Ir. M.T. Verelst
Dit document geeft verslag van de huidige kennis van zaken die zal leiden tot een implementatie van een synthesizer, type Retro. De eerste versie hiervan zal gebaseerd zijn op een synthesizer die ca. 15 jaar geleden is gebouwd en veelvuldig gebruikt door de auteur, met enige uitbreidingen.
Het doel van deze memo is overzicht geven over de beschikbare kennis, de mogelijkheden om de benodigde onderdelen te verkrijgen, de benodigde tijd en faciliteiten om tot een werkend prototype te komen, globaal aan de geven hoe het onwerp werkt, en tamelijk gedetaileerd hoe de electronische, digitale en mechanische constructie er uit zien.
De bedoeling is aan te tonen dat met zeer beperkte middelen en tijd een werkend prototype te fabriceren is, wat bovendien, afhankelijk van de geimplementeerde versie, interessante klanken kan voortbrengen en muzikaal bruikbaar is. In ieder geval is de gekozen kombinatie van technieken geen alledaagse, zodat het overall ontwerp in ieder geval unieke eigenschappen heeft, hoewel meteen opgemerkt moet worden dat het ontwerp beperkingen heeft die, afhankelijk van de gekozen versie, meer of minder serieus zijn voor bepaalde toepassingen, zoals het mogelijk enkelvoudige VCF VCA signaalpad, het mogelijk ontbreken van sustain, en het mogelijk beperkte klankpakket.
Binnen de gekozen opzet zijn al deze beperkingen in meer of mindere mate op te heffen, en het is een interessante vraag in hoe verre de kosten daarvan opwegen tegen een totaal andere, geheel gedigitaliseerde DSP benadering, te noemen DRETRO, en hoe zwaar de nadelen daarvan wegen, zoals de onvermijdelijke key-press to sound delay, relatieve phase constantheid van de oscillatoren, onbreken van een combinatie van vele toonvormende eigenschappen van niet mathematische electronische onderdelen (toevoegen van verschillende vormen van niet-lineare, intermodulatie, en vertragings gebaseerde vervorming).
De in dit document beschreven versies zijn min of meer opeenvolgend en parallel uitvoerbaar, en kunnen alle als serieus muziekinstrument opgevat worden, een statement die eenvoudig gestaafd kan worden uit het feit dat een dergelijk ontwerp jarenlang deel heeft uitgemaakt van de synthesizer/keyboard setup van de auteur.
Zoals in de inleiding al vermeld is de grondgedachte van het ontwerp gebaseerd op de wijze van toonopwekking in een electronisch orgel gecombineerd met het signaalpad van een analoge synthesizer.
hoog frequent oscilator halve tonen deler circuit oktaaf deel circuit signalen op toetsen mengversterker omhullende generator+VCA filter eindversterker
Verder is voorzien in een verstembare laag frequent sinus oscilator die zowel gebruikt kan worden om de VCA (spanningsgestuurde versterker) als de hoogfrequent oscillator te moduleren, om respectievelijk tremolo en vibrato effecten te bewerkstelligen.
Duidelijk zijn de orgel en synthesizer opzet te zien, waarbij opgemerkt moet worden dat de halve toons en oktaaf delers digitale circuits zijn, in tegenstelling tot wat in toenmalige electronische orgels gebruikelijk was, en dat het genereren van de tonen over bijvoorbeeld 5 oktaven het eenvoudigst te verwezenlijken is voor blokvormige signalen.
Ook moet opgemerkt worden dat vanuit synthesizer oogpunt het wenselijk is om ook de toonhoogte met een omhullende generator te moduleren, hetgeen mogelijk is door het moduleren van de hoog frequent oscillator, maar dat dit dan wel tegelijk voor alle toetsen gebeurd.
Hetzelfde geld voor de omhullende en als dit verstembaar is ook voor het filter, dat het voor alle toetsen tegelijk werkt, hetgeen bij bijvoorbeeld piano achtige klanken zeer onwenselijk is, omdat het betekent dat alleen alle tonen tegelijk kunnen uitdempen of opniew tot volledige amplitude kunnen worden opgestart, en dat het filter voor alle toetsen tegelijk werkt. Om de omhullende te starten kan een extra rij kontakten gebruikt worden, of de mix-lijn, waar alle ingedrukte toetsen hun signaal op zetten kan een signaal sensor aansturen die een trigger puls genereert.
De spanningsgestuurde versterker en gekoppelde omhullende generator zijn nog steeds alleen globaal, voor alle ingedrukte toetsen tegelijk, beschikbaar, hetgeen de toepassing zodanig beperkt dat hier niet al te veel aandacht c.q. kosten voor op hun plaats lijken. Hoewel niet het gehele ontwerp spanningsgestuurd is zoals een algemene analoge synthesizer is het signaalpad hier wel mee te vergelijken, met dien verstande dat het wellicht wenselijk is de top oscilatoren (beperk) spanningsgestuurd te maken, en met hieronder vermelde opmerkingen. Als zodanig opgevat is het een analoge synthesizer met de mogelijkheid om in plaats van de meest populaire opzet met 2 verstembare oscilatoren een akkoord aan het begin van het signaal pad te genereren. In die opzet is het de moeite waard wat meer aandacht te schenken aan de omhullende detektor, de generator, en de gestuurde versterker.
Het filter als toonvormend element daarentegen is in iedere opzet van belang. Meteen moet weer opgemerkt worden dat er een significant verschil is met de meeste moderne analoge met microprocessor uitgeruste synthesizers, waar in de betere uitvoeringen iedere ingedrukte toets een apart filter tot zijn beschikking heeft, tegenover een globaal filter in de Retro 1. Daarentegen zijn alle tonen in de retro 1 tegelijk beschikbaar, ook voor in orgel wereld in gebruik zijnde `elleboog op het klavier' technieken, en bovendien zonder enige vertraging. Verderop bij de beschrijving van verdere versies van de Retro zal verder worden ingegaan op de voors en tegens van de verschillende architecturen, welke ook een rol spelen bij de opzet van de digitale versie, de DRetro.
Het filter kan spanningsgestuurd worden uigevoerd, hetgeen meer investering in tijd en wat meer onderdeel kosten met zich mee brengt, en kan uiteraard in verschillende versies worden gebouwd, waarbij de grootste verschillen te vinden zijn in de filter karakteristiek. Uitgaande van de meest voor de hand liggende uitvoeringen van een laagdoorlaat filter is de karakerisatie hoofdzakelijk een keuze van de steilheid van de overdracht afname boven de kantel frequentie, en de kantelfreuqentie zelf. Een verstembaar 6 decibel per oktaaf filter is zeer eenvoudig te realiseren met een potmeter en een capaciteit, en een 12 dB/oct idem met een algemeen verkrijgbare stereopot. Twee van dergelijke secties in cascade leveren de algemeen gewaardeerde 24 dB/okt karakteristiek op (in twee delen), en het is mogelijk iedere sectie afzonderlijk, of beide gezamenlijk van feedback te voorzien om de filter karakteristiek een resonatie piek te geven rond de afsnijfrequentie.
De bestaande versie van Retro heeft een gecombineerd circuit wat zorg draagt voor mengversterking, oversturing (gewenste niet-lineare signaalvervorming) spanningsgestuurde versterking en (beperkt) spanningsgestuurde filtering door de omhullende generator. Het is goed mogelijk dat een cascade van een gereengineerde versie hiervan uitstekend dienst kan doen, zonder de noodzaak voor al te veel investering.
Een algemene hoog en laag component toonregeling of een meer uigebreide filterbank (equalizer) kan gebruikt worden om het geluid verder aan de gebruikers wensen aan te passen. Het is de vraag of hiervoor niet eenvoudig op mengpanelen en versterkers bestaande circuits gebruikt kunnen worden voor versie 1.
De meng-rail signaal detector is eenvoudig op te bouwen met een algemeen comparator gebaseerd circuit, de omhullende generator kan in vele versies worden gebouwd, waarvan een eenvoudige een variable attack, decay tijd en sustain niveau heeft (standaard synthesizer lingo voor stijgtijd, gedeeltelijke terugval tijd, en stabiel signaal niveau), direct gegenereerd uit de signaal detektor uitgangspuls. Een voordeel van de toegevoegde detector en omhullende generator is dat als geen toets is ingedrukt, de ruis die alle toetsen desondanks op de menglijn genereren wordt onderdrukt, hoewel daar met gebruik making van de juiste impedanties nauwelijks een probleem van te verwachten is. Het nadeel is dat daardoor een deel van de voor sommige orgels zo karakeristieke klik die gegenereerd word door het `denderen' van de toetesen verdwijnt.
In de bestaande Retro is gebruik gemaakt van 1 instelbare laag frequent sinus generator, die in iedere gewenste combinatie tremolo en/of vibrato kan genereren. De opzet is die van een drievoudig RC faseverschuivings netwerk en een enkele transistor feedback versterker, waarbij een van de fase verschuivingsnetwerkjes instelbaar is, zodat de oscilatie frequentie instelbaar is tussen ca. 0.5 en 10 Hz, zonder al te veel vervorming te introduceren. Het zou mogelijk zijn ook andere laagfrequent golfvormen zoals driehoek, blokgolf, zaagtand of zelf ruis te genereren, maar de praktijk is dat voor de gewenste tremolo en vibrato effecten een sinus verreweg het aangenaamst klinkt. Voor geluidseffecten ligt dit anders.
Voor audio versterking kan gebruik worden gemaakt van externe versterkers en luidsprekers, met als voordeel dat deze niet in het ontwerp hoeven te worden meegenomen, en als nadeel dat ze niet aangepast kunnen worden aan de toonopwekkingseenheid om een beter klinkend geheel te krijgen. Het is te overwegen om een basis versterking in het prototype aan te brengen, bijvoorbeeld als gebruik word gemaakt van een houten kast, eist het niet veel investering om een redelijke luidsprekerset en eindversterker (kant en klaar of eigen ontwerp) in te bouwen, afhankelijk van de gevraagde portabiliteit en energie consumptie.
· het toetsenbord en de kast met interactie onderdelen
· de electronische opbouw printplaten en bedrading
· de electronische en digitale onderdelen.
Een toetsenbord kan bestaan uit elk formaat toetsenbord uitgerust met een enkel maak kontakt per toets, zoals in bijna elke synthesizer, keyboard or orgel gebruikt word. Het is mogelijk het toetsenbord een bestaand apparaat te gebruiken, bijvoorbeeld wegens een defect of overbodigheid, of een nieuwe kast met keyboard zelf te fabriceren. In het laatse geval is er natuurlijk alle vrijheid om een eigen ontwerp te doen, voor een prototype zou een houten kast met een van eigen chassis voorzien keyboard, zoals in de oorspronkelijke Retro uitstekend voldoen. Als practische noot blijkt bijvoorbeeld DIL electronica in Rotterdam 49 toetsen (4 oktaaf + 1) toetsenborden te leveren (ca Fl.130,-), en ongetwijfeld zijn er meer mogelijke leveranciers. De interactieve delen zoals knoppen, draaiknoppen en indicators (bijv. LED's) zijn eenvoudig en relatief goedkoop verkrijgbaar, zolang geen ingewikkelde displays benodigd zijn. Voor de Retro-1 is dit het geval, voor latere versies ligt dit anders, zie verderop.
In het Retro-1 ontwerp is geen aanslaggevoeligheid opgenomen, omdat deze faciliteit het onwerp aanzienlijk compliceert, zoals aangegeven in een van de volgende Retro ontwerpen. Als een toetsenbord van een bestaand apparaat wordt gebruikt wordt maar een van de eventueel aanwezige dubbele kontakten voor aanslag snelheidsmeting gebruikt, daar is niets op tegen, dan kan het ontwerp later uitgebreid worden met aanslaggevoeligheid, of de andere rij kontakten kan voor een ander doel gebruikt worden. Bijvoorbeeld om de mengrails sensor te vervangen, of om een microprocessor in parallel ook het totsenbord te laten scannen. In deze beide gevallen is het te overwegen om de `diepste' kontakten te gebruiken, zodat de versterker `open' gezet kan worden voor de toets-klik optreed, en om de processor zo snel als mogelijk data te laten krijgen, bijvoorbeeld voor het genereren van omhullenden, zie verderop. Oudere electronische orgels, inclusief de gewilde Hammonds hebben veel meer dan 1 of 2 meng-lijnen, bijvoorbeeld 6 of 9 of nog meer, welke wel degelijk gebruikt kunnen worden, voor ongeveer hetzelfde doel als waar ze in draw-bar (schuif-) bediende orgels voor dienen, namelijk het verzamelen van verschillende signalen per toets die vervolgens centraal in een bepaalde, flexibele, mengverhouding samengevoegd kunnen worden.
Voor de kast zijn verschillende mogelijkheden relatief eenvoudig te realiseren, zoals de aanschaf van een keyboard met bestaande kast, mogelijk van een zeer eenvoudig, bijvoorbeeld computer, toetsenbord, of van een defect instrument, od het zelf maken. Een metalen kast heeft het voordeel goed af te schermen voor electromagnetische straling, zowel van buiten naar binnen als om te voorkomen dat radio ontvangst in de buurt onmogelijk is wegens de zeer hoog frequent harmonischen bevattende digitale signalen van de halve toons en oktaaf delers. Dit laatste kan ook bereikt worden door zilverfolie afscherming, hetgeen de voorkeur verdient als geen uitgebreide set metaalbewerkingsgereedschappen ter beschikking staan. Een plastic kast, als beschikbaar, is relatief eenvoudig te bewerken, van knoppen e.d. te voorzien, en lichtgewicht, zij het misschien wat breekbaar. Een houten kast kan zeer goedkoop en met relatief eenvoudige gereedschappen vervaardigd worden, en heeft als voordelen de mogelijkheid een redelijke geluidsreproductie eenheid in te bouwen, en een behoorlijke duurzaamheid, eventueel met de hulp van aluminium of metalen hoekprofielen. Een nadeel kan het gewicht zijn.
Met betrekking tot de manier van opbouw van de electronische circuits is de vraag hoe professorisch een prototype is: het is mogelijk alle of een deel van de electronica op breadboards op te bouwen en deze met enkele schroeven in de kast te monteren. Dit is wellicht ongewoon, maar het heeft het grote voordeel dat het totale ontwerp zonder moeite herbedraadbaar is, enigszins ten koste van de betrouwbaarheid, en wellicht van de kostprijs. Eigen ervaring van de auteur leert dat een uit breadboard bestaand, soldide vastgezet circuit zelf herhaald langdurig vervoer op een fiets zonder een storing kan overleven, maar dat hoeft natuurlijk niet representatief te zijn... Het maken maken van printplaten (1/10 inch raster) kan globaal op twee manieren, door gebruik te maken van printplaten met vaste layout, bijvoorbeeld doorlopende banen, kopereilandjes, of DIL IC gerelateerde kort koperlijnen, of door printen fabriceren met de gewenste layout. In het eerste geval is printplaat relatief goedkoop, maar moet de bedrading volledig met de hand worden aangebracht, hetgeen varierende komplexiteit met zich meebrengt. De oktaafdelers bijvoorbeeld kunnen relatief eenvoudig op deze manier worden opgebouwd, en voor de andere delen is dit wegens het gebrek aan brede data of adres bus en relative vrijheid in de plaatsing van onderdelen ook redelijk te doen. Het verdient de voorkeur om in ieder geval de digitale circuits globaal te scheiden van de analoge, zodat twee printplaten de voorkeur genieten boven een grotere, die kunnen dan bovendien van verschillend type zijn.
Uiteraard is de fraaiste oplossing het layouten van de benodigde printplaten, bij voorkeur met een geautomatiseerd proces, en dze vervolgens te etsen. Er worden in de Retro-1 zeker geen onderdelen met penaftsand kleiner dan 1/10 inch (2.54 mm) gebruikt, dus zelf etsen hoeft geen groot probleem te zijn, een PC programma en een redelijke ets omgeving hoeven geen zeer grote investering te kosten, en zijn natuurlijk voor veel meer projecten doelmatig, vooral als in verdere Retro typen microprocessoren en zelfs custom DSP architecturen geprototypeerd worden is dit bijna een noodzakelijke investering.
Voor de Retro-1 is het een serieus alternatief om een kombinatie van printplaten en breaboards te gebruiken. Printplaten, in welke vorm dan ook, voor de delen die voldoende uitgekristalliseerd ontworpen zijn, en breadbords voor variable structuren. Het is zelfs uitermate nuttig om aan de buitenzijde van het instrument een breadboard te monteren, met bijvoorbeeld vastgelijmde verbindingen naar de interne circuits om uiterst effectieve patchbaarheid te realiseren, zoals analoge module gebaseerde synthesisers. Een breadboard kan eenvoudig honderden verbindingen bevatten, kost hooguit een paar tientjes, en heeft een dusdanig kleine verbindingsafstand dat kabel-afscherming in het algemeen niet noodzakelijk is. Ook intern kan het lonend en zeer doelmatig zijn om circuits in onwikkeling te bevatten. Als voldoende breadboards beschikbaar zijn is het een handige techniek om harde-kern flatcables in het apparaat beschikbar te maken met de benodigde signalen, die dan op standaard wijze in verschillende breadboards gestoken kunnen worden, zodat uitwisselbaarheid van circuits op breadboard niveau word bereikt. Sneller protyperen en testen van circuits kan bijna niet, en deze methode, gecombineerd met het uiteindelijk vast inbouwen van circuits die op printboards vastgelegd zijn verdient de voorkeur. Er zijn goedkope connectoren die ook harde kern flatcable of flatcable met eenvoudige connectoren accepteren die op printplaten de standaard verbindingen naar een breadboard kunnen overnemen. Op deze wijze onstaat een betrouwbaar, modulair, flexibel prototype dat zeer snel gewijzigd en uitgebreid kan worden.
De electronische en digitale komponenten kunnen vrij eenvoudig worden gevoed, omdat de eisen aan de voeding niet erg zwaar zijn. Het verdient de voorkeur om de digitale en de electronica apart the stabiliseren, hetgeen met spannings IC's erg eenvoudig is. De delers kunnen op elke spanning tussen ca. 3 en 18 V (HC logica wellicht een wat kleiner bereik) lopen, voor de analoge electronica is een dubbele voedingsspanning gewenst, eventueel met behulp van een gestabiliseerde spanningsdeling. Als netvoeding volstaat een relatief kleine tranformator, bijv. 2 keer 14 Volt, twee bruggelijkrichters en afvlak elco's en drie spannings stabilisator IC's, bijv. 7812, 7912 en 7805 (voor TTL-achtige logika). Een paar honderd milli Ampere is genoeg, zodat koeling geen probleem is, en kostprijs ook niet. Voor een eindversterker kan een eigen voeding worden ingebouwd met wat zwaardere specificaties en bijvoorbeeld een ringkern transformator. Het is zeer mogelijk het ontwerp te voeden met batterijen, accu's of bijv uit een auto-accu. Als dit een gewenste mogelijkheid is verdient het de voorkeur hier van meet af aan rekening mee te houden door het kiezen van low-power onderdelen, en bij voorkeur de analoge electronica op bijv. Enkelvoudig 12V te baseren, zoals in de originele Retro. Met de juiste ontwerp methode hoeft het stroomgebruik de paar tientallen milli Amperes niet te overschrijden. Voor audio versterking kunnen spannings verdubbelaars en spannings en stroom effective eindversterkers gebruikt worden, bijvoorbeeld opgebouwd uit MOSFETS.
De digitale componenten zijn hoofdzakelijk een hoogfrequent oscilator, een top-octave synthesizer, en een hele batterij tweedelers. De oscilator zal op frequenties in de orde van een megaherz oscilleren en kan wirden opgebouwd uit twee CMOS logische poorten, uitgebreid met een RD netwerk om de frequentie binnen redelijk grenzen te kunnen moduleren, of de VCO uit een PLL kan worden gebruikt voor een wat ruimere moduleerbaarheid, eventueel uitgebreid met lock mogelijkheid, bijvoorbeeld met een kristal of stabiele laag frequent oscilator, bijvoorbeeld uit een programmeerbare deler in hardware of in software voor latere Retro's met microprocessor. Locken van PLL of hoog frequent oscillator met een kristal is minder zinvol, omdat dan frequentie modulatie tot een zeer beperkt interval beperkt blijft. Er zijn mogelijkheden dit toch mogelijk te maken, bijvoorbeeld door de HF oscillator met een kristal te stabiliseren, en dit signaal met een exclusieve-or poort te mengen met een veel lager frequentie, die in ruime mate moduleerbaar is. Op die manier word alleen de relatief geringe afwijking beinvoed door de instabiliteit en onnauwkeurigheid van het modulatiesignaal. De laagfrequent oscillator is al eerder omschreven, en kan eventueel vervangen worden door een microprocessor gegenereerd signaal.
De oktaaf delers kunnen eenvoudig bestaan uit (74HC)4020 (uit mijn geheugen) dubbele 16 deler ic's waarmee een bereik van 5 oktaven wordt verkregen in het geval zes van deze circuits gebruikt worden. Tegen verwaarloosbare meerprijs kunnen ook negen oktaven beschjikbaar gemaakt worden, die dan vrijwel het gehele audio spectrum beslaan (bijv. 30 Hz tot 512 x 30 = ca. 15kHz), hetgeen nuttig kan zijn voor bijvoorbeeld de voorgestelde additieve zaagtand synthese. De top oktaaf deler is hoogstwaarschijnlijk nog wel tegen geringe prijs in chipvorm verkrijgbaar, en is anders te fabriceren uit standaard deler componenten. Het is te overwegen om een programmeerbare oplossing te gebruiken, een relatief eenvoudige meerfase fase accumulatie finite state machineof een micrprocessor zou dit kunnen verzorgen, met als voordeel de toegevoegde programmeerbaarheid, en als nadeel de toenemende ontwikkeltijd.
De analoge bewerking is voor de Retro-1 gebaseerd op opamps en FET's als variabele resistieve elementen, waarschijnlijk is de bovengenoemde mogelijkheid een om enkele gecombineerde VCA/VCF circuits in cascade te schakelen de meest aangewezen voor de Retro-1. Op die manier word het signaal interessanter, zij het dat de gebruikte modules (deels bewust) geen `HiFi' kwaliteit signaalbewerkers zijn, maar dat zijn goede gitaarversterkers ook niet.
Afhankelijk van de grootte van het toetsenboard, en van de mogelijkheid de mixlijn te splitsen is het te overwegen om het keyboard splitbaar te maken, bijvoorbeeld in een bas en begeleiding deel, en voor een breed toetsenboard mogelijk nog een `solo' deel. In dat geval is het wenselijk ieder deel een eigen analoog signaal pas te geven, zeodat in ieder geval de verschillende delen afzonderlijk instelbare eigenschapen hebben. Afhankelijk van de wensen en de beschikbare ontwikkeltijd kan een deel van het keyboard ool worden gebruikt om, bijvoorbeeld onder microprocessor controle, of spanningsgestuurd een heel ander type synthese te verzorgen. Zie hiervoor ook verdere Retro versie voorstellen.
De Retro-2 gaat verder waar de Retro-1 serieuze beperkingen heeft, te weten: per toets omhullende generatoren, grotere varieteit in golfvormen, en eventueel electronische sturing van toonopwekking, als voorbereiding op de DRetro-1. Er zijn versies denkbaar waar veel analoge signaalpaden gebruikt worden om bijvoorbeeld additieve synthese te doen, uitgebreide omhullende generatoren per toets gebouwd worden, en een ingewikkelde structuur om dit alles ook nog globaal instelbaar te maken, bijvoorbeeld de parameters van de omhullende generatoren. Het verdient de voorkeur om eerst op kleine schaal met de Retro-2 mogelijkheden te experimenteren, bijvoorbeeld door circuits voor een toets of een oktaaf te bouwen om een idee te krijgen van de wenselijke mogelijkheden.
Een relevante mogelijkheid is het maken van percussieve en van release (klank klinkt door na loslaten toets)
bevattende klanken met een zeer goede responsetijd, dubbele generatoren, en beperkt te varieren van harmonischen structuur.
De implementatie van een volledig polyfone synthesizer die de voordelen van direct toon-sturende toetsen kombineert met programmeerbaarheid en computeraanstuurbaarheid is wenselijk. CMOS analoge switches kunnen dit mogelijk maken, zelfs met behoud van de voor orgel simulaties soms wenselijke toets klik. Dergelijke switches (bijv 4 per chip in de 4066) kosten minder dan een kwartje per stuk en het is dus denkbaar om elke toets met enkele ervan uit te rusten, hetgeen natuurlijk wel een flinke bedrading eist, die dan bij voorkeur geetst wordt. Kombinatie met pulsbreedte sturing maakt het mogelijk behoorlijk flexibele modulaties en paramterinstellingen te realiseren, zij het dat enig experimenteren nodig is om te bepalen of dit ongewenste sampling internodulatieproducten oplevert.
Het is de bedoeling om hiermee zowel ervaringop te doen met het ontwerpen en bouwen van hoge kwaliteit analoge synthese units, als om latere digitale versies van dit type synthese te kunnen baseren op bestaande klanken en synthese-infrastructuren. Als voorbeeld is het bekend dat de bekende Moog filters een aantal zeer merkbare niet-lineariteiten in zich bergen, die voor een karakteristieke, muzikale klank zorgen. Ervaring met analoge versies van dergelijke circuits maakt het mogelijk deze later uiterst nauwkeurig digitaal te simuleren met behulp van circuit simulatie technieken.
Bovendien is het nog altijd interessant en verrassend om een set goede kwaliteit analoge synthesizer units vrijelijk te kunnen verbinden en gebruiken.
Uiteraard heeft dit wel wat voeten in de aarde, afhankelijk van de gekozen processor. De processor moet geprogrammeerd worden, liefst op een gestructureerde manier, en er moeten interfaces gebouwd worden, zoals analoge digitaal en vice versa omzetters voor bijvoorbeeld het lezen van controller waardes (pitch bend, modulatie, front paneel knop standen, etc.), en waarschijnlijk zal de behoofte aan een MIDI interface bestaan. Om verschillende zaken te timen zal waarschijnlijk een interupt gebaseerde methode wenselijk zijn, en de geheugen inhoud van het programmeerbare deel van de synthesizer moet vast worden gehouden als de voedingspanning wegvalt. Gelukkig zijn al deze technieken al anderhalf decenium togepast, en heeft de auteur ervaring met al deze zaken, maar dit is toch een niet triviaal stuk prototypering, wat bij vookeur op dusdanige wijze moet worden uitgevoerd dat de resulterende processorkaart ook in de toekomst nog bruikbaar is.
Verder onstaat de noodzaal voor een display eenheid, een of andere liefst alphanumeriek gegevensuitvoer orgaan. Een standaard methode is gebruik te maken van een LCD display, al dan niet met (dure) backlight voorziening, bijvoorbeeld 2 regels van 20 karakters met eigen karaktergenerator en beeldverversingseenheid (ca F40,-, uit geheugen). Grotere en graphische displays zijn wenselijk maar relatief duur. De auteur heeft in het verleden een display eenheid gemaakt gebaseerd op relatief grote 7 segment LED displays, die relatief eenvoudig te koop kunnen zijn. Het is relatief eenvoudig om bijvoorbeeld 16 van deze displays gemultiplexed aan te sturen, en het is zelfs mogelijk om er karakters op wer te geven, hoewel natuurlijk gebrekkig. Toch is het een valide optie voo een low-cost prototype, omdat dergelijke LED displays erg goed leesbaar zijn, geen last hebben van traagheid, en bovendien als ze niet op volle intensiteit branden ook redelijk low-power kunnen werken, zeker in vergelijking met een backlit display. Wel eens geprobeerd om op een donker podium snel even een synthesizer opniew in te stellen met behulp van zo'n pielerige, kijkrichting gevoelige LCD? Een beetje behoorlijke LED display is in een studio ook nog op tien meter afstand te lezen. Het zal niet voor niets zijn dat professionele aparatuur vaak enkele Led displays als toevoeging heeft, bijvoorbeeld om programmanummers te communiceren. Er zijn trouwens ook LED displays met meer segmenten, bijvoorbeeld 12, zodat karakters een beetje behoorlijk kunnen worden weergegeven.
Voor een low cost prototype kan een handheld computertje goede diensten bewijzen, bijvoorbeeld door het toetsenboard op het synthesizer frontpaneel te bevestigen, en eventueel zelfs door de display ervan te gebruiken, hetgeen waarschijnlijk kosteneffectief is. Nog aardiger is het om een remote controlled versie van zo'n palm database oid te gebruiken, er zijn er die twee richting infrarood communicatie van ascii karakters kennen. De auteur heeft even geexperimenteerd met een dergelijk apparaat wat voor ver onder de F100,= te koop was, en wat 4 regels van 20 ascii karakter kan weergeven, en getypede regels via infrarood kamerbreed kan versturen (zij het met wat batterijkosten). IR LED en fototransistor of het frontpaneel, 1 bit in en 1 bit uit aan de processorkaart en voila, een alphanumerieke afstandbesturing.
Het is ook een te overwegen uitbreiding om alle toetsen te voorzien van een instelbare sample, zodat elke toets anders kan klinken, maar wel de voordelen van totale polyfonie en snelle responsetijd behouden blijven. In feite is het dan mogelijk om het synthese deel van toonwiel gebaseerde orgels exact na te bootsen, maar dan is wel een sample generator en sample en hold + analoge multiplexer structuur nodig, welke in staat is voor elke toets met de bonigde sample rate samples te genereren. Globale berekeningen leveren op dat een goedkope DSP of een custom `random logic' board dit aan zou moeten kunnen.
Verder is dan de gehele synthese functionaliteit van de Retro-2 na te bootsen, en behoorlijk te flexibiliseren.
De DRetro-soft is een in software uitgevoerde versie van het bovenstaande, bijvoorbeeld door een bestaande DSP als basis te nemen. Er zijn Evaluatie boards met een DSP wat geheugen, een AD,DA interface en bijbehorende PC software al voor $99,= te koop, hetgeen een low-cost instap voor een dergelijk prototype mogelijk kan maken, maar zie ook hieronder bij de DRetro-62. Globale berekeningen leren dat een redelijke polyfonie voor voornoemde vormen van synthese haalbaar moet zijn, met alle voordelen van software synthese.
De DRetro-A is een software simulatie van de ARetro-1, een soort dedicated en beperkte versie van de verderopgenoemde software gebaseerde apparaten. Het model dient om het in software vangen van de analoge signaalbewerkings blokken van een traditionele analoge synthesizer goed onder de knie te krijgen en in basisversie beschikbaar te maken. Het is te overwegen hier een hybride versie van te maken, d.w.z. dat er ook nog analoge delen in kunnen zitten, zoals bijvoorbeeld geschakelde filter units. De polyfonie hangt af van de beschikbare rekenkracht, en van het aantal eventueel aanwezige analoge units.
Een dergelijk krachtige DSP is een goede basis om een software gebaseerde synthesizer te maken, die bestaat uit een communicatie infrastructuur om verschillende synthese, geluidsbewerkingseenheden en modulatoren efficient en flexibel aan elkaar te koppelen, en een zo algemeen toepasbaar mogelijke set van in software uitgevoerde synthesizer eenheden. Een krachtig intercommunicatie infrastructuur maakt het mogelijk om elke denkbare rekenstructuur op te zetten en klanken te laten voortbrengen, zolang als de totale rekencapaciteit niet wordt overschreden. Een door de auteur in het verleden geprototypeerd en getest inter-thread communicatiesysteem kan het zelfs mogelijk maken om zonder veel overhead de berekeningen over meerdere DSP's te verdelen.
Om deze interessante, want eenvoudige, flexibele, en krachtige, synthesizer te realiseren zijn software `blokken' of units nodig voor alle synthesizer functies, en liefst een overzichtelijke en krachtige manier om deze samen te voegen in de gewenste structuur. Ondertussen zijn op een PC al verscheidene van dergelijke blokken door de auteur geprototypeerd en getest, terwijl bovendien een grafische interface beschikbaar is die middels `blokken' en `draden' waarin op eenvoudige en intuitieve wijze elke gewenste, ook complexe structuur interactief ingevoerd en gewijzigd kan worden. Dit vooronderstelt natuurlijk wel de beschikbaarheid van een PC, of deze software moet op een of andere manier in de gebruikersinterface van de synthesizer worden beschikbaar gemaakt.
Als prototype is een koppeling van een synthesizer component met een PC geen ongelukkige, omdat dit de programmeerbaarheid zeer veel eenvoudiger maakt, immers alle op de PC beschikbare gereedschappen staan ter beschikking, en de PC monitor kan dienst doen als graphische interface, hetgeen beduidend meer gegevens zichbaar maakt dan de meeste, betaalbare, synthesizer displays. Nadeel is natuurlijk dat de synthesizer dan geen op zichzelf staand instrument meer is, wellicht is een portable PC een oplossing voor het portabiliteitsprobleem, aangenomen dat de koppeling met de synthesizer geen problemen oplevert. Uiteraard is de prijs van het systeem dan wel onmiddelijk met de prijs van een (portable) PC verhoogd.
Denkend in de richting van een prototype om te demonstreren dat een op een krachtige DSP gebaseerd software gebaseerd synthese systeem goed kan werken, is een koppeling met een PC in eerste instantie niet zo'n probleem. Sterker nog de beschikbaarheid van een door TI geleverd evaluation board maakt het een uiterst aantrekkelijke development (en zelfs research) opzet. Dit evaluatie bord bevat een 320c6201 DSP, een PCI interface voor snelle koppeling met een PC, een AD en DA interface, wat geheugen (paar megabyte, maar de DSP kan zelf dynamische RAMS aansturen, ook snelle synchrone versies, zonder de noodzaak voor extra hardware), en uitbreidings aansluitingen voor de DSP bus en voor meer geheugen, en is (op dit moment, juli 1998) verkrijgbaar voor ca. $1000,=, hetgeen gekombineerd met een niet al te ouderwetse PC (ervaring leert dat een >100MHz Pentium en 16 of 32 meg goed professioneel werkbaar is) een krachtige prototypeeromgeving vormt. De DSP zelf koste in 1997, zij het in erg grote aantallen, in de orde van $200,=, en is ingeschat op ca $50,= aan het eind van de eeuw.
De auteur is op dit moment onder andere aan het experimenteren met de programmeeromgeving voor bovenstaande DSP en evaluatie board. Kort gezegd komt het erop neer dat een volledige optimaliserende Ansi-C compiler voor het systeem beschikbaar is, en een assembler die automatisch de pipeline dataflow kan optimaliseren, zodat het mogelijk moet zijn om behoorlijk snel te ontwikkelen met een dergelijk systeem. De DSP kan, zij het natuurlijk relatief zeer traag, gesimuleerd worden in software, met volledige debugging faciliteiten zoals breakpoints, single stepping, ook op C-code niveau, en zelfs symbolisch variabele en natuurlijk register toegang. Via JTAG is de DSP ook zelf te debuggen, maar dan natuurlijk op hoge snelheid, en de PCI interface is beschikbaar om via een functiebibliotheek tussen PC en DSP te communiceren.
Uiteraard zijn er verschillende andere DSP's, Risc, en Cisc processoren die als platform kunnen dienen voor veeleisende synthese technieken, zoals de Analog Devices SHARC DSP's, die al vanaf $10,= te koop zijn, algemene processoren zoals Alpha's, Arms, HP Risc's, en verschillende Motorola processoren.
Nadat een prototype met bovengenoemde combinatie geproduceerd is, is een op zich staande synthesizer te maken waar alle software, eventueel zelfs inclusief gebruikersinterface en IO, op de DSP loopt, zodat een relatief zeer eenvoudig ontwerp wordt verkregen, wat bovendien volledig (her-) programmeerbaar is, bijvoorbeeld voor third party developers of software upgrades. Bovendien kan met nog niet bestaande synthese technieken geexperimenteerd worden.
Uiteraard hoort hier een kapabele gebruikersinterface bij.
Physical modeling is een techniek waarbij instrumenten worden gesynthetiseerd door uitsluitend de fysische materiaal eigenschappen waaruit een akoustisch instrument is opgebouwd te modeleren en te simuleren, en is zeer rekenintensief. De resultaten van de synthese van een op deze wijze goed gemodelleerd instrument kunnen echte instrumenten zeer dicht benaderen, en een groot voordeel is dat ale expressieve kwaliteiten van een instrumenten ook in de gesynthetiseerde versie aanwezig zijn. Een voorbeeld hiervan is de aanslag of intensiteit waarmee een instrument word bespeeld, die in het algemeen niet alleen het geproduceerde volume beinvloedt, maar ook het karakter van het geluid beinvloed. Dergelijke effecten kunnen in bepaalde mate ook wel in bestaande synthesemodellen een rol krijgen, maar in het algemeen alleen in zeer groffe benadering.
Het grootste nadeel van het gebruik van PM als synthese techniek is de grote rekenintensiteit die ze vergt. Wel zijn de meeste berekeningen met een vrij kleine set basisberekeningen te karakteriseren, die bovendien van een komplexiteit zijn dat ze met moderne computertechnieken behapbaar beginnen te worden voor synthesemodellen van interessante kwaliteit. Vanwege de kleine set benodigde basisberekeningen, die deels bestaan uit 1 of meerdimensionale zogenaamde golfgeleiders of `waveguides' (opgebouwd uit reeksen gekoppelde harmonische oscilatoren), deels uit vertraginscomponenten (erg eenvoudig op een DSP oid te berekenen), deels uit impedantie aanpassingcircuits, en deels uit generatoren met feedback, zijn de meest rekenintensieve ervan uit te voeren door een toegewijd synthese apparaat.
Een belangrijke uitdaging op dit vlak is dat de synthese techniek zelf nog nauwelijks de laboratorium phase ontgroeid is: er zijn wel verschillende implementaties gedaan, maar er is nog lang geen uitputtende verzameling PM `patches' van een redelijke doorsnede van de beschikbare akoustische instrumenten, en de modellen die er zijn zijn vaak nog beperkt.
Er is dus genoeg ruimte voor onderzoek, en al verkregen en te verwachten resultaten zijn zodanig dat het voor de auteur een van de belangrijkste redenen was om zich opnieuw op synthesizer ontwerpen te richten.