FM8合成器該怎麼學習?

01-03

之前一直在搗鼓NI MASSIVE減法合成
最近,決定好好研究下傳說中的FM合成黑魔法....於是裝了個NI FM8
於是,問題來了.....在MASSIVE,個人感覺,大腦中想要的音色,大概能想到怎麼去製作
但是,FM..我理解為波形套波形,可我怎麼才能知道,哪幾個波形,怎麼互相調製出來什麼樣子的音色,而且看到那個調製矩陣真的嚇尿我,
聽了FM8的內置音色,我覺得,可能自己水平有限,但總覺得有很多音色,用減法合成調製不出的,所以想了解下,該怎麼去學習,讓自己能合成自己想要的聲音.

謝邀。

一個聲音的音色可以理解為它所包含的諧波構成。在FM合成中，大量諧波來自於調製所產生的邊帶。通過對編帶中諧波的頻率和能量進行計算，我們可以得到FM合成的結果，也就是不同合成器參數調節音色的具體功能。

如果你對這裡面的理論感興趣可以看FM合成之父Chowning的paper：http://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/Math/GCC644/FM_synth/Chowning.pdf 在下面我只直接給出結果。

邊帶信號頻率如下：已知載波信號頻率 Wa 和調製信號頻率 Wb，所得邊帶信號頻率為 Wa 加整數倍Wb。（負頻率按反相正頻率信號計算）這就意味著：當Wb在Wa的泛音列中，或者Wb-Wa為兩者公約數且在音頻頻率範圍內（意味這兩者都在某一其他頻率信號的泛音列中時），和諧的聲音可產生。這裡可以近似模擬鋸齒波，方波等常規信號與低通濾波器組合的聲音效果，所以你有減法合成基礎的話會感覺熟悉。除此情況之外，不和諧的聲音可產生，所以FM合成方式非常適合合成擁有不協和諧波構成的音色。

接下來說邊帶的能量：音色合成中我們不考慮單個邊帶信號的能量。一般只考慮最終信號所擁有的帶寬。也就是最低與最高有效（能量足夠不被忽略）邊帶信號的頻率差。這個參數直接影響的就是這個聲音所含諧波數量的多寡，故影響聽感純凈還是複雜。

為了控制帶寬我們有一個參數β定義為載波頻率變化量除以調製信號頻率，說白了就是調製信號振幅除調製信號頻率。你能在FM合成器上找到這個參數，叫Modulation index，或有的合成器用調製信號振幅替代。帶寬和β或調製信號振幅正相關。所以這兩個參數均可以類比減法合成中低通濾波器截止頻率的高低調節。

（在固定調製信號振幅的情況下，調製頻率改變——這是一個極常見的情況，因為人們要彈不同的音，而且絕大多數情況要求保證邊帶信號頻率和所演奏的音符頻率之間成固定倍數關係，所以調製信號頻率和載波信號頻率之間就要呈固定倍數關係——那不同音高的聲音帶寬就會不一樣，音色就會不同。保證β恆定才能保證全音域理論上音色一致）

因為FM合成器一般都設計成多個相同Operator（一個振蕩器，一個放大器，一個控制放大器的包絡）的組合，通過不同Operator的相互調製可以形成複雜音色和動態。

說了這麼多，具體的應用需要你多讀書多玩合成器。上面這些知識都可以在FM8中練習，還可以分析別人做好的preset。

希望對你有幫助

2015.6.17更

這次基本從零把FM的基本知識理了一遍，希望對大家有幫助：

一點歷史：

頻率調製（FM）最早用於通訊系統，而對於FM在音樂聲音合成方面的潛力，第一個做出系統性探索的是斯坦福大學的約翰·喬寧（John Chowning，1973年發表了FM聲音合成的重要論文）。隨後，在1975年，YAMAHA獲得了在其產品中使用FM合成專利的許可，1983年秋，DX7合成器問世，從這時開始，FM合成進入了全世界音樂家的視野。

兩個要點

FM合成（下面簡稱為FM）之所以在當時能產生這種轟動性的效果，是因為它解決了當時在聲音合成方面的一些問題：

1.高效

喬寧說：「假如你需要一個有50個泛音的聲音，那麼你必須得有50個振蕩器，而我只需要兩個振蕩器就能獲得近似的結果」，這是FM合成的開創性意義之一，它能夠僅用兩個振蕩器就獲得豐富的頻譜內容。

2.時變能力

在FM之前，大多數數字聲音的頻譜都是固定的，就是說頻譜內容不會隨時間而產生變化，如果要製造這種時變效果，那麼按照當時的計算能力，是很昂貴且困難的。但自然界中的聲音其頻譜內容是動態的，不是一直保持不變的，而且這種變化往往很複雜，假如要對頻譜中的各個頻率都進行時變控制，按照當時加法、減法合成的方法，是很難做到的。這是FM帶來的另一個改變——能輕易實現頻譜內容的時變控制，而且與自然聲響的特性相符。

開始講吧：

圍繞上面說的這兩個要點，下面具體說一下FM是怎麼實現這兩點的：

1.FM如何產生豐富的頻譜內容

首先有一些概念可能一開始大家有可能不太熟悉：

（1）振蕩器——Oscillator

振蕩器簡單講就是產生聲音信號的東西。一個振蕩器能接收三個輸入信息：振幅、頻率、波形，並且產生一個輸出信號，如圖：

圖1

比如，在振蕩器的頻率控制端如果連接上控制信號，振蕩器的頻率就會隨控制信號的變化而變化。

（2）載波振蕩器——Carrier

所謂載波，其實中文來講大家會覺得聽起來有點奇怪，之所以翻譯成「載波」，是因為它英文是Carrier，有「載體」的意思。那麼這個載波振蕩器「承載」的到底是什麼呢？答案是，它的頻率要受到另一個振蕩器信號的影響，它承載的就是這個影響，受此影響它將產生變化，是變化信息指向的那個目標，是被影響者，所以叫它「載波」。

在FM合成中我們最終聽到的聲音是來自載波的。

（3）調製振蕩器——Modulation

調製振蕩器產生的信號用來改變載波振蕩器的頻率。

（4）FM的原理是什麼？

簡單FM的原理圖如下：

圖2

可以看到，FM實際上是用一個聲音去改變另一個聲音的頻率。一般來講，我們會用一個低頻振蕩器（LFO）去控制振蕩器的頻率，低頻振蕩器產生的聲音我們聽不見，因為頻率太低了，用它去影響另一個振蕩器的頻率，會產生我們熟悉的「顫音」，就是音高緩慢地上下晃動。

但是，當用於調製的頻率升高到足以被我們聽到時，被調製的聲音會產生新的頻譜內容，不再是單純的正弦波，這就是FM能夠產生豐富頻譜內容的奧秘所在。

（5）邊帶——sideband

邊帶就是調製後新產生的頻率，每個新頻率稱為一個邊帶。它之所以被稱為邊帶，是因為新頻率都產生在載波頻率的兩邊，並以載波為軸形成軸對稱。

邊帶的頻率遵循一個規律，即邊帶頻率是載波頻率加上或減去調製頻率的整數倍。具體來說，在FM中，載波頻率縮寫為C（Carrier），調製頻率縮寫為M（Modulation），所以邊帶頻率就是：

C
+ n*M（n為整數）

或者

C
– n*M（n為整數）

由簡單FM產生的頻譜內容可能是下面這樣：

圖3

每條豎線都是一個頻率，中間的C就是載波頻率，而兩邊的都是邊帶。

（6）帶寬——bandwidth

帶寬就是整個頻譜中最高頻與最低頻之差得到的值。在FM中，邊帶數量非常多，但並不是所有都被計入帶寬範圍，有一個「有效邊帶」的概念，即邊帶的強度大於載波強度的1/100，只有這些有效邊帶才會被進入帶寬計算。

所以FM只用兩個振蕩器就能產生為數眾多的頻率，從而產生了豐富的頻譜，而如果使用加法合成，那麼你想要多少個頻率，就要有多少個振蕩器，這就是FM的第一個優勢——高效。

2.FM如何實現對頻譜內容的時變控制

在FM中有一個重要的參數——調製指數（modulation
index），縮寫為I（大寫的i）。

FM之所以能夠對頻譜內容進行時變控制，就是因為，讓I隨時間變化時，頻譜內容會發生變化。

如下圖：

圖4

那麼I究竟是什麼呢？

I
= 載波頻率偏移量/調製振蕩器頻率

公式為

I
= D/M

之所以載波頻率偏移量記為D，是因為D是Depth的縮寫，即「深度」，也就是載波頻率相比原始頻率，被改變了多少。從圖2我們可以知道，決定這個頻率偏移量的實際上就是調製頻率的振幅（注意圖中的加法器，載波頻率與調製信號相加，調製信號的振幅越大，相加得到的結果就越大，載波頻率偏移的就越多），所以調製指數I也相當於：

調製振蕩器的振幅/調製振蕩器的頻率

總結起來，I對頻譜的影響體現在：

1.調製指數 I 影響有效邊帶的數量

成對的有效邊帶的數目近似等於I+1。簡單說，就是：

有效邊帶數目 = 2*(I+1)

I增大之後，有效邊帶數目增多，意味著頻率增多，自然頻譜內容會發生改變。

舉個例子:

圖5

2.調製指數 I 影響帶寬的寬度

整體帶寬接近於頻率偏移D與調製頻率M相加之和的2倍。

即：

帶寬 ≈ 2*(D+M)

因為I=D/M，所以，帶寬會隨調製指數的增加而增加，這是FM可以模模擬實樂器聲音的一個重要特性，即當振幅增加時，帶寬也會增加，通俗講，就是演奏力度越大，頻譜越豐富。

因此，在FM合成中，很重要的一點就是，要對調製指數I進行時變控制，說白了，就是給I添加一個包絡，否則就無法發揮FM的特質。

參考文獻：

[美]柯蒂斯·羅茲.計算機音樂教程.人民音樂出版社.2011.

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2015.6.13

瀉藥。

想學FM的可真多啊，我是用Sytrus的，FM8不是特別熟，不過我看FM8的說明書里有關於FM的基本知識介紹，就譯了過來，在一些圖裡做了文字注釋：

（FM8說明書第33頁開始）

4.1 什麼是頻率調製（Frequency
Modulation）？

4.1.1 基礎知識

FM背後的原則是很簡潔的。所有FM合成的基礎是一個正弦波振蕩器，在下圖中由一個圓圈和輸出表示：

它的音高是由鍵盤或其他控制器來控制的，現在我們需要一個開關這個振蕩器的方法，在模擬合成器中是用VCA（voltage-controlled amplifier，壓控放大器）來改變振蕩器的電平，這個電平由輸入VCA的控制電壓（成為control voltage）來決定。很多現代數字合成器仍然使用這個術語，但不是由電壓控制了，而是通過改變程序內部的數字來實現。一些數字合成器把VCA叫成DCA（Digitally Controlled Amplifier，數控放大器），也有直接叫放大器（amp）的。

在模擬合成器中，電平的連續變化是由包絡發生器（EG）來實現的。例如，要創造一個彈撥的聲音，其電平可能一開始非常高，然後迅速在幾毫秒內落到非常低的值，甚至直接落到0。而在數字設備中，包絡發生器是通過程序中產生的一連串數據來實現的，雖然本質上是一堆數字，但它通常依然被叫做包絡發生器。現在，正弦波振蕩器、VCA（DCA）、EG三者組合起來就稱為一個Operator（運算器），它就是FM合成中的基本單元：

從音樂角度來看，純正弦波是很無聊的，這正體現了FM合成極為聰明的一個方面，讓我們來給Operator添加一個控制信號入口，來調製它的頻率：

給這個控制信號入口連上一個正弦波（就可以讓振蕩器的音高隨正弦波的變化而變化），如果這個正弦波的頻率很低，那麼就會產生顫音（vibrato），音高是緩慢晃動的，但如果這個正弦波的頻率達到了可聽範圍內，會產生兩種後果，一種是產生不諧和聲音，這是因為調製用的正弦波頻率與被調製信號的頻率沒有泛音相關性，另一種會產生和諧聲音，這是因為兩個信號的頻率有泛音相關性（這兩種結果都很有用）。

所產生的泛音的數量取決於作為調製信號的正弦波的振幅大小，所產生的泛音結構則取決於頻率。由於對音色影響最大的是調製信號的振幅，所以給這個調製用的信號添加一個VCA能夠影響信號的頻譜（也給這個VCA一個包絡發生器來控制它的大小變化），進而影響音色。現在我們的FM合成原理圖是這樣的：

注意，兩個方塊內部的結構是一樣的，但一個用來產生音頻信號（op1），一個用來產生調製用的信號（op2），我們要能區分這兩種功能。我們能聽見的聲音來自稱為carrier（載波）的op1，調製載波的稱為modulator（調製信號發生器，上圖中的op2）。

這種兩個operator的架構能夠產生一些非常甜美的銅管音色。增加op2的輸出電平可以讓聲音聽起來像把低通濾波器的截止頻點移高了，反之，降低op2的輸出電平則像把截止頻點拉低。

4.1.2 演算法

通過不同的方式結合Operator，可以創造各種各樣的演算法。FM8有一些預置好的演算法，從FM矩陣窗口中的下拉菜單中可以選擇。在FM8中最多有6個operator，從矩陣中可以看出它們是如何結合的。例如，下面這個演算法有兩個載波，每個有自己的modulator：

4.1.3 Feedback

下圖依然顯示的是前面的演算法，但是給modulator添加了feedback（反饋），它的效果是：這個operator成為了自己的modulator，增加反饋的量可以讓聲音更刺、更硬。

注意FM矩陣中包含輸入（IN），也就是說可以用外部輸入的信號作為modulator或carrier，這讓FM8能夠作為一個效果器來使用，開啟了很多新的可能。

《軟體合成器技術實戰手冊—音色製作與模塊編程》，7年前的書，作者17歲所寫，FM8一章大概50頁，講完所有界面功能後給了三個從原始單波形干聲調出目標音色的例子，順著一步步操作下來到目標完成後直接給跪。

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