Synthesizer simulatie of emulatie? Wat is beter?
Een kleine, uit de hand gelopen, bloemlezing.
Een eerste opzet, foto’s, graphics en tekeningen worden later toegevoegd.
Lekker muziek maken met oude synthesizers. Daar wordt menigeen blij van. Zo ook deze synth freak. Oude machines, de hardware bakken zijn het leukst. Alleen ja, steeds lastiger te krijgen en onderhouden. Gelukkig zijn er diverse collectieven die de sounds van oude synthesizers (met name de digitale) in leven willen houden.
De echte hardware is soms wel 40 jaar oud en de elektronica daarin gaat inmiddels kuren vertonen.
Altijd fijn om te weten dat er een backup up is.
Maar hoe werkt dat dan?
Er zijn een aantal manieren om die sounds op te wekken in instrument plug-ins die je in jouw DAW of live gebruikt.
Kortweg te verdelen in twee categorieën:
-Simulatie;
-Emulatie.
—SIMULATIE—
Bij Simulatie wordt er gebruik gemaakt van algoritmen, samples, modellering, en andere methodes om het geluid op te wekken.
Ik som ze even op:
–A-De simpele ‘Romplers’ in software:
Een bank aan samples die door een player worden afgespeeld. ‘Rompler’ komt van ROM Player, het afspreken van samples vanuit Read Only Memory.
Dus in een chip (en nu in het geheugen van de computer waar de simulator op draait) opgeslagen, niet te wijzigen geluiden.
–B-Virtual modelling:
Hierbij worden oscillatoren, filters en moderatoren in software nagebouwd.
Het zijn eigenlijk DSP (Digital Signal Processing) algoritmes. Zoals als galm, delay. etc.
En net als bij fysieke synthesizers zijn er grofweg acht synthese methodes:
1-additive;
2-subtractief;
3-frequentie modulatie (FM);
4-phase modulation / distortion;
5-wavetable;
6-granular (komt later aan bod, te exotisch voor deze verhandeling);
7-harmonic (zelfde);
8-modal (zelfde).
Wat is dat allemaal dan?
Het zijn rekenmodellen die wiskundig en middels calculaties de volgende synthese methodes gebruiken. Ik behandel 5 van de 8 methodes:
–1-Additief:
Middels de basis, de grondtoon van al het geluid: de sinus golf in verschillende frequenties, fases en niveaus op elkaar stapelen.
Die sinus, een ronde, pure toon zonder harmonischen (lees: vervorming).
En daarmee kan je complexe golfvormen en klanken maken.
Als voorbeeld: 10 sinus golven bij elkaar opgeteld, op exacte en regelmatig frequentie afstanden van elkaar (harmonischen) op bepaalde, afnemende niveaus, geven een blokgolf, die wat meer als een fluit klinkt.
Zet je ze op andere afstanden van elkaar, dan ontstaat er bijvoorbeeld een zaagtand golfvorm, die meer als een strijk instrument klinkt.
Denk aan de Kawai K5000, Synclavier, maar ook het Hammond orgel.
–2-Subtractief:
Een ingewikkelde golfvorm modelleren en daar middels filtering andere timbres uit halen.
Je begint met een scherpe zaagtand golfvorm, laat er een resonerend filter op los en met een envelop moduleer je het filter en volume. Voila: een lekker synth bas.
Denk aan de Prophet 5, de Jupiter 8 en de Yamaha CS80.
–3-Frequency Modulation (FM):
Sinus (of anderen) golven met elkaar moduleren.
De frequentie van die ene grondtoon sinus wordt snel heen en weer geslingerd door een andere sinus, waardoor complexe golfvormen ontstaan.
Denk aan Korg OpSix en natuurlijk de beroemde Yamaha DX7.
(De DX die eigenlijk weer een phase modulation methode gebruikt, maar dat is voer voor een andere blog…)
–4- Phase distortion:
De golfvorm van een oscillator wordt gemodelleerd en gemanipuleerd qua fase (eigenlijk via waveshaping, het scheren van een golfvorm).
Denk aan de Casio CZ-101, CZ-1000, etc.
–5- Wavetable:
Hierbij wordt een bank aan zeer korte samples van geluiden, golfvormen als waardes in een tabel gezet.
De generator (en hier dus de gemodelleerde generator) roept uit die tabel steeds heel snel achterelkaar een aantal waardes op.
De golfvormen dus die klanken produceren.
Deze worden daarna bewerkt met morphing (vloeiend in elkaar over laten lopen van waardes), filtering, etc.
Denk aan de PPG Wave, maar ook de Ensoniq SD-1, en die komt verderop nog uitgebreid aan bod.
–C-Physical modelling:
De fysieke eigenschappen van een klank generator worden nagebootst.
Dat kan bijvoorbeeld:
-een resonantie buis zijn, zoals bij vele blaasinstrumenten en orgels;
-een gespannen oppervlakte, zoals bij percussie instrumenten;
-een strak gespannen draad of kabel, zoals bij snaar instrumenten.
Op een natuurkundige manier worden alle eigenschappen van zo’n element in interactie met zijn ruimte nagebootst.
–D-Component modelling:
De is de meest pure manier van modelleren van een analoge synthesizer.
Hierbij worden de elektronische componenten nagebootst.
Dus transistoren, weerstanden, condensatoren, diodes, etc.
En wel zo de alle elektrische eigenschappen ervan in een circuit worden gerespecteerd.
Puur natuurkundig dus.
Hierdoor kan je bijvoorbeeld het beroemde oscillator circuit van een Mini Moog nabootsen.
En die mooie zaagtand klank, die eigenlijk geen perfecte zaagtand is, maar een paar fase afwijkingen heeft.
Dat kwam door de tolerantie van componenten die Bob Moog toen beschikbaar had.
Een geluk bij een ongeluk.
—EMULATIE—
Deze methode gaat nog een stap dieper dan component modelling.
En is naar mijn idee de meest pure vorm.
Het werkt alleen voor digitale synthesizers.
Voor analoge varianten zijn bovengenoemde simulatie methodes beschikbaar.
Het is eigenlijk volledig gebaseerd op reverse engineering, het compleet tot op de bodem herleiden en uitzoeken van circuits van componenten en ook de componenten zelf. En natuurlijk de soft- en firmware.
Wat houdt dat in?
Vele synthesizers uit de jaren ’90 en daarna zijn opgebouwd rond een aantal onderdelen:
-DSP chip (de audio rekenmachine);
-een processor die de boel aanstuurt;
-een programma (firmware) in ROM die bepaalt wat de DSP en processor moeten doen;
-een paar rand chips die MIDI heen en weer sturen, het display aansturen en de controllers (knoppen op het frontpaneel) uitlezen en andere besturingen;
-soms een paar ROM chips met waveforms en/of tables;
-en een D/A Convertor die van de digitale brei weer hoorbaar geluid maakt.
Je gaat dan elk van deze onderdelen emuleren, dus nadoen, niet nabootsen.
Hoe werkt dat dan bij die onderdelen?
-De DSP Chip:
Deze chip ga je kraken, en zien hoe deze is opgebouwd.
Sommige synths gebruiken standaard DSP chips van bijvoorbeeld Motorola, de bekende DSP56000 serie.
Daar is voldoende informatie van beschikbaar.
Maar er zijn ook fabrikanten zoals Ensoniq en Roland die hun eigen chips lieten bakken.
Deze moet je dan gaan ontleden, want documentatie ontbreekt vaak.
Dat gaat grofweg op twee manieren:
- je kijkt welk pootjes van de chip waar aan verbonden zijn, zoekt uit wat ze moeten doen, voert data in en kijkt wat er aan de andere kant weer uit komt;
- je haalt laag voor laag de chip uit elkaar, maakt er foto’s van en gaat middels AI modellen alle miljarden verbindingen tussen miljoenen transistoren op de chip uittekenen en in kaart brengen.
Uiteindeljk (na maanden research) hou je dan de blueprint van de chip over en kan deze gaan emuleren in software. Een DSP chip voert immers gewoon miljoenen simpele wiskundige calculaties uit. En die kan je ook vangen in formules.
-De processor:
Deze is vaak een bekende van de plank.
Vaak Motorola, oa. de MC68000. De processor die je ook kan vinden in de eerste Apple Macintosh computers. En -weetje- de naam is het aantal transistoren wat in deze chip is verwerkt.
Je weet wat de processor kan en moet doen. De eigenschappen zijn erg goed gedocumenteerd.
Zo niet, eigen baksel van de synth fabrikant? Dan volgt dezelfde procedure als boven beschreven bij de DSP Chip.
-De firmware:
Deze is vaak nog beschikbaar op website van de originele fabrikanten.
In de meeste landen is de wetgeving zo ingericht dat je als eigenaar van de synthesizer ook een copy van de soft- en firmware in je bezit mag hebben voor eigen gebruik.
Wel een klein juridisch valkuiltje, waar ik later op terug kom.
Niet beschikbaar? Dan kan je vaak een kopie maken van de ROM chips met de firmware. Of deze leegzuigen.
-Rand chips:
Daar is meestal voldoende data van beschikbaar. Veelal standaard chips.
Dus de in en out van die chips van en naar de buitenwereld boots je na.
Zo kan MIDI data (welke toets sla je aan, aan welke knop of controller draai je?) van de computer en de DAW – of andere software waar je mee werkt de instrument plug-in binnen komen.
Zo ook de chips die de faders, knoppen, schakelaars op het front paneel van de synth uitlezen en het LCD display laat werken.
-ROM chips:
Deze zijn vaak uit te lezen.
Of te kopieren.
Zodoende heb je makkelijk de klank data, wavetables en andere sound gegevens in handen.
Ook hier weer het juridische aspect.
-D/A convertor:
YOU GOT ME!
De omzetter van digitale data naar een analoog audio signaal. Die kan je niet emuleren, want deze is immers deels analoog.
Je kan de klank van de convertor wel nabootsten.
Maar dat wordt in de regel niet gedaan in Emulatie instrument plug-ins.
En daar zit een kleine bottleneck:
De klank van de oude convertors in oude synths is redelijk uniek. Dat komt door de specifieke chips die er zijn gebruikt. In de SD-1 bijvoorbeeld wordt de groemde Philips TDA1541A D/A convertor gebruikt. Die kom je ook tegen in de beste CD spelers van die tijd.
En die van jouw audio interface waarschijnlijk beter inmiddels (nieuwere D/A chips aan boord).
Het blijkt dus in dat geval dat de klank iets anders is, maar geen werelden van verschil natuurlijk.
Ik heb dit zelf ontdekt bij mijn Ensoniq SD-1 en de Sojus emulator.
Een synth uit 1991.
Ook daar vertel ik later en in deze blog meer over.
En toen?
Nu heb je de werking van alle componenten uitgezocht en in kaart gebruikt.
De firmware (die bepaalt wat de synth doet) heb je klaar staan.
Je gaat nu in een platform, vaak is dat MAME, ook in het geval van synths, al deze onderdelen aan elkaar koppelen.
De complete synthesizer wordt nu tot in detail na gedaan.
Maar hoe bedien je de synth dan?
En dan de user interface nog inderdaad.
Vele emulator bouwers houden het puur.
Ze maken als het ware een screen kopie van de bovenkant van een synthesizer.
Alle knoppen daarop zijn in de instrument plug-in zichtbaar en te bedienen.
Exact zoals op de hardware zelf.
En de praktijk dan, hoe klinkt het?
Daar kan ik kort over zijn: EXACT HETZELFDE als de hardware!
Maar ook de bediening is volledig gelijk.
Je komt dezelfde bugs & glitches die je van de hardware kent tegen, haha.
Verdere ontwikkelingen?
Ik werk samen met Sojus, zij maken de Ensoniq SD-1 emulator.
En heb de SD-1 in bezit en we doen vergelijkingstests om de DSP algoritmes te optimaliseren.
Ensoniq heeft namelijk een paar eigen chips gemaakt (ESP, OTIS, etc.) die heel lastig te emuleren zijn.
En zij hebben ook een soort van tech-pipeline met de crew van The Usual Suspects.
Die laatste maken emulatoren van beroemde Roland, Nord, Waldorf en Access.
Fantastisch emu’s overigens!
Er wordt nu gewerkt aan de user interface.
Bijvoorbeeld klank presets inladen, banken van presets bewaren.
In het geval van de SD-1 gaat dat echt in de instrument plug-in op dezelfde manier als op de hardware.
Een paar knoppen en een FL display.
Maar met een groot computerscherm voor je neus kan je het wel handiger maken, zonder afbreuk te doen aan het origineel.
En wat was dat valkuiltje nou?
Als je de emulatoren wilt gebruiken moet je in het bezit zijn van de originele synthesizers.
Dit ivm. intellectueel eigendom en rechten.
Dus de makers van Sojus, TUS en anderen leveren de instrument plug-ins gratis. Die zijn eenvoudig weg van hun sites te downloaden.
Maar dat geldt niet voor de firmware ROM files.
Dit moet je zelf opzoeken en downloaden.
De installatie procedure kan wat ingewikkeld zijn, kom je er niet uit? Laat mij je helpen.
En let wel: zonder deze ROM files heb je niets aan de emulatoren.
Het is hetzelfde effect als de ROM chip uit de synth trekken, die heeft dan nog wel een actief brein, maar weet niet wat daar mee te doen. The lights are on, but nobody’s home.
En nu de hamvraag: wat is beter, emulatie of simulatie?
Simpel: analoge synth: geen keuze, dus simulatie.
En bij digitaal: wil je pure en bij de basis blijven: emulatie.
Wil je meer toeters & bellen, meer gebruiksgemak: simulatie.
En als laatste een stukje geschiedenis:
Het begon met emulatoren van bekende spelletjes computers.
En wel op het bekende MAME platform.
Gebruikers maakten de game consoles open, haalde de firmware naar boven en emuleerden de chips.
Zo kregen de duizenden oude games weer een nieuw leven, lang nadat opa per ongeluk je oude Sega had weggegooid.
Een aantal synthesizer freaks hadden deze beweging in de gaten en kwamen erachter dat de chips in de game consoles ook in synthesizers gebruikt worden.
En zo ging de crew van bijvoorbeeld The Usual Suspects aan de slag.
Veel reverse engineering werk en alle verworven kennis van de game console emulatoren inzetten. Echt bizar monnikenwerk. Veel lof voor al deze ontwikkelaars!
Hier staat een interessant filmpje van één van die engineers.
Tot zo ver het eerste deel van mijn tech serie.
Recente reacties