71edaad883cf837f662ff560445958c3 筆者在前幾介紹8 bit紅白機風格島嶼天光的文章中,提到能夠透過產生特定波形以發出聲音的PSG音源,然而受制於對波形的控制能力有限,PSG音源只能發出呆板的電子音,後來出現的FM音源有更強的波形控制能力,因此可以提高聲音的擬真程度,這次筆者就來進一步介紹FM音源的原理。

透過調頻產生更複雜波形

FM音源的基礎就是頻率調變(Frequency Modulation,即調頻),頻率調變的基本原理為將變動的訊號與恆定的載波進行合成,產生各點瞬時頻率不同的合成波。從下方圖片中,可以看到綠色的線條代表恆定的載波,當混入紅色的訊號之後,就會產生藍色的合成波。FM音源就是透過這種方式產生新的合成波,只需控制輸入訊號就可產生各種不同合成波,除了可以透過輸入頻率為載波整數倍的訊號,來產生諧波音(harmonic sounds),也可以透過輸入非整數倍頻率訊號,產生偏差音(inharmonic sounds),能夠產生比PSG音源使用的單純波形更加複雜的合成波。

▲只需控制輸入訊號,就可產生結果不同的合成波。(圖片來源:維基百科,圖片作者:Gvf)

控制包絡線提高擬真度

回到聲學的角度,聲音的變化主要可以分為音量、音調、音品等3大要素,音量、音調只需改變波形的振幅與頻率,然而音品則受波形整體的「形狀」影響。筆者在後面列出鋼琴、吉他、笛子等3種樂器的波形列出,可以看到各樂器的波形中各部分的振幅與頻率都不同,其包絡線(envelope,簡單地說就是把波形包起來的線)也不同,這些差異造就了不同樂器聆聽上感受的差異。PSG音源只能夠控制音量、音調,無法改變產生聲音的音品,而FM音源還可以透過控制特定參數的方式,改變輸出合成波的包絡線。

以Yamaha YM2203晶片的功能為例,使用者可以控制下列5組參數,來改變合成波的包絡線。

Attack Rate:音量從發出開始向上爬升的斜率

Decay Rate:從最大音量開始衰退的斜率

Sustain Level:聲音持續發聲時的音量

Sustain Rate:持續發聲期間衰退的斜率

Release Rate:發聲結束時音量衰退的斜率

就是由於FM音源能夠透過這些方式,讓產生的波形更貼近真實樂器(包括包絡線),所以能夠更貼近地模擬不同樂器的音品,演奏出更逼真的音樂。

▲吉他音色範例。

▲鋼琴音色範例,能夠看到頻率與吉他相差甚大。

▲笛子音色範例,包絡線的走向與上述2種樂器完全不同。

▲最簡單地說,包絡線就是畫條包住波形的線。(圖片來源:滴了庵日録

▲YM2203晶片可以透過5組參數控制輸出波形的包絡線。(圖片來源:滴了庵日録

▲Mega Drive版Michael Jackson's Moonwalker的音樂,該主機搭載Yamaha YM2612音效晶片,可以輸出6頻道FM音源。Michael Jackson名曲Beat It在FM音源的詮釋下,帶著濃厚的金屬感,是PSG音源無法達成的表現。

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