Síntesis de sonido por Frecuencia Modulada

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Este artículo trata sobre la síntesis de sonido por Frecuencia Modulada. Esta técnica si bien no es conocida por todos al menos si es escuchada pasivamente. Si viviste en los 80 la tenías presente diariamente a través radio y televisión. Si viviste en los noventa también en las tarjetas de sonido de los PC's y las consolas de videojuegos. Si eres más joven y lo tuyo es el siglo XXI la recordarás por los famosos politonos de los teléfonos móviles.

¿Pero qué es entonces esta omnipresente síntesis FM? Bien, es un modelo matemático capaz de crear sonidos complejos a partir de otros más simples aplicando ciertas fórmulas matemáticas de manera sucesiva. Por este motivo es idónea para ser usada en entornos digitales  y computacionales. Su fundamento es esencialmente el mismo que  la Radio FM. Poniendo una analogía: en una emisora modulan por FM una onda de radio que viaja hacia nuestras casas y  nosotros la sintonizamos despues. Pero nuestro aparato antes de amplificarla para enviarla al altavoz la demodula previamente para reproducir el sonido original. En Síntesis FM este último paso sobraría porque lo que interesa realmente hacer sonar la onda modulada, aparte claro esta que su finalidad es crear música y no retransmitirla a largas distancias.

A partir de dos ondas simples, la original y la moduladora, se crea otra tercera compleja, llamada onda modulada, que es la que se escucha. Jugar con la relación que existe entre la frecuencias y las amplitudes de las dos ondas iniciales ofrece infinitos tipos sonidos distintos y es el elemento clave en la síntesis FM. En el ejemplo de la imagen la moduladora tiene tanto la frecuencia como la amplitud el doble que la original. Ecuaciones del ejemplo

Este nuevo uso con fines musicales de la teoría de modulación por frecuencia fue descubierto durante la década de 1960 por John Chownin, un profesor e investigador de psicoacústica de la Universidad de Stanford (California). Experimentando con el vibrato se dio cuenta que conforme este se acelera también se empiezan a percibir cambios de timbre, por lo tanto van apareciendo sonidos distintos. A partir de eso desarrolló su modelo de síntesis.

John Chowning descubrió la FM a finales de los 60. En la imagen tocando, en sentido literal,  el famoso sintetizador DX-7 de Yamaha. Fuente Universidad de Stanford

Como ejemplo sonoro un fragmento de su obra experimental Sabelithe,  considerada la primera pieza en usar síntesis FM. Este extracto es especialmente interesante porque va transformando progresivamente el sonido de un tambor en el de una de una trompeta, ¡y todo hecho digitalmente por software en 1966!.

John Chowning - Sabelithe

Creyendo que su idea tendría futuro en 1973 la publicó en un artículo, la patentó,  y empezó a contactar con diversos fabricantes de componenetes electrónicos y sintetizadores. Según Chownin relata en una entrevista no le prestaron atención debido a que todos trabajaban con sistemas analógicos y por tanto sus novedosos métodos resultaron muy distintos a todo lo que se venía haciendo hasta entonces. La cosa cambió con Yamaha.  De la misma entrevista:

"... uno de sus ingenieros jefes [de Yamaha] estaba de visita corporativa por Estados Unidos y se acercó a pasar el día en Stanford. En diez minutos lo entendió; sabía exactamente de lo que estaba hablando. Imagino que Yamaha ya había estado trabajando en el ámbito digital porque comprendió lo que le estaba contando."

El contacto fue fructífero. La empresa japonesa compró la licencia e implementó de manera muy efectiva,  según el propio Chowning, los algoritmos de FM en circuitos integrados en lo que sería un buen movimiento comercial que dura hasta nuestros días. Pero.... ¿Cómo suena la FM ?¿Qué dispositivos la usan? El aparato que sin duda más ayudo a popularizarla fue el DX-7, un teclado sintetizador programable lanzado al mercado en 1983 por Yamaha. Era barato y compacto, especialmente comparado con sus hermanos analógicos, y además ofrecía muy buen sonido. Fue ampliamente usado y contribuyó de manera decisiva al la estética musical de los 80. Con el paso del tiempo se convirtió en máquina de culto.

De nuevo el clásico sintetizador digital DX7 usado y abusado durante los años 80's. Fuente Wikipedia

Como ejemplo a continuación se muestran dos sonidos que trae ya programados de fábrica: un piano eléctrico y un bajo, a través de ciertos temas de Withney Houston y Samantha Fox. Las canciones no sé, pero el sonido seguro que resulta familiar...

FM E. Piano 1 & FM Bass 1 en un DX-7. Fuente bobbyblues 

Pero no todo acabó en los 80. En los 90 los chips de FM se convirtieron en una opción muy rentable para añadir sonidos complejos a diversos aparatos. Así la consola Sega/Mega Drive incorporó el chip OPN2 y muchos ordenadores de sobremesa la tarjeta de sonido Creative/Sound Blaster 16 el OPL2. Ambos chips fabricados por Yamaha. Por aquella época anterior al mp3  el sonido de los PC's dependía mucho de los ficheros MIDI y esto se resolvió pre-programando cada instrumento para sonar a través del chip FM.

Sí, la Mega Drive de Sega y la Sound Blaster 16 de Creative tambien usaban FM. Fuentes Foto 1, Foto 2

Como ejemplo un extracto de la banda sonora Wings of Wor de Sega/Mega Drive. Compuesta por Noriyuki Iwadare es notable por su sabor orquestal. Algo difícil de conseguir en FM donde los sonidos sintéticos y electrónicos son los reyes.



Pero no todo acabo ahí. Vamos a seguir hacia delante. Incluso a principios de este siglo la FM vivió un corto renacimiento y posterior olvido. Los responsables fueron los teléfonos móviles. Antes de que estos dispositivos tuvieran suficiente memoria se usaban pequeños chips de síntesis FM para generar los famosos politonos. Si, sorprendentemente muchos de nosotros merodeábamos por el mundo con un potente sintetizador en nuestros bolsillos que podía usarse para mucho más que meramente reproducir los midis del momento y posteriormente ser tirado a la basura con el modelo del año siguiente.

Si, los entonces famosos politonos también se creaban por FM, y ¡sorpresa! tambien Yamaha  seguía detrás de toda esta confabulación.

Como ejemplo una melodía compuesta por  Dave Bristow, otro  nombre clave en la síntesis FM.

J-Walk by Dave Bristow

La patente de la FM expiró hace ya unos quince años. Esto es una ventaja y actualmente hay muchos fans y es fácil encontrar material por Internet. Como ejemplos de actualidad podemos citar el disco Tree of Knowledge, hecho íntegramente en FM hace unos meses. También se puede destacar el software Deflemask Tracker. Un interesante programa, con un minucioso trabajo de ingeniería inversa detrás, creado recientemente por el argentino delek que permite hacer música en cualquier PC para después exportarla a Game Boy, Master System, Mega Drive y los chips de sonido de los móviles. Entre sus ventajas, aparte de que permite recuperar y sacar partido a esos sistemas, está que tiene un entorno gráfico para la programación de instrumentos, lo cual facilita mucho esta tarea.

Otros enlaces de interés:

• Adlib Tracker, tracker que funciona perfectamente en Dosbox bajo emulación de Sound Blaster
• Web de Dave Bristow, contiene artículos interesantes.(Ingles)
• Web dedicada al DX-7. (Ingles)
• Introducción en Español a la FM