Как устроен звуковой чип легендарного синтезатора

Звук, известный многим

Цифровой синтезатор Yamaha DX7 вышел в 1983-м и стал одним из самых продаваемых клавишных устройств в истории. Всего за три года он разошелся тиражом в 200 тыс. экземпляров. Для сравнения, другой известный синтезатор — Minimoog, за тринадцать лет был выпущен в количестве 12 тыс. штук. Одна из причин популярности DX7 — метод FM-синтеза на основе частотной модуляции. Реализовать этот тип синтеза на аналоговых компонентах было сложно, так как любые отклонения по частоте превращали приятное звучание в шум.

В то же время устройство имело сотню музыкальных пресетов, которых не было у многих предыдущих установок. Стандартные звуки оказались настолько удачными, что их использовало подавляющее большинство продюсеров и музыкантов 80-х. Можно сказать, что синтезатор определил звучание поп-музыки того периода.

Пресет E PIANO 1 слышно в песне «Take On Me» от A-ha и «Fresh» группы Kool & The Gang. Семплы легендарного синтезатора также присутствуют в треках «What’s Love Got To Do With It» Тины Тёрнер и «Danger Zone» Кенни Логгинса, а также в работах современных коллективов вроде U2 и Coldplay.

Что на схеме

Инженер и поклонник олдскульной техники Кен Ширифф разобрал устройство звукового чипа DX7, ориентируясь на фото кристалла.

Большую часть пространства на схеме занимают сдвиговые регистры. Часть из них хранит параметры операторов частотной модуляции, фазовые счётчики для осцилляторов и выходные значения для нот. Сами регистры объединены в специальные петли (loops) — биты в них перемещаются в цикле на каждый тактовый сигнал. Такой подход позволяет извлекать необходимую информацию в нужное время без логики адресации.

На кристалле также расположены блоки энергонезависимой памяти (ROM), организованные в виде сетки. Они нужны для сохранения таблиц поиска (look-up tables) и преобразования сигналов. Еще эта память содержит тридцать два алгоритма, которые определяют поведение шести операторов частотной модуляции. Каждый оператор представляет собой модуль, состоящий из осциллятора и генератора огибающей. Их можно коммутировать в любой последовательности для создания разнообразной акустической палитры.

Один из резидентов Hacker News в тематическом треде отметил, что шесть операторов — это минимум, необходимый для получения достойного звука с помощью FM-синтеза. Меньшее их количество делает звучание примитивным.

Логика аудиочипа построена на сумматорах, складывающих двоичные числа. В DX7 вычисление суммы проходит в шесть этапов. На каждый такт приходится сложение четырех битов, что исключает долгие переносы значений. В то же время чип имеет компоненты для битовых сдвигов (умножения и деления на два). На кристалле два «сдвигателя»: первый перемещает биты на 0,1,2 или 3 позиции, а второй — на 0, 4, 8 или 12. Их можно комбинировать друг с другом.

Поработать самостоятельно

Если вы хотите оценить звучание синтезатора и поработать с легендарными пресетами, то устройство вполне можно найти на аукционах и приобрести с рук [по цене от 30 до 45 тыс. рублей]. Однако покупать синтезатор необязательно. Можно обратить внимание на open source эмулятор Dexed. Он совместим с OS X, Windows и Linux, а также поддерживает форматы VST, AU, LV2.

Прежде чем начать работу, участники обсуждения на HN рекомендуют ознакомиться с книгой «The Complete DX7». Её можно найти в открытом доступе на английском языке [правда, качество сканов оставляет желать лучшего]. И с этой статьей из журнала Keyboard от 1985 года. Эти материалы помогут разобраться в тонкостях программирования DX7 для создания кастомных звуков.

Еще есть DSSI-плагин с открытым исходным кодом — Hexter. По словам автора, его разработка воспроизводит звучание DX7 с большей точностью, чем другие свободные проекты. Разумеется, существуют и платные плагины. Например, Chipsynth OPS7 повторяет звучание Yamaha DX7 MK1 1983 года выпуска, а FM8 позволяет загружать оригинальные пресеты синтезатора. Они обойдутся в несколько тысяч рублей.

Синтезаторы в нашем каталоге