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FM合成声音

音乐合成器的先驱Robert Moog采用了模拟电子器件生成了复杂的乐音。20世纪80年代初，美国斯坦福大学(Stanford University)的一名叫John Chowning的研究生发明了一种产生乐音的新方法，这种方法称为数字式频率调制合成法(digital frequency modulation synthesis)，简称为FM合成器。他把几种乐音的波形用数字来表达，并且用数字计算机而不是用模拟电子器件把它们组合起来，通过数模转换器(digital to analog convertor，DAC)来生成乐音。斯坦福大学得到了发明专利，并且把专利权授给Yamaha公司，该公司把这种技术做在集成电路芯片里，成了世界市场上的热门产品。FM合成法的发明使合成音乐工业发生了一次革命。

FM合成器生成乐音的基本原理如图2-07所示。它由5个基本模块组成：数字载波器、调制器、声音包络发生器、数字运算器和模数转换器。数字载波器用了3个参数：音调(pitch)、音量(volume)和各种波形(wave)；调制器用了6个参数：频率(frequency)、调制深度(depth)、波形的类型(type)、反馈量(feedback)、颤音(vibrato)和音效(effect)；乐器声音除了有它自己的波形参数外，还有它自己的比较典型的声音包络线，声音包络发生器用来调制声音的电平，这个过程也称为幅度调制(amplitude modulation)，并且作为数字式音量控制旋钮，它的4个参数写成ADSR，这条包络线也称为音量升降维持静音包络线(Attack，decay，sustain，release，ADSR)包络线。

图2-07  FM声音合成器的工作原理

在乐音合成器中，数字载波波形和调制波形有很多种，不同型号的FM合成器所选用的波形也不同。图2-08是Yamaha OPL-III数字式FM合成器采用的波形。

图2-08 声音合成器的波形

 

    各种不同乐音的产生是通过组合各种波形和各种波形参数并采用各种不同的方法实现的。用什么样的波形作为数字载波波形、用什么样的波形作为调制波形、用什么样的波形参数去组合才能产生所希望的乐音，这就是FM合成器的算法。

 

通过改变图2-07中所示的参数，可以生成不同的乐音，例如：

 

 

改变数字载波频率可以改变乐音的音调，改变它的幅度可以改变它的音量。

改变波形的类型，如用正弦波、半正弦波或其它波形，会影响基本音调的完整性。

快速改变调制波形的频率(即音调周期)可以改变颤音的特性。

改变反馈量，就会改变正常的音调，产生刺耳的声音。

选择的算法不同，载波器和调制器的相互作用也不同，生成的音色也不同。

在多媒体计算机中，图2-07中的13个声音参数和算法共14个控制参数以字节的形式存储在声音卡的ROM中。播放某种乐音时，计算机就发送一个信号，这个信号被转换成ROM的地址，从该地址中取出的数据就是用于产生乐音的数据。FM合成器利用这些数据产生的乐音是否真实，它的真实程度有多高，这就取决于可用的波形源的数目、算法和波形的类型。