揭秘合成器：周期式調(diào)制

本文我們將對(duì)調(diào)制（modulation）進(jìn)行討論。調(diào)制是制作生動(dòng)、有機(jī)的音色的關(guān)鍵要素。或許你會(huì)認(rèn)為調(diào)制只是用 LFO 為音色添加顫音，但實(shí)際上調(diào)制遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有這么簡單。不過，在我們對(duì)復(fù)雜的調(diào)制類型進(jìn)行深入研究之前，我們要先對(duì)最簡單的周期式調(diào)制進(jìn)行討論。

圖 1: 一個(gè)簡易的合成器信號(hào)流

我把本系列的第 1 至第 9 篇文章中的各個(gè)核心的音頻部件總結(jié)成了圖 1，一個(gè)簡單但可用的合成器信號(hào)流?？梢钥吹?，音頻信號(hào)的源頭是一個(gè)音色發(fā)生器（振蕩器）。其輸出的音頻信號(hào)首先經(jīng)過濾波器，然后是放大器，最后被輸出至外部的世界。包絡(luò)發(fā)生器分別在第二和第三階段通過濾波器和放大器對(duì)音色的亮度和響度進(jìn)行「塑形」（為了便于理解，圖中我用粗箭頭表示音頻信號(hào)，細(xì)箭頭表示控制信號(hào)，同時(shí)我在圖中省略了音高 CV、觸發(fā)器和門限的信號(hào)）。

現(xiàn)在讓我們想象一個(gè)演奏小提琴或大提琴的樂手。你或許知道，提琴的音高取決于演奏者將琴弦向琴頸處按壓的位置。琴弦的有效長度越短，聲音的音高就越高。如果你有仔細(xì)觀察過提琴演奏，你會(huì)發(fā)現(xiàn)提琴手在進(jìn)行演奏時(shí)會(huì)經(jīng)常在琴頸上前后顫動(dòng)手指。提琴手每顫動(dòng)一次手指，琴弦的長度就將會(huì)隨之進(jìn)行輕微地縮短或延長（這一動(dòng)作也會(huì)使琴弦的張力發(fā)生輕微變化，但這里我們暫且不考慮這一點(diǎn)）。琴弦長度的改變也隨之造成音高的輕微升高或降低，從而制造出顫音效果。圖 2 展示的是一個(gè)平穩(wěn)音符的音高被顫音調(diào)制的效果。類似地，圖 3 展示的是一段時(shí)間段內(nèi)顫音對(duì)于波形的（經(jīng)過放大的）影響。

圖 2: 將這一調(diào)制波形施加至振蕩器的頻率控制上可以造成短暫的顫音

圖 3: 添加了顫音的三角波波形

在模擬合成器上可以十分簡單地重現(xiàn)這一效果?；蛟S你們中的大多數(shù)人已經(jīng)知道該如何操作：只需要將控制電壓施加至振蕩器上，從而使其音高進(jìn)行輕微地升高或降低。

圖 4: 為我們的簡易合成器添加顫音

觀察圖 4，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這里我們使用低頻振蕩器（LFO）制造 CV（調(diào)制波形）。你還可以看到有一個(gè)用來控制調(diào)制電壓振幅的 VCA，這一 VCA 自身則由調(diào)制輪控制。這一配置中的 VCA 和調(diào)制輪的存在十分重要，因?yàn)闆]有 VCA 和調(diào)制輪，我們就無法簡單地對(duì)顫音的幅度進(jìn)行控制，從而導(dǎo)致十分不協(xié)和的效果。

接下來讓我們討論一下震音。許多人經(jīng)常把顫音（vibrato）和震音（tremolo）搞混，但兩者的區(qū)別其實(shí)十分簡單。顫音指的是聲音音高的周期性變化，而震音則是指聲音響度的周期性變化（見圖 5）。圖 6 和圖 3 的刻度完全相同，但該圖的形狀卻與圖 3 有明顯的差別，可以看到，這一音符的頻率保持恒定，但其音量隨時(shí)間進(jìn)行變化。

圖 5: 將該控制波形施加至 VCA 上可以造成短暫的震音

圖 6: 添加了震音的三角波波形

現(xiàn)在我們理解了顫音和震音兩者的差異，不難想象合成器是如何將這它們區(qū)別開來的。顫音需要對(duì)振蕩器的音高進(jìn)行調(diào)制，而震音則需要對(duì)信號(hào)鏈末尾的音頻放大器的增益進(jìn)行調(diào)制，見圖 7。

圖7: 為我們的簡易合成器添加震音

第三種常見的調(diào)制效果是對(duì)合成器的壓控濾波器進(jìn)行調(diào)制（圖 8）。該效果或許沒有顫音或震音那么容易理解。使用 LFO 對(duì)濾波器的截止頻率進(jìn)行調(diào)制時(shí)，通過對(duì) LFO 的頻率進(jìn)行調(diào)整，可以制造出三種十分不同的效果。LFO 的頻率最慢時(shí)（比如說 0.1Hz），你可以得到一種緩慢的濾波器掃頻聲，這一效果對(duì)于氛圍音樂十分實(shí)用。如果把 LFO 頻率提升至 1 到 2Hz，掃頻聲將會(huì)變成哇聲效果。如果你將 LFO 的頻率進(jìn)一步提升，使其到達(dá)至次聲頻率的上限位置處（大約 10 到 20 Hz），可以得到一種嗥聲效果，十分適合用來模擬管樂器的聲音。

圖 8: 將該控制波形施加至濾波器的截止頻率上可以造成短暫的嗥聲效果

濾波器調(diào)制效果很難使用波形表示，因?yàn)闉V波器調(diào)制造成的波形變化十分微?。ㄒ妶D 9、10）。不過你可以很容易地聽到這一效果，濾波器調(diào)制造成的音頻效果十分明顯，但你需要使用示波器才可以看到當(dāng)截止頻率變低，波形的邊緣會(huì)變得些許圓滑，高頻諧波的衰減也會(huì)導(dǎo)致振幅一定程度地降低。

圖 9: 嗥聲效果對(duì)于三角波波形的影響

圖10: 為我們的簡易合成器添加濾波器掃頻、哇聲以及嗥聲效果

當(dāng)然，你完全可以同時(shí)使用顫音、震音和濾波器調(diào)制三種效果。許多強(qiáng)大的合成器會(huì)允許你使用 LFO 調(diào)制上述三者中的任意一個(gè)。一些更高端的合成器還會(huì)提供多個(gè)具有調(diào)制深度控制功能的 LFO，從而允許你對(duì)多個(gè)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制深度控制器可以包含調(diào)制輪，鍵盤觸后以及踏板控制。圖 11 或許看上去十分復(fù)雜，但它其實(shí)將一個(gè)包含三個(gè) LFO 以及多個(gè)調(diào)制控制器的合成器以易于理解的流程圖表示了出來。

圖 11: 一個(gè)擁有三個(gè) LFO 以及多個(gè)調(diào)制控制器的簡易合成器

不過，大多數(shù)情況下我們并不需要三個(gè)單獨(dú)的控制器同時(shí)控制三個(gè)調(diào)制 VCA 的調(diào)制幅度。因此大多數(shù)合成器會(huì)包含用于切換不同調(diào)制源以及調(diào)制對(duì)象的開關(guān)。合成器制造的音色以及合成器的演奏方式將受如何對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制以及使用什么樣的控制器對(duì)調(diào)制幅度進(jìn)行控制影響。

大多數(shù)強(qiáng)大的模擬合成器還具備另外一種常見的調(diào)制方式。要對(duì)該調(diào)制方式進(jìn)行理解，首先讓我們回顧我在本系列的第四篇文章，對(duì)低通濾波器進(jìn)行討論時(shí)介紹的一種波形——方波（square wave）。我們之所以管它叫方波并不是因?yàn)樗男螤钍峭耆恼叫?，而是因?yàn)樗且粋€(gè)波形在峰值與最低處持續(xù)的時(shí)間相等的脈沖波，見圖 12。

圖 12: 一個(gè)方波波形

很顯然，方波是一類叫做脈沖波（pulse wave）的波形中的一個(gè)特例。所有脈沖波都具有同樣的「矩形」形狀，然而不同的脈沖波在「頂部」和「底部」處擁有不同的時(shí)值。脈沖波在波形頂部維持的時(shí)間和一個(gè)周期的總時(shí)間的比例叫做這一波形的「占空比（duty cycle）」。因?yàn)榉讲ㄔ诓ㄐ雾敳砍掷m(xù)的時(shí)間正好是波形周期的一半，所以說方波的占空比為 1: 2，即百分之 50。一個(gè)頂部時(shí)間占據(jù)周期三分之一的脈沖波的占空比為 1: 3，即百分之 33.3，頂部時(shí)間為周期四分之一的脈沖波的占空比則為 1: 4，百分之 25，以此類推（見圖 13、14）。

圖 13: 一個(gè)占空比為百分之 33.3 的脈沖波

圖 14: 一個(gè)占空比為百分之 25 的脈沖波

注意：你可能會(huì)在一些地方看到占空比大于百分之 50 的波形。實(shí)際上，對(duì)于任何處于 0 到 50 之間的數(shù)字 X 來說，占空比為 50 + X 和占空比 50 - X 的波形其實(shí)完全一致，不過兩者的相位處于相反的位置。本文我們暫且不對(duì)波形的相位進(jìn)行討論。

占空比不同的鋸齒波形彼此的聲音特征具有明顯的差異。占空比較短（約百分之 5 到百分之 10）的脈沖波具有稀薄的聽感，通常用于制作雙簧管等樂器的音色。占空比越接近百分之 50，聲音就越變得越厚重，占空比為百分之 50 的方波具有典型中空的特征，適合用于模擬單簧管以及其他「木制」樂器的音色。

這些音色變化是由各個(gè)波形的諧波成分以及各個(gè)諧波的振幅差異所造成的。我們可以簡單地將脈沖波的占空比以及對(duì)應(yīng)波形的諧波分布用下面一條規(guī)律總結(jié):

脈沖波和鋸齒波具有相同的諧波分布，然而對(duì)于占空比為 1 比 n（n為整數(shù)）的脈沖波來說，其頻譜中的每 n 個(gè)諧波的振幅為 0。

（如果你不清楚鋸齒波具有什么樣的諧波分布，請(qǐng)回顧本系列的第 1 篇文章。）

了解了該條規(guī)律之后，讓我們回過頭來再考慮一下方波。方波的占空比為 1: 2，所以依據(jù)上面的規(guī)律我們可以推斷方波的所有偶數(shù)倍諧波的振幅均為 0。換句話說，方波并不具備偶數(shù)諧波，它的頻譜完全由第 1、第 3、第 5、第 7 等等奇數(shù)諧波構(gòu)成。

接下來讓我們考慮一下圖 13 和圖 14 中的兩個(gè)脈沖波。它們的占空比分別為 1:3 和 1:4。因此，前者的頻譜由第 1、第 2、第 4、第 5、第 7、第 8 等等諧波諧波構(gòu)成，3 的倍數(shù)的諧波均不存在。圖 14 的頻譜則由第 1、第 2、第 3、第 5、第 6、第 7、第 9、第 10 等等諧波構(gòu)成，4 的倍數(shù)的諧波均不存在。

你可能會(huì)問，當(dāng)占空比的比例為非整數(shù)倍的時(shí)候會(huì)發(fā)生什么呢？比如說，一個(gè)占空比為百分之 28.5 的脈沖波的諧波構(gòu)成會(huì)是什么樣的呢？答案很簡單，因?yàn)榘俜种?28.5 的位置處于占空比 1:3 與 1:4 之間，3 的倍數(shù)的諧波將會(huì)被一定程度地削減，4 的倍數(shù)的諧波的振幅也同樣地會(huì)被減弱，不過并不會(huì)從頻譜中完全消失。

希望通過上面的介紹，你已經(jīng)對(duì)于脈沖波擁有了一定的了解。因?yàn)楝F(xiàn)在我們要將脈沖波的脈沖寬度和調(diào)制的相關(guān)知識(shí)結(jié)合起來，從而引入…脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）。脈沖寬度調(diào)制需要使用一個(gè) CV 輸入對(duì)振蕩器進(jìn)行調(diào)制，不過這里我們調(diào)制的并非振蕩器的振蕩頻率，而是脈沖波振蕩器的占空比。如果使用 LFO 對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，我們可以得到類似圖 15 的脈沖波形。這一調(diào)制的流程如圖 16 所示。

圖 15: 經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制的脈沖波波形

圖 16: 使用 LFO 對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制

圖 16 中的調(diào)制配置十分常見，它可以制作出許多模擬合成器經(jīng)典的豐滿的「合唱（choruse）」效果。雖然脈沖寬度調(diào)制通常只運(yùn)用于脈沖波波形，但許多合成器允許你向鋸齒波等波形施加脈沖寬度調(diào)制。當(dāng)然，該類調(diào)制并無法使用脈沖的占空比描述，管它們叫做脈沖寬度調(diào)制其實(shí)并非準(zhǔn)確。不過該類功能可以幫助我們制作出更加細(xì)致、豐富的音色。
脈沖寬度調(diào)試適合用于制作弦樂合奏音色以及豐滿的合成器 lead 音色。但不要將其和市面上以及合成器內(nèi)置的合唱效果器搞混。這類合唱效果器的原理是將樂器輸出的最終信號(hào)分為兩路，然后對(duì)其進(jìn)行延遲或調(diào)制處理。脈沖寬度調(diào)制而是通過對(duì)振蕩器的各個(gè)諧波的響度進(jìn)行調(diào)制，從而獲得獨(dú)特的音色效果。