Síntesis (20): A vueltas con los DCOs

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Al menos desde la perspectiva de sintes comerciales ‘de masas’ hemos de situarnos a final de los 70s y primeros 80s para encontrar los primeros modelos que dejan atrás los VCOs ‘puros’ y con ello despiertan el pánico a lo digital como una especie de amenaza al carácter ‘pura sangre’ de los sintes íntegramente basados en tecnología electrónica analógica.

Un ejemplo típico de un miedo no siempre justificado a día de hoy. En un mundo antes dominado por los VCOs (osciladores controlados por voltaje, realizados en tecnología analógica) la llegada de sintes con osciladores controlados digitalmente (DCOs) prometía acabar con el engorro de los problemas de afinación inestable. No falta razón en quienes encuentran muchas objeciones los primeros DCOs y los primeros osciladores digitales que se comercializaron. Pero también les falta a quienes por el mero hecho de encontrar las siglas DCO o tener delante un sinte con osciladores digitales deciden mostrar desdén por principio, sin analizar ni escuchar qué es lo que tienen delante. De hecho hay cosas muy diferentes por ahí llamadas DCOs.

Con un mercado muy activo de sintes ‘vintage’, quizá no está de más conocer algunas de las técnicas que se aplicaron en esos primeros años de lo digital en síntesis a la hora de crear los osciladores. Además, pensar un poco sobre la cuestión será útil a quienes quieran diseñar sus propios sistemas ya sea en electrónica, o en programa CMusic, Max/MPS, en Reaktor, o en cualquier otro entorno incluidos los que se animen a programar sus propios instrumentos VST y semejantes.

Una segunda parte que describe los osciladores digitales tipo ‘look-up table’ es complemento de esta y está ya escrita (y pronto la veréis publicada).

Que un filtro se desajuste un poco y varíe algo su frecuencia de corte a lo largo del tiempo, o con la temperatura, etc. pasará desapercibido casi siempre. Pero la inestabilidad analógica en el caso de los osciladores produce desafinaciones que no son admisibles en un contexto musical.

Si pensamos en la estructura típica de la cadena audio en un sinte sustractivo, encontramos osciladores, filtros y amplificadores. Si nos situamos en el arranque de los años 80, crear un filtro digital era todavía caro. No es extraño que fueran los osciladores el primer lugar donde los fabricantes quisieron reemplazar la tecnología analógica con la digital.

Cuando llegan los primeros sistemas polifónicos el problema de la afinación se agrava. No se trata ya de mantener razonablemente afinados los dos o quizá tres VCOs de un sinte monofónico. Un polifónico a seis voces con 2 osciladores por voz suma ya una docena de osciladores, una docena de potenciales problemas.

Los circuitos de control y auto compensación analógicos necesarios para mantener bajo control esos VCOs encarecen su fabricación. La idea de reemplazar esa compleja solución analógica por la fiabilidad de una referencia digital que marque la frecuencia sin desajustes apreciables no tardó en surgir. Los VCOs eran los primeros candidatos en la lista de la evolución digital, que comenzó con su sustitución por DCOs.

Hay muchos tipos de oscilador analógico. Uno de los más comunes (con cualquier otro podrían hacerse análisis semejantes) consiste en cargar un condensador con una corriente determinada. El condensador se carga poco a poco y eso permite que se genere una especie de ‘rampa’. En el oscilador existe un comparador y cuando la carga alcanza cierto nivel se usa un camino de descarga inmediata que fuerza el reinicio de la generación de la rampa. Si la corriente con la que cargamos es baja, la carga es lenta, la rampa es larga y por tanto lo es el periodo: estaríamos generando notas graves. Si la corriente es alta la carga es veloz y las notas resultantes agudas. Al pulsar diferentes notas en un teclado analógico estamos finalmente definiendo si la corriente de carga del condensador es una u otra, y asunto resuelto.

Pero al final un VCO no es un sistema sencillo y queda siempre la cuestión de su afinación y calibración ocasional. El comparador que define cuándo se alcanza el momento de descargar el condensador, los propios circuitos de carga y de descarga, … todo lo analógico está sometido al impacto del ruido, de las desviaciones con la temperatura o el envejecimiento, y un sinfín de otras cuestiones. Al final la afinación es un tanto inestable, la forma de onda también (no es extraño que ‘se cuele’ un poco del pulso de descarga y aparezca un transitorio marcado que da un extra de brillo a las ondas de un VCO), y se pueden requerir retoques y calibraciones a lo largo de los años, etc.

Sólo por completar la cuestión: para poder ofrecer variedad de formas de onda, a partir de la forma generada inicialmente en el oscilador se aplican circuitos analógicos dedicados (a veces llamados ‘waveshapers’ o ‘WS’). En el tipo de oscilador que hemos descrito, la forma de onda inicial es una rampa. Con un comparador y una tensión de referencia la rampa puede convertirse en una cuadrada o rectangular (cuya anchura depende de dónde situemos esa tensión de referencia). Y por integración de la cuadrada podemos generar una triangular, para completar un juego de señales básicas típico.

Con diferentes objetivos (poder tener memorias de sonidos con los ajustes guardados, poder tener alguna forma de autocalibrado de la afinación, poder usar señales de LFO o envolventes generadas digitalmente, etc.) algunos sintes usan VCOs tradicionales pero en los que la tensión de control viene generada desde un D/A y algún tipo de CPU (generalmente un microcontrolador). Más que DCOs, a estos casos casi habría que llamarlos DCVCOs, pues son VCOs plenos en los que la tensión de control viene en mayor o menor medida de ese D/A. Desconectad el D/A poned un Jack y tenéis un VCO de toda la vida.

Se puede leer en una de las intervenciones en http://www.harmonycentral.com/forum/forum/Keyboards/acapella-18/336021- , que allá por 1995 Haible Juergen hizo una lista con ejemplos de diferentes estrategias de osciladores, que resumo parcialmente en lo que más nos interesa aquí. Demuestra la enorme variedad de lo que a veces juzgamos en mucho menor detalle, en buena medida porque los fabricantes no nos ofrecen tanto detalle e incluso nos confunden con usos ambiguos o amplios de términos. En algunos de estos sintes se siguió hablando al comercializarlos de VCO en otros se aplicó ya el término de DCOs (no busquéis eso de ‘DCVCO’ por ningún sitio).

El tradicional VCO, un oscilador analógico funcionando libremente y controlado por tensión analógica, podría ser ejemplificado por el MiniMoog original y tantísimos otros. Pero cuando llegamos al terreno de los DCVCOs, hay de todo:

Oscilador analógico funcionando libremente, y controlado por una tensión analógica proveniente de un D/A a efectos de programabilidad, pero no a efectos de autocorrección, y que mantiene por lo demás toda su modulación analógica, sería el caso del Oberheim N-voice.

Oscilador analógico funcionando libremente, y controlado por una tensión analógica proveniente de un D/A a efectos no solamente de programabilidad, sino también con autoafinación, etc. pero todavía con entradas de modulación analógicas lo encontramos en el diseño del Prophet 5 rev.3.

Oscilador analógico funcionando libremente, y controlado por una tensión analógica proveniente de un D/A a efectos no solamente de programabilidad, sino también con autoafinación, etc. que incorpora realización digital para ciertas señales de control como LFO, S&H, o Glide, pero que retiene otras en analógico como el ADSR sería el Oberheim OB-8.

Un oscilador analógico funcionando libremente, y controlado por una tensión analógica proveniente de un D/A a todos los efectos tales como afinación y las modulaciones, envolventes, etc. podríamos encontrarlo en Prophet 600 o Matrix 12.

Y podríamos seguir. Pero en estos diseños, la frecuencia del oscilador sigue controlada por una tensión, por una señal contínua o ‘analógica’ y no por una señal ‘digital’, si bien en la generación de esa tensión interviene un D/A y algún tipo de programación detrás.

Como decíamos con la llegada de los polifónicos pasa a ser insostenible la cuestión del mantenimiento de la afinación, porque hay una explosión en el número de osciladores. Muy pocos músicos querrán ponerse a ‘afinar’ los 12 osciladores de un sinte de seis voces antes de empezar a tocar o en medio de una actuación ante el calor de los focos. Los sistemas de autocalibración basados en tensión tampoco son una solución fácil, y esto de los DCVCOs tampoco simplificaba tanto las cosas al fabricante.

Surge la idea de controlar digitalmente la definición del ‘rearranque de la rampa’. Mantener el diseño clásico de un oscilador por carga de un condensador, pero en lugar de que sea la propia circuitería analógica (con toda su componente de aleatoriedad y descontrol) la que gobierne el ‘rearme’ del oscilador, que el rearme provenga de una secuencia de pulsos digitales, y por ello extraordinariamente estable si se desea. Será una señal digital la que abra la puerta del camino de descarga del condensador, la que indique cuándo ha de rearrancarse cada ciclo y recomenzar la rampa.

Esta idea es a la que muchos puristas reservan el nombre DCO: un oscilador ‘tradicional’ pero en el que el control de su frecuencia viene determinado por una señal sistema digital y no continua: esa señal digital, con dos valores, que está destinada a gobernar cuándo hay que descargar el condensador.

¿Qué podemos esperar de un diseño de este tipo? Una magnífica estabilidad en cuanto a la frecuencia. Quizá, cabría decir, una estabilidad ‘excesivamente’ magnífica. Salvo que estemos detrás de una estética muy determinada que agradezca sonidos quirúrgicamente precisos, esa extrema estabilidad se traduce en un ‘enfriamiento’ del carácter. Nuestros sentidos agradecen cualquier variación cómo forma de mantenerlos alerta, y una afinación hiperprecisa resta atractivo al sonido.

Por ejemplo, un VCO por sí sólo comparado con uno de estos DCOs parecerá tener cierto carácter orgánico frente a la fría bata científica que envuelve al DCO. Lo notaréis aún más usando los modos ‘unison’. En un sinte basado en VCOs, la reunión de sus osciladores en modo ‘unison’ para reproducir en teoría una misma nota da lugar a que en realidad se combinen varias ‘aproximaciones ligéramente caóticas’ diferentes a esa nota. El modo ‘unison’ en un sinte con DCOs del tipo comentado resulta por comparación mucho menos enriquecedor. Son tan ‘idénticas’ las réplicas en las distintas voces que su combinación no manifiesta tanto ‘movimiento’.

Pero hay más diferencias que atender (y poco a poco los fabricantes las han ido incorporando). No está sólo la cuestión de la afinación (que se puede emular introduciendo un caos ordenado en la generación de la señal digital que controla la afinación de cada voz). Otro aspecto que no habría que olvidar es que un VCO está permanentemente generando señal, nunca para. Eso, junto con los inevitables desajustes entre los diferentes VCOs hace que cuando combinamos varios (los dos o tres VCOs de una voz, o el uso en ‘unison’) haya desalineamientos de fase entre unos y otros, que están un tanto ‘fuera de control’ y eso se traduce en el ansiado enriquecimiento que apreciamos en sintes analógicos.

Sin embargo muchos diseños tipo DCO sólo activan al oscilador (sólo le hacen llegar pulsos de reinicio de la forma de onda) cuando se pulsan teclas y/o utilizan la misma señal de reloj para todas las voces que han de interpretar la misma nota, derivadas finalmente todas de un mismo y único reloj preciso. Y como resultado todos ellos arrancan ‘sincronizados en fase’ reduciendo las posibilidades de coloración que se presentan con los VCO.

No es algo que todos los DCOs deban sufrir, pero sí es cierto que los primeros diseños no fueron tan finamente pensados.

A muchos de mis sintes (no a todos) les he cogido especial cariño. Y no os extrañará oír que sentí especialmente desprenderme en su día del Juno-106. Podemos usarlo como ejemplo del tipo de DCO que comentábamos.

Parte de un oscilador de cristal extraordinariamente estable a 8MHz. Mediante divisores de reloj y unos contadores programables se pueden obtener a partir de él 6 (una por voz) señales cuadradas digitales (101010101…) de frecuencia ajustable en la región propia de las notas musicales.

Esta señal cuadrada se usa (con un flip flop) para generar la señal de suboscilador, pero salvo esa generación ‘digital’ del suboscilador, el resto de las señales (diente y rectangular con PW variable) son fruto de un oscilador enteramente analógico. Se trata del diseño que mencionábamos en el que un operacional carga a velocidad constante un condensador. El flanco ascendente de la señal digital se usa para abrir el camino de descarga del condensador y reiniciar así el ciclo, con lo que se genera la señal de tipo rampa/diente. Un segundo operacional actúa en forma de comparador para generar una rectangular de anchura variable.

La imagen está tomada de http://www.electricdruid.net/?page=info.junodcos donde podéis encontrar algún otro detalle para terminar de entender su funcionamiento.

¿Dónde véis algún D/A por el camino? En ningún sitio. Siendo más precisos, si abrierais el Juno-106 sí veríais un D/A, pero está destinado sólo a las señales de control y la posibilidad de contar con presets y memorias, no a la generación del audio en los osciladores. Los DCOs del 106 (salvo para la suboscilación) son osciladores analógicos 100% pero cuya frecuencia está gobernada con la precisión de un reloj digital y no encomendada al temido lado analógico y sus desvaríos.

El oscilador analógico se esclaviza al pulso repetitivo de un reloj digital, pero por lo demás sigue siendo analógico. Afinación magnífica y estable, y osciladores analógicos sin aliasing, una combinación que parece excelente. Aunque los condicionantes de su esclavitud se hacen patentes: excesiva precisión, esa falta de carácter del unison, ausencia de desfase entre las voces, etc.

Está claro que los DCOs de los primeros ochenta y los ‘unison’ planos son resultado de la obsesión por la fiabilidad de la afinación y la ‘calidad técnica’ hasta olvidar su impacto sobre la ‘calidad perceptual’. Pero han quedado muy atrás si vemos lo que algunos sintes serios ofrecen a día de hoy.

Pequeñas modificaciones sobre este diseño básico permitirían que los osciladores no reiniciaran su fase con cada nueva nota, o que cada voz tuviera un reloj independiente evitando así su sincronización de fase, y se llegaría a un resultado que sería aún más fiel al espíritu ‘libre y alocado’ de los VCOs puros.

A medida que nos hemos ido haciendo más exigentes (más dispuestos a pagar) este tipo de detalles, algunos fabricantes sí se deciden a incorporarlo en sus diseños. Así en aparatos más recientes como el Alesis Andromeda encontraremos osciladores analógicos cuya frecuencia y disparo de ciclos viene gobernada digitalmente, pero que atienden mejor la recuperación de esa riqueza de los VCOs.

DCOs, sí, pero de una nueva categoría que incorpora estos conceptos y recupera mejor el carácter y movimiento inherentes a los sistemas plenamente analógicos, añadiendo ciertas dosis de ‘caos’, manteniendo una mayor individualidad en las señales de reloj que se generan para controlar cada uno de los VCOs, … que en fin recuperan bien el carácter de los VCOs originales.

Como vemos las siglas DCO se han usado para demasiadas cosas muy diferentes entre sí. Los más puristas reservan esas siglas sólo para aquellos casos en los que el oscilador sigue estando basado en tecnología analógica pero tomando su referencia de ‘reinicio de ciclo’ desde un sistema digital que puede ser enormemente preciso y estable en relación a la frecuencia de repetición. Sería por tanto una denominación reservada sólo para cuando el único cambio es el reemplazo del control de la frecuencia basado en una tensión (Voltage Controlled Oscillator) por una referencia digital (Digital Controlled Oscillator). Ni siquiera existe aquí necesariamente la presencia de un D/A.

Pero comercialmente veréis aplicado el término DCO muy a menudo para referirse a cualquier oscilador intervenido digitalmente. Desde esos DCVCOs a los que me refería antes, a las referencias de frecuencia que comanda a un oscilador ‘tradicional analógico’ descargando su condensador como en el ejemplo del Juno, o incluso a un diseño íntegramente resuelto en digital. De hecho, si hiciéramos un recuento de sintes que aplican el término DCO a sus osciladores, creo que mayoritariamente vencerían aquellos en los que estamos en una realización de tipo ‘look-up’ o semejante, enteramente digital, y de la que nos ocuparemos en la siguiente entrega.