Síntesis (30): Creando sonidos con AM/Ring

Hoy cerramos AM con la dura realidad. ¿Qué ofrecen de verdad nuestros sintes? Moduladores en anillo y no tanto AM, además directamente entre osciladores (sin envolventes)… Muchos límites, pero pese a ello creamos unos sonidos resultones de ‘lead’, metales y cuerda solista.

Lo primero es precisamente hablar sobre qué es lo que podemos esperar encontrar en el apartado ‘modulación de amplitud’ dentro de un sinte típico. El decálogo sobre AM que presentamos en otro artículo podrá haber hecho soñar a más de uno con las excelencias de esta estrategia. Vamos con la realidad.

• Muchos sintes no ofrecen capacidades AM, salvo la reducidísima de usar un LFO a velocidad audio.
• Otros muchos ofrecen moduladores en anillo, que no son exactamente moduladores AM (no es tan grave, de hecho los prefiero).
• Los que ofrecen esos moduladores suelen incorporarlos como un elemento asociado a los osciladores, y por tanto las señales que intervienen en la modulación son ‘planas’, sin envolventes de nivel. En la práctica es como si no pudiéramos controlar el índice de modulación. Además son previas al filtro, y las señales que intervienen tienen excesivos armónicos para resultar fáciles de utilizar en AM, salvo que usemos algún seno o formas igualmente simples.

Además no faltan los que quieren vender la burra y dicen tener un modulador en anillo cuando en realidad tiene algo bien diferente (ejemplos clásicos: el ARP Odyssey y el MS-20 de Korg, que cuentan realmente con un circuito XOR digital, el cual representa un producto binario y no un producto continuo).

Nos os dejéis llevar por el marketing. Muchos sintes que dicen de sí mismos ser capaces de realizar AM en realidad no permiten realizar AM entre osciladores, sólo a través de un LFO que alcanza algunos centenares de Hz. (entrando ya en la región audio) y que no llega a las posibilidades de la verdadera modulación AM entre osciladores.

Por una parte, no nos permiten escoger con libertad dónde trasladar el espectro. Sólo podremos desplazarlo con ese límite de algunos centenares de Hz. Pero sobre todo usar un LFO para impartir una modulación sobre la amplitud de los osciladores no nos permite salir del territorio de los sonidos de campanas. Al estar fija la frecuencia de ese LFO, no se mantiene la ratio fp/fm, sino que varía con cada nota. Aunque podamos ajustar una serie armónica sobre una nota concreta de la escala, las demás tendrán relaciones que no serán enteras. Puede resultar interesante porque cada tecla, cada ‘nota’, hará sonar un timbre diferenciado, pero siempre dominando un efecto de campana, inútil las más de las veces para una interpretación de tipo melódico/armónico convencional.

Necesitamos que tanto la portadora como la moduladora suban y bajen de frecuencia cuando recorro el teclado, mantieniendo su relación interválica. Pero eso es precisamente lo que hacen los osciladores en su configuración más habitual: subir y bajar manteniendo la relación que hayamos ajustado entre ellos. Necesitamos los osciladores y necesitamos… el modulador de amplitud en sí para combinarlos.

Un modulador AM exige multiplicar entre sí dos señales. En analógico, un multiplicador que sea suficientemente lineal y preciso en un ancho de banda generoso, es complicado (y caro). En digital implica realizar el producto de la señal de un oscilador por la del otro, muestra a muestra, y parecería por tanto muy fácil de ofrecer por los fabricantes. Por eso mismo sorprende ver la cantidad de sintes digitales que no ofrecen la posibilidad de realizar AM. Multiplicar gasta más CPU que sumar, es cierto, pero poca más.

El problema real es que cualquier modulación, lo hemos visto en los ejemplos de entregas anteriores, aumenta el ancho de banda, y eso en un sistema digital puede conllevar problemas de aliasing. Para colmo, realmente en muchos sintes ‘de masas’ los compradores no van a prestar atención a la presencia o no de recursos para AM. Lo que siempre se pregunta es lo de los filtros, envolventes, etc. pero no estas otras cuestiones propias de sintesistas más avanzados.

Tanto en sintes analógicos reales como virtuales, como en los nativamente digitales, la forma más habitual en que se ofrecen recursos para este tipo de modulación es incorporando un modulador en anillo (no os preocupéis, no hay que aprender nada nuevo).

Mirad en detalle los manuales de vuestros sintes, a veces hay sorpresas. Por ejemplo los Roland, ya desde la época del D50 y hasta los Fantoms más recientes, tienen esta posibilidad, un tanto oculta y poco publicitada. Os la mostraré más adelante en este artículo.

El módulo que en electrónica y en síntesis se llama modulador en anillo no realiza otra cosa sino la multiplicación de dos señales. Tiene dos entradas audio, y ofrece en su salida el producto de ambas. La razón de que se llame modulador en anillo hay que trazarla en la estructura de la electrónica con la que hace años se construían esos elementos. Internamente había una especie de lazo o anillo dentro del circuito uniendo unos y otros componentes. Pero a nuestros efectos nos basta pensar que se trata de un multiplicador.

Si en cada una de sus dos entradas ponemos seno_fp y seno_fm (la salida de nuestros dos osciladores), lo que produce es el producto de ambos. No es exactamente lo mismo que la señal AM que veníamos debatiendo, pero no es tan grave la diferencia, como enseguida veremos. Dado que ahora las dos entradas de un producto son intercambiables (aquello de la propiedad conmutativa de la multiplicación) en el modulador en anillo hablaremos de entrada 1 y 2, sin denominarlas necesariamente portadora/moduladora.

Aquí tenéis pintada la señal resultante de una modulación en anillo:

Siempre se hace referencia en el caso de anillos (a diferencia de lo que vimos con AM) que la señal ‘portadora’ se llega a invertir: cuando la moduladora es negativa aplica un cambio de signo. Esas inversiones las veis con claridad en los momentos de cruces por cero de la moduladora. Todavía sería más claro aquí, con una moduladora diente de sierra (mirad lo que ocurre cuando el diente pega su salto):

Pero, aunque siempre se le haya dado mucha importancia a ese hecho en los libros, aquí nos interesa más que lo que vemos lo que oímos. Así que vamos con el análisis espectral del modulador en anillo.

En AM teníamos el producto sen_fp [1 + I sen_fm]

En Ring tenemos el producto directo de los dos senos sen_fp sen_fm

Desde luego nuestra regla de oro del capítulo anterior sigue aplicándose: el producto de dos señales origina la convolución de sus espectros.

En AM el factor [1 + I senfm] combina una componente DC con una versión escalada del seno modulador, y por tanto añade una raya en frecuencia cero al espectro de la moduladora (en el centro entre sus rayas positivas y negativas).

Las diferencias entre AM y Ring pasan, como veis en la figura siguiente, por la existencia en el resultado AM de una raya central que implica una presencia de la portadora original, mientras que en Ring esa raya central no aparece y toda la energía queda sobre las rayas ‘combinación’ f1-f2 y f1+f2, sin que reste ninguna energía en la frecuencia portadora (al menos mientras hablamos de señales senoidales, con señales compuestas puede haber otros resultados al solaparse las diversas réplicas de la moduladora).

Queda claro pues que, salvo por la presencia del pico ‘central’ en cada réplica, son bastante equiparables.

La pregunta tendríamos que replantearla. No es tanto qué prefiero. Realmente con un Ring se puede fácilmente crear un sistema AM. Además con las señales que solemos manejar en sintes, que son ricas en armónicos y no meros senos, la presencia de una raya de más o de menos en el resultado no va a ser tan relevante. De hecho, generalmente cuando he usado sintes con moduladores AM he subido muchísimo el índice de modulación para evitar que la raya central destaque sobre las demás. En cuanto prevalece se hace demasiado dominante en la escucha y no interesa darle tanto protagonismo, mejor que pase más desapercibida como una compañera más del resto de las rayas.

Ya puestos casi os diría que prefiero el Ring porque con él, si lo deseamos, podemos crear también un modulador AM. Os digo como.

Recordad que un modulador en anillo es sólo un nombre para un multiplicador. La señal AM era

sen_fp [1 + I sen_fm], es decir, el producto entre seno_fp (la portadora) y una pequeña variante de la moduladora como [1 + I sen_fm]

Así las cosas, un modulador en anillo o multiplicador permite construir la señal AM, sin más que facilitar el ajuste de la amplitud del seno modulador (como forma de poder establecer el índice de modulación) y añadir esa componente DC que acompaña a sen_fm

Pero hay otra forma más factible con nuestros sintes de obtener un modulador al estilo AM, que incorpore esa raya central.

[1 + I senfm] senfp es la expresión de la señal AM, y podemos desarrollarla como senfp + I senfp senfm

En esa segunda interpretación, vemos que reúne el producto de los dos senos (que es lo que nos permite obtener un modulador en anillo) y otra componente que es la portadora. Nos permite esta alternativa más asequible en sintes para crear AM si lo que tenemos a mano es un modulador en anillo.

La interpretación espectral, en la que veíamos que el Ring es como una AM en la que ha desaparecido la señal portadora y sólo quedan las rayas laterales producto de la modulación, hacía evidente la ausencia de la raya central. Con esta estructura se la estamos reincorporando.

Es más, podríamos pensar en esta otra estructura que sí aparece en varios sintetizadores comerciales, y que resulta ser muy flexible.

En ella estamos pudiendo combinar las señales originales (las entradas 1 y 2) con el resultado del producto (ring) de ambas. Es muy habitual en sintes con ‘ring modulator’ el que podáis mezclar la salida del ring con la o las señales de entrada. Eso os permite reintroducir las rayas de portadora ausentes en el resultado del ring puro. Y también os permitiría añadir las rayas de la moduladora. Algo, como os decía, muy flexible.

A la postre, resulta por tanto mejor disponer de un modulador en anillo (que sabe multiplicar dos señales con signo) que un modulador AM (que exige que una de las señales que interviene en la multiplicación sea positiva en todo momento, y por tanto es un sistema más restringido, es un multiplicador menos versátil). Además no hay mucho que rascar: en los sintes veréis moduladores en anillo, pero no (al menos habitualmente) moduladores AM.

Recordad con ellos que podéis reintroducir, si lo necesitáis, la raya que falta en el hueco directamente desde una de las señales originales (según lo que busquéis, el hueco puede ser útil, como veréis en la video demo –lo aprovechamos para obtener un sonido de ‘tubo’ un tanto teñido de clarinete).

La operación de multiplicación está muy bien definida en soluciones digitales, pero en analógico no todos los ‘ring modulators’ funcionan igual. Son de construcción difícil. Algunos necesitan que sus entradas estén estrictamente limitadas en un cierto rango de tensión (fuera del cual no realizan realmente la multiplicación sino una operación muy deformada), en muchos hay limitaciones de ancho de banda, en casi todos la multiplicación no es perfecta y da lugar a la aparición de una distorsión que acompaña al efecto de modulación deseado… Pero la manera de concebir su acción es la de esa multiplicación y la correspondiente convolución espectral. Nuestro oído será el que termine de juzgar y ajustar las cosas para aprovechar el máximo potencial de lo que nos ofrezcan nuestros sintes en este terreno. No esperéis grandes milagros de una AM o Ring analógica puras.

Generalmente un ‘ring modulator’ digital será mucho más fiable y preciso. Algunos añorarán los ‘defectos’ de un determinado ring analógico y el carácter que puede impartir. Pero esos defectos que pasan enmascarados en el complejo sonoro de las campanas, son inaceptables con sonidos que queremos sean armónicos y estables. Para sonidos armónicos, buscad un modulador en anillo lo más preciso posible. Las más de las veces eso os llevará a sintes digitales.

Por ello voy a usar el Alesis Fusion. Puede usar modelado físico, síntesis FM, muestreo, y también puede usar un modelo de síntesis analógica virtual que incluye un modulador en anillo. Si nos preocupamos de ajustar bien las cosas, no tendremos problema en disfrutar de los resultados.

El primer ejemplo del vídeo está basado en lo que veis en la figura. La intención era crear algún sonido AM simple (muy simple) para ilustrar el artículo. Ese primer ejemplo deja oír cómo cambia el resultado cuando en lugar de oír un diente de sierra (que es lo clásico en sintes sustractivos básicos para crear cuerdas) decidimos aplicar un ‘ring’ que multiplique el diente por una senoide. Aplico una envolvente para controlar ataque y liberación, pero es sólo de amplitud, no hay ningún filtro. Y aplico vibrato desde un LFO mediante control por aftertouch y por una rueda. Muy pocos elementos, tal como podéis apreciar. El oscilador 1 está generando una señal intermedia entre diente y triángulo (para que no tenga tantísimo brillo como un diente puro).

He partido de ajustar los dos osciladores a la misma frecuencia. Con esa estructura sencilla (y algo de reverb para dar ambiente) está realizada la primera intervención que muestra el vídeo.

A los que digáis que la diferencia no es tanta con un diente filtrado, os diría que escuchéis más detenidamente. El uso de filtros paso bajo (los habituales en sintes) y dientes de sierra da lugar a un resultado que, tras haber trabajado un tiempo en síntesis, en seguida ‘delata’ el origen sintético. Se nota la presencia del fundamental con un nivel potente.

El fundamental es el parcial más enérgico en el diente (y en el pulso, y en el triángulo, etc.). Y un filtro paso bajo (salvo por el uso de la resonancia, que afecta al entorno de la frecuencia de corte) no elimina esa presencia de un fundamental que es más intenso que los armónicos inmediatos siguientes.

En muchos instrumentos no sucede esto. Por ejemplo, al frotar las cuerdas o pulsarlas en una zona que no es ‘central’ en relación a su longitud, sino más cercana al puente, el fundamental no es el parcial más fuerte.

Por cierto, ya que estamos, esa es una utilidad habitual para los filtros paso alto que en varios sintetizadores aparecen. Probad a ajustarlos para retirar / rebajar el fundamental, o los dos o tres primeros parciales. Casi siempre se obtiene un resultado agradable, natural, y mucho más descargado cara a una producción/mezcla con otros sonidos dentro de un tema. El exceso de presencia del fundamental en tantísimos sonidos de sintes demasiado básicos (sólo con LPF) es una fuente habitual de problemas y ese HPF está ahí para algo.

La modulación del diente mediante un seno nos permite desplazamiento del ‘centro de gravedad’ espectral. Y con ello también el fundamental deja de ser el más alto, rebaja su presencia. Es otra estrategia, pero con diferencias respecto al uso de un mero filtrado.

Vamos sobre eso último que mencionaba: la posibilidad que ofrece la modulación en amplitud / ring de trasladar el centro de gravedad espectral. Sin más que modificar la frecuencia del seno, podéis ver en el vídeo todo un repertorio de sonidos válidos para fraseos solistas y muy diferenciados entre sí. Es la misma arquitectura sencilla usada para la frase del ejemplo anterior, con ese único cambio.

Al modificar el seno para que esté una octava por encima del diente, el resultado ofrece un notable ‘bajón’ de nivel sobre el segundo parcial. Ese agujero da lugar a que en la escucha domine la sensación de tipo ‘clarinete’.
Si busco otro punto dulce, ajusto por ejemplo +19 semitonos (octava más una quinta). Lo primero que apreciáis es un resultado de batido que delata una afinación ‘incorrecta’. Más bien debería decir no justa, no exacta: la quinta temperada hace de las suyas (no es exactamente una relación 3/2). Así que manos a la obra con el ajuste fino de afinación del oscilador senoidal. Aprox. añadiendo dos cents, consigo frenar el batido. Logrado eso, escuchamos y vemos en el vídeo qué sucede con esa distancia +19 semitonos. El ‘centroide’ espectral se ha desplazado algo más arriba y tenemos un sonido más brillante, en el que además el efecto clarinete ya no está (ahora el ‘hueco’ está en el parcial 3 y no genera esa sensación).

Continuando la tendencia, salto a intervalo +24. El centroide empieza a marcar una zona de cierto carácter ‘nasal’ (no sé a vosotros, a mí el resultado me trae a la memoria el sonido de algunas melódicas).

En definitiva, con un retoque mínimo, nos hemos salido del reducido territorio de los senos, triángulos, dientes o pulsos. Hemos podido convertir un sonido inicial en toda una colección variada de timbres, que evocan sonoridades nada relacionadas la una con la otra. Añadiría que son también sonoridades nada frecuentes en sistemas dotados sólo de filtros paso bajo, y sobre todo, que estamos obteniendo esas modificaciones espectrales sin usar en ningún momento filtros (he marcado ‘disabled’ en la sección filtros del Alesis Fusion, os lo garantizo).

Y aún tenemos ‘dormido’ el recurso de los filtros, que permitiría seguir profundizando en diseñar un sonido de acuerdo a nuestros intereses. Deberíamos considerar las técnicas de AM como un complemento, no un reemplazo, a las técnicas más clásicas sustractivas. Frente a la reducida colección de diente/pulso/triangulo/seno, AM nos permite forzar otras formas de onda. Esas nuevas señales son normalmente muy ricas en armónicos y un material adecuado para ser tratado a continuación con las típicas bondades del filtrado, con el que podemos incorporar unas posiciones de realce fijas (en AM los realces obtenidos se desplazan cuando nos movemos por el teclado -lo veis en el vídeo-).

Ciertamente en estos ejemplos estamos rascando sólo los usos más fáciles de las técnicas de modulación en amplitud. Pero lo hago a propósito para no desviarnos de lo que la mayoría de vosotros podáis encontrar en sintes que no sean hiperexclusivos. El apartado AM / Ring no es precisamente uno de los que suele recibir más atención, y no suele haber en los sintetizadores arquitecturas demasiado flexibles para su uso.

Salvo que tengáis sistemas de síntesis que os permitan modificar la ruta audio (cosa que sólo suele aparecen en modulares, analógicos o digitales), los anillos los veréis como un elemento opcional inmediato posterior a los osciladores y anterior al filtro. Pero sin posibilidad de, por ejemplo, aplicar envolventes a la salida de los osciladores antes de atacar al anillo o modulador AM.

Eso hace que el anillo produzca un cambio en la forma de onda (sustituimos el diente por esos otros sonidos que hemos oído), pero no nos facilita realizar variaciones durante la nota de la forma de onda. ¿Debemos por tanto acudir al filtrado posterior?

Realmente nada lo impide, porqué no. Es bueno combinar todas las posibilidades.

Pero hay cosas de todas formas que sí pueden hacerse aún en cuanto a la parte de modulación en amplitud. Recordaría una de las que teníamos en el decálogo: modificar el control ‘shape’ de un oscilador modifica su contenido espectral. En muchos sintes hoy tenemos un control para variar de forma continua entre diente y triángulo. El diente es el extremo más brillante de ese recorrido y el triángulo el más apagado. Si trasladamos espectralmente esa onda mediante AM/Ring, el control shape será un control de la apertura del espectro entorno al centroide determinado por la portadora. Un control de ‘ancho de banda’ sin filtro.

Otro de los ejemplos del vídeo usa nuevamente el Alesis Fusion y su ring. En esta ocasión para multiplicar entre sí dos dientes (algo modificados con ‘shape’ para que queden intermedios hacia un triángulo y así eviten tantísimo brillo). Esa ha sido la base para generar un sonido de metales un tanto estridente (o forte, si queréis) que me gusta espacialmente para hacer una especie de tuba que marque línea de bajo y para recrear un sonido de brass sintético para acordes en registros más altos.

He introducido una envolvente que hace una inflexión (muy ligera) de tono en la moduladora en el ataque de cada nota. Eso permite que el ataque sea inarmónico pero que confluya a un resultado armónico de forma continua y veloz. Con eso puede controlar el ‘petardazo’ inicial en los metales. Ese golpe de aire descontrolado que inevitablemente acompaña la activación de la nota en un metal ‘forte’. Aporta una energía que enseguida se encuadra en un marco armónico, pero que inicialmente no lo es.

Jugando con la duración de esa envolvente y con la intensidad de su actuación, podríais conseguir diferentes matices para ese golpe. Si llevaramos ese control a alguna rueda, tanto mejor (aunque no lo he hecho en el vídeo) para poder diferenciar unas y otras notas. Podríais dilatar/acortar o intensificar/rebajar ese efecto.

He jugado con la afinación a través de LFOs y de nuevo de forma muy liviana y lenta, para evitar que el resultado sea una serie armónica perfectísima y estable. Hay cierto ‘movimiento’, apenas perceptible, en ese sonido. Lo he querido introducir porque es propio de metales, una cierta inarmonicidad en la serie, no es perfecta. Nuevamente podríamos haberla hecho controlable desde ruedas u otros elementos.

En ese caso lo he aplicado mediante un LFO que no es global, sino particular para cada voz. Así, en al interpretar varias notas, ese apenas atisbo de inarmonicidad es autónomo para cada una de ellas. Da individualidad a cada voz y ofrecer una mayor sensación de conjunto, de separación de voces.

El último ejemplo del vídeo es un ejemplo de transición. Parte del sonido que hemos comentado y que constituía el primer ejemplo del vídeo. Ese con una arquitectura muy simple: diente y senoidal de la misma frecuencia combinadas en un ring. La única variación que he realizado es añadir un poco de modulación FM del oscilador 2 (el senoidal) sobre sí mismo.

De golpe, un sonido que difícilmente podíamos asociar al chelo/viola/violín que andaba buscando crear, ha tomado un carácter mucho más cercano al objetivo. Pero la FM nos espera en próximas entregas.

No está de más que conozcáis, probando con ejemplos simples como esto de las dos portadoras, qué es lo que realmente ofrece vuestro sinte en materia de modulación en amplitud. En el Alesis Fusion que usaré yo hay un modulador en anillo que permite multiplicar la señal de un oscilador por la de otro (o incluso una multiplicación de tres osciladores) pero sin ajuste de índice de modulación. Es un ring puro.

A veces hay sorpresas: el ‘ring modulator’ del Modular V de Arturia que usé para los ejemplos de la entrega anterior, realmente tiene un control de profundidad de modulación que permite obtener señales tipo ‘AM’ con ajuste del índice de modulación o llegar en su extremo máximo al comportamiento de anillo con desaparición de esa raya central.

Os comentaba que ya desde los tiempos del D50 y hasta la extensa prole de la familia Fantom, Roland viene introduciendo en sus sintes digitales moduladores en anillo pero que a menudo pasan desapercibidos. Voy a aprovecharlo como ejemplo.

En muchos sintes Roland un sonido usa hasta 4 generadores, que se agrupan de dos en dos formando lo que llaman estructuras. Las estructuras son disposiciones de dos generadores WG (‘osciladores’), dos filtros TVF y dos amplificadores TVA, con sus correspondientes envolventes (una en cada WG para pitch, otra para frecuencia de corte en cada TVF, otra para nivel en cada TVA). En varias de esas estructuras veréis una caja ‘R’. Se trata de una multiplicación, un modulador en anillo.

Pensad por vosotros mismos las posibilidades que ofrece cada una de estas seis estructuras. Os comento sólo aspectos muy básicos de un par de ellas, y así el resto sirven de ejercicio. Si entendéis qué puede aportar cada una de ellas demostráis haber entendido muy bien todo lo que venimos hablando.

La estructura 5 usa dos generadores. Uno de ellos puede afectarse por una envolvente de nivel, pero salvo por ese detalle está usando el Ring directamente entre los osciladores, todo el filtrado es posterior, etc. Y lo único que se entrega a esos TVFas y TVA final es la salida del Ring.

En el caso de la estructura 10 tenemos la posibilidad de filtrar el resultado de cada WG antes de ir al Ring. Eso es útil para poder concentrar el espectro de las señales que van al anillo. Si son señales con una ancho de banda recortado la explosión armónica será menor, tendremos más control (volved al capítulo del decálogo y su vídeo, era uno de los ejemplos). Además veis que además de la salida del Ring, también se propaga hacia el final una de las dos entradas. Permitiría ese juego de ‘reintroducir’ la portadora que os he comentado hoy, para ‘llenar el hueco’ y obtener un resultado de tipo AM pese a usar anillo.

Cosas de ese tipo son las que tenéis que pensar cuando analicéis estos diagramas en vuestros propios sintes. Ahora que sabéis entender mejor qué hay implícito en los anillos y los moduladores de amplitud, ya no hay excusa para dejarlos dormidos. Tenedlos presentes como un recurso más en vuestro catálogo de técnicas de creación de sonidos.