modélisé de la façon suivante[2]:

y(t) = A1sin(ω1t + A2sin(ω2t) + A3sin(ω3t + A4sin(ω4t + A5sin(ω5t + y6(t))))

Ces principes conduisent - suivant les algorithmes utilisés - à des sons qui peuvent être très complexes (très riches harmoniquement) avec relativement peu de paramètres.

Algorithme 8 de la synthèse à 4 opérateurs

Il existe une famille simplifiée à 4 opérateurs (DX9, DX21, DX100, TX81Z, ...) qui sont eux répartis en 8 algorithmes. Par exemple l'algorithme 8 où les 4 opérateurs sont porteurs peut être considéré comme de la synthèse additive:

y(t) = A1sin(ω1t) + A2sin(ω2t)) + A3sin(ω3t) + A4sin(ω4t)

Schémas

  • Une porteuse de 220 Hz modulée avec différents indices de modulation

  • Spectres de fréquence correspondant

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Bibliographie

  • (en) J. Chowning (1973). The Synthesis of Complex Audio Spectra by Means of Frequency Modulation. Journal of the Audio Engineering Society.

Notes et références

  1. ↑ (en) http://www.clavia.se/nordmodular/Modularzone/FMsynthesis.html
  2. ↑ (en) Kehtarnavaz, Nasser, Philipos Loizou, Mohammad Rahman, Lab 4: Fourier Series and Its Applications. http://cnx.org/content/m19841/latest/

Voir aussi


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