Síntesis (22): Wavetables, del PPG al Nave

La década de 1980 fue pródiga en alumbrar familias de productos comerciales que aprovecharon el impulso de la tecnología digital para concebir nuevas formas de realizar síntesis. Muchas de las estrategias aparecidas entonces, como FM, granular, o wavetable, entre otras, siguen presentes por sí mismas o combinadas con otras en productos actuales.

Hoy visitamos la síntesis por wavetables. Desde sus orígenes en los PPG hardware, a las nuevas versiones ‘plug-in’ de Waldorf o incluso la increíblemente barata y capaz versión disponible para iPad como ‘Nave’.

Wolfgang Palm y la batalla de los sintes en los 80

De sus trabajos durante la década de 1970, Wolfgang Palm acabó generando el concepto ‘wavetable’ y la empresa PPG. Las versiones iniciales de sus Wave están entre los primeros sintes digitales comerciales, y eran quizá un tanto ‘crudas’, exponiendo de forma evidente sus genes digitales.

El propio Wolfgang Palm escribió en 2008 sus memorias sobre la creación, desarrollo y desaparición de la compañía PPG, y pueden aún leerse desde su página web actual. Una historia contada en primera persona que os recomiendo, especialmente a los que tenéis un perfil más técnico/desarrollador. Sitúa magníficamente cómo fue la evolución del mercado de sintes en esos agitados años. Cómo llegaban los productos siendo aún prototipos al Musik Messe o incluso a la distribución y venta. Los problemas de la comercialización y la competencia. La presión de nuevas ideas y marcas que iban apareciendo elevando el listón con cada producto.

Es una descripción muy personal y sincera de cómo se vivieron esos años de tan intensa actividad por los fabricantes de sintes.

Centrándonos en el nacimiento del concepto Wavetable hay que situarse en el final de los 70. Una época pre-MIDI, en la que los microprocesadores empezaban a aparecer, eso sí, todavía de 8 bits y con muy pequeña capacidad de cómputo. Y una época en la que los desarrolladores de sintes analógicos como el propio W. Palm se enfrentaban a irrupción exitosa de la competencia japonesa (Roland, Korg, Yamaha…), y a la generalización de la polifonía por fabricantes americanos (Sequential, Oberheim…).

Para poder diferenciarse en ese entorno, W. Palm necesitaba salir de la rutina de los sintes analógicos que había ido creando hasta entonces de una forma prácticamente artesanal. Aprovechando sus primeras experiencias con secuenciadores implementados en digital y la llegada de los microprocesadores, concibió un sistema en el que la polifonía proviniese de una solución digital basada en microprocesador. Nació la primera versión de la serie PPG Wave allá por 1978: el PPG Wave Computer 360. Una máquina que pocos más allá de él mismo llegaron a conocer (afortunadamente, cabría decir) pero que inició la saga.

360 Wavecomputer

Pensamos desde la mentalidad sustractiva en un oscilador como algo que produce repetitivamente una misma forma de onda, para ser luego filtrada dando así variedad al desarrollo del sonido en cada nota mediante alguna envolvente, etc.

En los osciladores look-up table es un D/A alimentado con las sucesivas muestras de un ciclo de la señal deseada la forma en la que generamos esa oscilación repetitiva, ya sea rectangular, diente… Pero si podemos extraer de una memoria la ‘forma’ de la señal que ha de producir el oscilador… ¿porqué no hacer que en lugar de una forma fija haya un pequeño juego de formas, y que la variedad tímbrica se consiga visitando esa colección de formas almacenadas, pasando de unas a otras? Estamos ante una ‘wavetable’.

La intención de W. Palm era evitar la solución típica para la creación de un polifónico que implicaba reunir N sintes monofónicos (uno por cada voz) en un único chasis y que disparaba el coste al exigir N filtros, osciladores, etc.

El 360 Wavecomputer es la realización más descarnada de su idea (fotos: http://theppgs.com/360wavecomputer.html). Expande el concepto del oscilador look-up para intentar realizar directamente en digital no sólo la generación de la oscilación básica, sino también la variación tímbrica. Si en esencia un filtro LPF ‘retira’ armónicos superiores, puede pensarse en conservar internamente en memoria un juego de formas que correspondan a una onda básica sin filtrar y con diferentes grados de filtrado (retirando cada vez más armónicos superiores). Eso permitiría crear algo parecido a un barrido de filtro recorriendo las distintas formas de onda presentes en la tabla.

El concepto ‘wavetable’

De la propia página de esa ‘biografía’ de PPG narrada por Wolfgang Palm tomo esta figura que aparecía en el manual del Wavecomputer, en la que veis ilustrada la idea de una wavetable (en este caso la que corresponde a un diente de sierra y varias versiones filtradas).

Por cierto: no sólo el dibujo del manual estaba hecho a mano, también las propias formas de onda fueron definidas de una forma bastante intervenida manualmente. No había entonces las facilidades de edición y análisis que son comunes hoy y W. Palm estuvo midiendo con regla las distribuciones espectrales que ofrecían algunos libros de acústica para varios instrumentos.

En el Wavecomputer cada wavetable contiene 64 ciclos diferentes (ordenados de 0 a 63), cada uno de ellos de 128 muestras de longitud. Típicamente, como en la figura, los ciclos de número bajo son versiones muy filtradas que evolucionan en los números altos a versiones más generosas en ancho de banda. Usando una envolvente, como esa rampa de ataque que aparece en la figura, se recorren a lo largo del tiempo las distintas formas y por tanto se obtiene una variación tímbrica semejante a la apertura del filtro. La envolvente ya no es una señal analógica: basta tener una rampa numérica(de 0 a 63) a la velocidad deseada para realizar el ataque desde filtro cerrado a máxima apertura, y así con las demás fases del clásico APDSR (un ADSR en el que el nivel del pico inicial tras el ataque es ajustable, no tiene porqué ser del 100%). Las variaciones cíclicas: más de lo mismo. Basta subir y bajar el número del índice que apunta al ciclo en uso dentro de la wavetable. Y todo resuelto en una solución digital de muy bajo cómputo.

Podéis ver muy bien ilustrado el resultado en este vídeo que ilustra perfectamente las características de la síntesis con wavetables

Suena bien en el papel, pero no tanto como se podía esperar al oído. Esa realización estrictamente digital y con las limitaciones tecnológicas de aquellos años no permitía en absoluto una recreación de los típicos sonidos analógicos. Pero quizá precisamente por salirse de lo esperado y convencional, sí capturó cierto interés.

Las grabaciones eran a 8 bits, el estiramiento de esos ciclos para cubrir todo el rango musical era excesivo, no había una especial defensa frente a un aliasing que llegaba a ser gravísimo, los saltos entre distintas formas de onda pueden ser demasiado notables (especialmente con barridos lentos) y dar una sensación escalonada en lugar de una sensación de barrido continuo... sólo algunos de sus muchos ‘déficits’. Está también la cuestión de que esa tabla es unidimensional: recorre la apertura/cierre del filtro, pero no representa esa otra dimensión (la resonancia) tan propia de los analógicos. Pero hacer virtud del defecto es algo muy propio de cualquier ámbito creativo, como lo es la música. Esos ruidos y distorsiones, ese carácter ‘a saltos’ de la variación del timbre, etc. encontraron su utilidad musical, claramente contrastantes con la síntesis sustractiva que era estándar entonces.

Los PPG Wave 2, 2.2 y 2.3

El Wavecomputer dejó claro que había que dar algún paso más. El Wave 2 (1981) mantenía los 8 bits pero añadía un filtro analógico (CEM 3320, de 24dB/oct) a cada una de sus 8 voces. Mantenía también un único oscilador de tipo wavetable por voz, pero ampliaba el número de wavetables. Había un hibridaje por tanto entre lo digital y lo analógico, con esos osciladores basados en wavetables sometidos luego a un conjunto VCF, VCA, ENV analógico, para así ofrecer también algo del carácter de los sintetizadores más tradicionales sustractivos y complementar las nuevas vitaminas digitales.

Poco después el Wave 2.2 (1982) incorpora dos osciladores tipo wavetable para cada voz, lo que supone un salto importante en calidad por el juego de esa dualidad dentro de la voz, con dos wavetables funcionando a la vez y todo el enriquecimiento que posibilita esa dualidad de fuentes. Los VCF CEM se cambian por otros SSM 2044. La interfaz de uso ofrece una zona para el control de la parte analógica basada en pots, y otra para la parte digital con pantalla LCD y botones. Además se introduce un secuenciador que registra tanto las notas como las modificaciones del sonido en tiempo real a través de los controles (antes incluso de la llegada del MIDI).

[youtube]https://www.youtube.com/watch?v=zu0EsapgHfA [/youtube]

Dentro sigue existiendo un microprocesador de 8 bits de la familia Motorola 68xx (concretamente un 6809) como cerebro principal. Es un procesador muy básico frente a los de hoy, del tipo que podíamos encontrar en un Commodore 64. En 1984 se incorporó al 360 funcionalidad MIDI, lógicamente con las UART de la propia Motorola (6850) presente en muchísimos interfaces MIDI de entonces (de hecho la misma que usé para diseñar mi primer interfaz MIDI).

Este vídeo sobre la construcción de los PPG 2.x en la sede de PPG es un documento muy curioso, que incluso al final muestra a W. Palm en plena ‘demo’:

Si queréis cotillear el contenido de las wavetables, están disponibles para descarga en muchos sitios de Internet, o podéis verlas representadas en un espectrograma 3D en http://www.unofficial.waldorf-wave.de

En estos PPG existían una treintena de wavetables, cada una (como ya pasaba en el Wavecomputer) con 64 ciclos individuales, cada uno con 128 muestras de 8 bits. No es casual: entraban en 64Kbytes de ROM, un tamaño generoso en aquel momento pese a que hoy nos hace reír. Algunas wavetables se destinaban a recrear ondas clásicas filtradas tal como ya hemos mencionado, pero otras se adentraban en recrear la evolución del sonido de las notas de algunos instrumentos reales (la wavetable recorre el desarrollo temporal de la nota, no imita un filtrado), y finalmente las había también mucho más ‘esotéricas’, como por ejemplo wavetables que recorrían el sonido de las distintas vocales, u otras que combinaban un conjunto aleatoriamente escogido de ciclos con lo que ofrecían resultados disparatados y no oídos con anterioridad llenos de saltos tímbricos amplios.

También había tablas que recorrían 64 instantáneas de un barrido de PWM o de una señal sometida a ‘oscillator sync’, pero lógicamente el carácter escalonado de los cambios se deja notar.

Es el Wave 2.3 (1984-87) el que se hace más popular. Aporta mejora a 12 bits en las muestras, multitimbralidad, y otras cuantas funciones más para competir en un mercado ya muy cargado de novedades aquellos años. Basta recordar que incluía cosas como los DX, D50, Fairlight, Synclavier, Emulator, S900/S1000, Mirage,...

Para completar un PPG System más ambicioso existían complementos como módulos de ampliación de polifonía, y sobre todo el ‘Waveterm’ que permitía realizar sampling, editar las muestras, crear wavetables propias analizando sonidos grabados o definiéndolas espectralmente, etc. haciéndolo más cercano a alguno de sus competidores (incluyendo una pantalla de visualización a lo ‘Fairlight’ imprescindible para tanta edición profunda).

Wavetables en manos de Waldorf

La evolución del mercado acabó por matar la empresa PPG en 1987. Otros muchos productos, con precios más asequibles, junto con el agotamiento de la ‘novedad’ que en su día supuso la estrategia wavetable, desbancaron a PPG del puesto que tenía en la lista de los más sintes codiciados. Desecha la empresa PPG y adquirida su ‘inteligencia’ por Waldorf, las ideas de las ‘wavetables’ conocieron otra fase de desarrollo y productos, en la que aparecen cosas como MicroWave (1989) que lleva a formato rack las wavetables y posibilidades del PPG 2.3 pero combinadas ahora con filtros Waldorf. En 1993 aparece el enorme Waldorf Wave que abandona el formato rack y recupera controles dedicados para muchas funciones.

Más adelante surgen implementaciones programadas basadas en DSPs (circuitos específicos para procesado digital de señal) como el rack MicroWave II (1997) o las versiones con controles Wave XT en rack y XTk con teclado (1998-99).

En estos equipos Waldorf, gracias al avance tecnológico, puede perfeccionar algunas de las ideas originales, obteniendo una mayor suavidad en el recorrido por las tablas, menor aliasing, etc. Aunque lo cierto es que en muchos casos los usuarios buscan precisamente el carácter peculiar que esos defectos aportaban a los PPG originales y que estas mejoras esconden.

Wavetables en software

La cantidad de cómputo necesario para reemplazar la parte analógica hizo a Waldorf preferir en los 90 la implementación en circuitos específicos para DSP, pero ya en los 2000 los ordenadores personales habían crecido hasta permitir la existencia de versiones en plug-in de los Wave. En el año 2000 aparece el Waldorf Wave 2.V, y para la version Wave 3.V de 2011 Waldorf invoca la colaboración del propio Wolfgang Palm para restablecer el sonido original de los PPG originales recuperando sus defectos de aliasing y otras lindezas. En el video a continuación escucháis varias generaciones de PPGs hard y soft:

No sólo la posibilidad de seleccionar entre el comportamiento ‘puro y vintage’ de los PPG o la realización más elaborada ‘a lo Waldorf’, la versión 3 tiene otra amplia serie de añadidos y mejoras que podéis encontrar descritas en la página de Waldorf.

Incluso podéis descargar una versión demo que es usable durante 100 horas dentro de un plazo de 100 días desde la instalación (http://www.waldorf-music.info/ppg-3-evaluation)

Síntesis Wavetable para tiempos de crisis: Nave

Aunque seguramente los compañeros hispasónicos más conocedores del mundo freeware nos podrán recomendar otras alternativas, este recorrido por la síntesis wavetable lo cerraré hoy con una referencia a una app de la propia Waldorf que traslada al iPad una buena y muy versátil representación de los Wave. Con el nombre Nave (www.waldorf-music.info/nave-overview) ofrece dos osciladores wavetables por voz que disponen de las wavetables clásicas y otras nuevas, más oscilador ‘tradicional’ para diente, rectangular PWM, triangular y ruido, filtros Waldorf, … pero lo que me decidió a comprarlo es que puede usarse incluso para escribir una palabra o frase y construir automáticamente una wavetable que la lea, o incluso para analizar un sonido real (grabado) y generar una wavetable que lo recree y permita su manipulación. Un buen resumen por tanto de las posibilidades de los sintes wavetables y asequible para quienes cuentan con un iPad (https://itunes.apple.com/es/app/nave/id596036905?mt=8) y que quizá os muestre de forma más detallada en otra ocasión.