Síntesis (34): DX7 y Dexed, unos FM ejemplares

El sintetizador DX7 es la referencia en el mundo de la síntesis FM. Los hay más complejos y los hay menos, pero es el más conocido y nombrado. Antes de continuar profundizando en la senda del uso de la FM, dedicamos una entrega a conocer en profundidad la arquitectura de los DX7 a través de Dexed, un plug-in VST gratuito (mac y Win) que recrea un DX7 clásico. Hablar del DX7 o su encarnación como Dexed nos sirve de excusa para adentrarnos en las peculiaridades y nomenclatura de los sintes Yamaha DX y por extensión las de muchos FM de otros fabricantes que han clonado buena parte de las ideas presentes en ellos. Es interesante este alto antes de lanzarnos a dar el salto desde el par básico FM que ya hemos tratado hacia las estructuras complejas con múltiples operadores que son la esencia de una FM ambiciosa.

Dexed ofrece la comodidad de contar con todos los parámetros del DX7 en una única ventana de control y es compatible hasta el punto de poder cargar sus librerías, poder ser usado como editor de los DX o para cargar bancos y sonidos. De hecho viene con un buen número de ellos, tomados de los cartuchos ROM que Yamaha comercializaba para DX7. Si no tienes ningún FM, ya estás tardando en instalarlo.

Iremos desgranando hoy esta pantalla paso a paso, pero de momento aquí la podéis ver en su plenitud, como resumen de lo que define un sonido en un DX7.

Ya hemos visto en entregas previas lo más elemental de la síntesis FM, a través del estudio del par básico en el que un oscilador actúa como modulador y se usa para desviar la frecuencia de otro que actúa como portador. Con la llegada de los DX llegaron también los ‘operadores’. Acostumbrados como estábamos a preguntar por el número de osciladores y el tipo de filtros, entender, cuando llegaron por primera vez, qué ofrecían los primeros DX era una labor difícil. Oír cosas como ‘No tiene filtros’, ‘Sus osciladores sólo generan senoides’, ... eran frases que hacían temblar. Y ya para llorar era leer que llevaba ‘operadores y algoritmos’.

Los operadores, ya lo hemos comentado al presentar el par básico FM, son la reunión de un oscilador (senoidal) y de un generador de envolvente. Dado que el control del timbre se realiza en FM mediante el control del nivel del oscilador modulador, sobran los filtros. En realidad nunca vienen mal como complemento, tal como demuestran sintes como los TG/SY de Yamaha, o FM8 de Native, pero no son imprescindibles. Podemos lograr enormes variaciones de timbre jugando en el territorio estrictamente FM, sin acudir a filtros de ninguna clase. El nivel del modulador y su variación mediante una envolvente toman el papel protagonista para variar el timbre.

El verdadero poder de la FM llega cuando usamos un juego de 4 o 6 ‘operadores’ en lugar de un mero par básico.Para dotar de una extrema flexibilidad a los sintes FM, cada uno de los operadores/osciladores cuenta con su propia envolvente. No sólo eso, también cuentan cada uno con sus propios ajustes de sensibilidad a la velocidad, ‘keyboard level scaling’ y otros. Aquí tenéis, diseccionado para poderlo entender mejor, el conjunto de recursos que forman/rodean cada operador:

Desgranemos lo que se presenta en ese conjunto.

Por una parte está la posibilidad de definir la frecuencia que ha de generarse. Normalmente se usará el modo ‘ratio’ en el que cada nota genera una frecuencia diferente. ¿Dónde están los controles de octava y semejantes? De nuevo las peculiaridades de la FM. ‘Coarse’ y ‘Tune’ parecen familiares, pero no son exactamente control de octava y ajuste dentro de ella, sino controles de ‘ratio’.

Si la frecuencia de determinada nota es f (pongamos por caso 440Hz para un La central), una ratio de valor ‘1’ hará que ese operador produzca esa frecuencia f (440), una ratio de ‘2’ producirá 2f (la octava superior, 880), una ratio ‘3’ producirá 3f (1320, que es la quinta justa -no la quinta temperada-), y así sucesivamente. No es por tanto un paso por ‘octavas’ lo que permite el control ‘coarse’: recorre los sucesivos múltiplos/armónicos. El paso por octavas estaría definido por los valores 1, 2, 4, 8, 16, 32 que son los que aseguran que cada valor doble al anterior. Como en FM nos interesan relaciones enteras (no sólo octavas sino todos los otros posibles valores) este tipo de ajuste ‘ratio’ es el más apropiado y cómodo para sintes FM.

El control ‘fine’ permite gobernar los decimales de esa ratio, haciendo posibles ‘ratios’ intermedias entre los valores enteros, para asegurarnos entrar tan a fondo como deseemos en el mundo de las campanas y los sonidos inarmónicos, con parciales distribuidos de formas que no sigan una serie armónica.

‘Det’es un segundo ajuste que no es lo mismo que ‘fine’. Es un control que permite desplazar la frecuencia hacia arriba o hacia abajo en una cantidad idéntica para todas las notas, y limitada a unos pocos Hz como mucho. Lo hemos comentado otras ocasiones. Una desafinación interválica (como la que produce ‘fine’) original un valor de desplazamiento en Hz diferente para cada nota. El uso de ‘Det’ asegura la misma cantidad de Hz de desplazamiento para todas las notas, y con ello la posibilidad de producir batidos de velocidad uniforme a lo largo de todo el registro / teclado.

El modo 'fixed' permite hacer que el operador correspondiente genere siempre una misma frecuencia (sin variar con las distintas notas) que podremos especificar en Hz. Tiene uso para efectos especiales, sonidos no afinados como percusiones y ruidos, y sonidos inarmónicos.

‘Level’ no es más que un control maestro de nivel de la salida de cada operador, como si fuera su control de ‘volumen’ para entendernos. Aunque ya sabemos que los operadores moduladores no se escuchan y por tanto su nivel no define volumen sino la anchura espectral máxima que resultará de esa modulación.

‘Key vel’ establece cuánto queremos que se note la acción de la velocidad de pulsación sobre el nivel de salida de un operador. Un ‘Key vel’ elevado en un oscilador portador dará lugar a cambios de volumen en función de la velocidad. Sin embargo aplicado a un oscilador modulador, generará unos mucho más interesantes cambios de timbre. Como siempre, para que esos cambios se mantengan en una zona adecuada, a menudo subir el ‘Key vel’ nos obligará a bajar el ‘Level’, de forma que a velocidades bajas el nivel sea bajo y se note la adición de ese extra que aporta la velocidad de pulsación a través de ‘Key vel’.

‘A mod sens’ es un parámetro vinculado a la actuación del LFO. El parámetro ‘AMD’ del LFO ajusta la intensidad con la que el LFO puede llegar a afectar a la amplitud de los operadores, y en cada uno de los operadores terminamos de definir el alcance sobre cada uno de ellos con ‘A mod sens’.

A la envolvente dedicamos un apartado específico en este artículo. Sólo diremos de momento que no sigue el esquema ADSR, sino otro mucho más flexible. Como cada operador tiene su propia envolvente, tenemos una enorme autonomía. La envolvente en los operadores portadores modifica la intensidad con la que serán oídos, mientras la envolvente en los operadores moduladores modifica la intensidad de la modulación, es decir el índice con el que se modula la portadora y por tanto la cantidad de armónicos que se van a generar en torno a la frecuencia portadora. En definitiva, los aspectos tímbricos.

Adicionalmente veis que hay toda una sección (breakpoint, L/ depth, L/R curve, y rate scaling) dedicada a definir cómo se va a modificar el nivel de salida de cada operador a lo largo del teclado, para las diferentes notas. Es un elemento crucial de cualquier síntesis, pero más si cabe en FM. Lo detallamos en un apartado específico más adelante. De momento baste ver que no se trata de un único potenciómetro al estilo de lo que sucedía en tantísimos sintes analógicos clásicos (en los que un único parámetro ‘keyboard tracking’ permitía que el filtro estuviera algo más abierto / cerrado en uno u otro extremo del teclado). Aquí la definición del tracking es mucho más ambiciosa, mucho más personalizable y precisa.

Conocida ya la capacidad que ofrece cada operador, vamos a ver cómo se combinan. Salvo algunos chips FM que se usaron en máquinas de juegos y para las melodías de los teléfonos móviles de los años 80/90, si nos centramos en sintetizadores de propósito musical algo más ambicioso, un mínimo típico suele ser contar con 4 operadores, y el archiconocido DX-7 ofrece 6.

Los 6 operadores pueden ser usados en diversas formas de interconexión, que se denominan ‘algoritmos’ en términos de Yamaha, y que enseguida presentaremos. Esos algoritmos determinan cuáles de los operadores son portadores, cuáles son moduladores y a quién modulan. Además de los seis operadores y su esquema de interconexión, el DX7 ofrecía una envolvente dedicada para poder variar el ‘pitch’ de la nota durante su desarrollo, y contaba con un LFO que también veis reflejado en esta figura (con controles de onda, frecuencia, retardo, key sync, y además otros para definir cuánto va a actuar sobre el pitch y sobre la amplitud de los operadores), que aglutina así una visión íntegra del poder del DX7 para la síntesis.

Aquí tenéis representadas las 32 formas de interconectar los 6 operadores o 'algoritmos' que ofrecía el DX7 (también presentes en Dexed). Otros sintetizadores ofrecen algunas posibilidades más, o incluso la definición personalizada de la estructura (como sucede en el FM8 de Native, o en el Fusion de Alesis).

Varios de ellos incluyen la posibilidad de automodulación a través del cual un oscilador puede modularse a sí mismo, posibilidad que se denomina en los DX realimentación (‘feedback’) y que amplia muchísimo las posibilidades. La pondremos en acción en la próxima entrega con ejemplos en vídeo (permite generar ondas clásicas tipo diente de sierra, cuadrada, ruido,… y desde luego tiene un impacto enorme sobre los resultados.

Debéis interesaros en esas estructuras por distinguir la presencia de ‘columnas’, así como la posible ‘distribución’ de un modulador hacia varias portadoras, o a la inversa, la concentración de varias moduladoras sobre una misma portadora. Los operadores que aparecen en el nivel inferior son los portadores, y los que tienen vinculados por encima de ellos los modulan.

Para centrar la cosa (luego podréis pensar vosotros en el resto) voy a comentar algunos algoritmos seleccionados dentro de esa colección.

El 32 es posiblemente el más simple de todos y también el menos FM, no hay de hecho modulación (salvo por la automodulación que presenta el operador 6 a través de esa realimentación que veis pintada en este algoritmo). Se trata de usar los 6 operadores como portadores. Esa estructura permite hacer una síntesis de tipo ‘aditivo’ limitada a sólo seis parciales. Por eso mismo, y salvo casos muy peculiares, solemos acudir más a otras estructuras.

El algoritmo 5 permite el uso simultáneo de 3 pares FM básicos, tres juegos de modulador sobre oscilador. Recordando el poder amplio que ya tenía de por sí el par básico (mayor aún cuando el par contiene alguna realimentación) contamos aquí con un gran recurso para realizar sonidos complejos. Con ajustes semejantes en las tres columnas podremos generar sonidos ‘multivoz’ / ‘unison’ más densos. Pero también podemos usar ajustes muy diferenciados para realizar una especie de ‘layer’ de tres sonidos FM básicos. Un uso menos trivial, pero que es donde realmente llegamos a los resultados más serios, es cuando cada pareja la dedicamos a la reconstrucción de una parte del sonido final. Por ejemplo un par puede usarse para generar un transitorio inicial, y los otros dos para recrear el cuerpo principal y una resonancia destacada. Eso sí, nos lleva ya al mar de posibilidades que la FM ofrecía frente a la simplicidad de las arquitecturas entonces convencionales en polifónicos analógicos mucho más limitados en recursos.

El algoritmo 3 ofrece una estructura en dos columnas con tres miembros. Es por tanto una conexión ‘en cascada’ que se extiende más allá del par básico. Por ejemplo la conexión Op3 > Op2 > Op1 hace que el portador (Op1) reciba como modulador no la senoide que genera Op2, sino una señal compleja y rica en parciales que es el resultado de haber modulado con Op3 a Op2. De estas cascadas hablaremos y oiremos ejemplos en una entrega posterior dedicada a estas conexiones complejas más allá del par básico.

También en esa entrega hablaremos de cosas como lo que ofrece el algoritmo 22. Además de un par básico, veis cómo Op6 está modulando a la vez a tres portadoras diferentes (Op3, Op4, Op5). Una forma muy rápida de generar tres zonas ‘activas’ en el espectro, para dar lugar a otras tantas resonancias. Como los niveles de los tres operadores pueden ser diferentes (incluso con envolventes diferentes) el hecho de que compartan el mismo modulador no es tan rígido como parecería en un principio.

La estructura 16 actúa a la inversa de lo que acabamos de comentar: concentra la acción de varios moduladores (o cadenas de moduladores) sobre una única portadora. Nuevamente las posibilidades crecen y las trataremos en esa entrega futura.

El algoritmo 20 es un ejemplo una estructura que combina unas y otras posibilidades. En este caso junto a la posibilidad de dos moduladores (Op5 y Op6) actuando combinadamente sobre un portador (Op4) , contamos con un modulador único (Op3, con posible realimentación) atacando simultáneamente a otras dos portadoras diferentes (Op1 y Op2).

A efectos de completar la película, os dejo también imagen de los 8 algoritmos disponibles en los sintes Yamaha de 4 operadores. Son algo más simples que los de 6 operadores, pero pese a todo tienen suficiente interés y carácter y suenan claramente FM. Un 4 operadores es también un muy buen sinte FM y suelen estar a día de hoy tirados de precio en mercasonic.

Las envolventes en los DX se apartaron de la tradición ADSR aprovechando la mayor flexibilidad posible en digital. Usan un juego de parámetros peculiar, pero enormemente potente, que permite tanto crear resultados tipo ADSR como otros muy diversos. El precio: entender su nueva nomenclatura y el efecto de cada nuevo parámetro. Es sencillo, una vez que se conoce. Estas envolventes están basadas en cuatro pares de parámetros ‘rate’/’level’ (velocidad/nivel).

Rate1 (R1) es la velocidad con la que se alcanzará el Level1 (L1) tras arrancar la nota. Una vez alcanzado ese L1, la envolvente viaja camino hacia L2 a la velocidad R2, tras lo cual se aplicará R3 para llegar al nivel L3. Ese nivel 3 es el que define el nivel de ‘sustain’, en el que la envolvente permanecerá hasta que se suelte la nota. Tras soltar la nota se alcanzará el nivel L4 a la velocidad R4. Ese nivel 4 marca tanto el punto ‘final’ en el que se para la envolvente como el punto de arranque con el que nacerá.

Las diferencias con el tradicional ADSR son múltiples pero fáciles de asumir tras un poco de experiencia, especialmente con las facilidades de edición en pantalla que tantísimos editores (y el propio Dexed) ofrecen hoy. Entre las más llamativas:

• 8 frente a 4 parámetros
• Los parámetros ‘rate’ funcionan al revés de los tradicionales ‘tiempos’ en los ADSR. Un valor alto de velocidad implica un tiempo de transición corto y un valor bajo de velocidad implica un tiempo dilatado.
• La envolvente (¡por fin!) no tiene necesariamente que arrancar/acabar con nivel cero, puede hacerlo con un nivel cualquiera que establecemos con L4

Es evidente que se abren posibilidades inexistentes en los ADSR y sumamente útiles. Como ejemplo bastan algunas.

Una envolvente de doble decay es necesaria para generar la sensación de sonidos pulsados/percutidos, como piano, guitarra y tantísimas percusiones e igualmente útil para sonidos de bajo electrónico, de campanas, o para sonidos pensados para arpegiadores y secuencias tipo patrón. Una envolvente ‘sforzando’ es facilísima de ajustar y muy útil en metales (ese tipo de sonidos en sintes tradicionales llevaban a usar envolventes invertidas en el filtro y no tenían la flexibilidad que aquí existe: por ejemplo el ‘release’ era en esos casos de tipo ‘abriendo’ el filtro, bastante antinatural). La posibilidad de usar un doble ataque nos permite ajustar una forma de ataque más compleja que la rampa única de un ADSR tradicional, y en cierta forma imitar si lo deseamos envolventes con pasos de tipo lineal o de tipo exponencial. Y así podríamos seguir.

Pero además estamos en esos ejemplos sólo usando formas ‘clásicas’ que nacen y acaban en cero, lo cual es propio para envolventes que controlen el volumen. Nada impide en las envolventes de pitch o en las envolventes de los moduladores (que son las que gobernarán el timbre) usar envolventes que aprovechen la posibilidad de nacer y morir en puntos diferentes al cero. Con ello se hacen posibles envolventes con figuras inaccesibles a un ADSR.

La primera de ellas muestra un doble rebote inicial, la segunda es un ejemplo de envolvente invertida. Las tres primeras tienen la característica de un ‘release’ hacia arriba, que puede ser molesto en algunas ocasiones (pero que puede enmascararse con R4 muy bajo, que origine un tiempo más largo que el release previsto en la portadora) pero que es también un recurso del que se saca provecho en sonidos como los clavicordios (con su ‘redisparo’ al soltar las notas) o enteramente electrónicos. El cuarto ejemplo muestran la posibilidad de tener un punto de arranque diferente al punto de final y ambos distintos de cero.

Si tenéis en cuenta esta variedad y el hecho de que cada operador tiene su envolvente, todo un potencial enorme. Sin olvidar que hay una envolvente idéntica independiente para gobernar globalmente una curva de ‘pitch’ en el desarrollo de cada nota, útil para generar inestabilidades al principio o final de cada nota, por ejemplo.

En mi experiencia creando sonidos, no sólo en FM sino en cualquier técnica, en muchas ocasiones se llega a crear un sonido atractivo y en línea con el objetivo que se pretendía pero que sólo funciona adecuadamente en un registro corto. Más allá de unos pocos tonos arriba y abajo empieza a flaquear y desdibujarse. Cubrir un recorrido total de una octava puede ser fácil, pero extender la usabilidad y el carácter del sonido más allá exige una atención específica.

Los DX aprovechaban su carácter digital para ofrecer unas posibilidades de corrección generosas, muy avanzadas para la época. A día de hoy encontramos sintes que van incluso más allá (permitiendo definir acciones de key scaling con varios segmentos, o incluso curvas totalmente personalizables tecla por tecla), pero la solución en los DX7 es un buen compendio de simplicidad y versatilidad.

En la figura veis el esquema que acompañaba al DX7 para aclarar su funcionamiento y esos parámetros tal como los ofrece Dexed. Tened en cuenta que se ajustan individualmente para cada operador.

Lo que se facilitan es que el nivel de cada operador en lugar de ser idéntico para todas las notas puede variar. Podemos elegir un punto (un tecla) de referencia y desde ella de forma diferenciada hacia arriba y hacia abajo elegir una curva lineal o exponencial con una determinada profundidad.

Adicionalmente aparece un control muy simple (rate scaling) que permite hacer que las envolventes sucedan más rápidamente para notas altas que para notas bajas, una necesidad que es muy habitual.

La forma en la que suelo actuar con ese tipo de controles de Key Scaling es escuchar hasta dónde el sonido ‘aguanta’. Generalmente he creado el sonido probando en una determinada región de notas. Cuando ya tengo un sonido acabado, recorro poco a poco hacia arriba o hacia abajo (según hacia dónde quiera extender la usabilidad) hasta detectar un punto en el que el sonido ya sufre y empieza a no ser válido. En ese momento ya puedo definir qué valor dar al ‘breakpoint’ situándolo un poco antes de llegar a la nota crítica. Después todo es cuestión de probar con cada curva y diferentes intensidades hasta llegar a una compensación que haga más útil el sonido.
Por ejemplo, en FM es fácil que las notas muy altas presenten un exceso de aliasing. Se puede compensar bajando el nivel para ellas en los operadores moduladores (buscando cuál es el más responsable de esa acción).

Con todo lo mucho comentado hoy tenéis una amplia visión del funcionamiento del DX7, y muy extrapolable a otros sintes FM. Sólo por completitud, os comentaré unos pocos controles adicionales que hay en Dexed y que veis en esta última figura.

'Cutoff' y 'Reso' se refieren a un filtro paso bajo global y fijo que podemos ajustar y que son específicos de Dexed, no los busquéis en los DX7. Pueden tener utilidad para limar las asperezas en alta frecuencia de algunos sonidos FM, aunque en muchos de ellos esa aspereza es una de las características propias deseadas.

‘Level’ es el volumen global, y ‘middle C’ un control de transposición. ‘Init’ es útil para crear un sonido desde cero. ‘Mono’ permite retirar el comportamiento polifónico habitual para dejar un sonido a una sola voz que permita los clásicos fraseos de sinte solista.

En ‘Parm’ tenéis acceso a varios parámetros especiales, entre otros uno que permite decidir si queremos imitar los DX de la primera generación o de otras posteriores. Los primeros DX tenían unos conversores y filtros relativamente limitados que le impartían algo de su carácter. Por comparación las generaciones siguientes eran más limpias, con menos ruido y más ancho de banda.

‘Send’ permite enviar por Sysex MIDI el volcado (dump) del sonido que tenemos en pantalla.

‘Load’, ‘Save’ y ‘Cart’ permiten gestionar la conservación/recuperación de bancos de 32 sonidos (Dexed ya lleva incorporados en ‘Cart’ un buen número de bancos).

Store permite guardar un sonido (ya sea en el conjunto de 32 sonidos que tengamos cargado en memoria o hacia un fichero).

Ahora que ya tenemos contada la arquitectura de los DX con detalle, la próxima entrega volverá a ser en vídeo, mostrando ejemplos para ilustrar los resultados y uso del potencial que hoy únicamente hemos descrito. Allí os espero.