Analog, kompakt, robust und halbwegs bezahlbar – Oberheims Budget-Synthesizer-Expander aus den letzten Tage der Firma wurde in großen Stückzahlen verkauft und ist auch auf dem Gebrauchtmarkt beliebt, aber nicht zu beliebt. Ich möchte mit euch ins Innere des Synthesizers schauen: Was kann die 40 Jahre alte Hardware – und was nicht? Worauf muss ich achten, und was lässt sich mit heutiger Technik verbessern?

„Beeindruckt auch den Gitarristen – und hat genug Power, um diese nervige Spezies im Konfliktfall von der Bühne zu blasen!“ Der Schlusssatz der Matrix-1000-Rezension in der Keyboard hat sich in mein Gedächtnis gebrannt, zusammen mit dem Preis: 1000 Mark. Nicht viel aus heutiger Sicht; bis heute ist er ja einer der günstigeren Analogen. Aber als Schüler konnte ich mir ihn erst leisten, als eins der vielen, vielen, vielen Exemplare, die Oberheim damals hergestellt hat, verbilligt bei mir landete. Anfang der 90er, als analoge Synthesizer langweilig und veraltet waren.

Ein Expander völlig ohne eigene Programmier-Möglichkeiten: Was damals die größte Schwäche des Matrix war, spielt heute dank guter und günstiger MIDI-Controller keine Rolle mehr. Ende der 80er gab es diese Controller einfach nicht. Die meisten gängigen Computer dieser Zeit hatten keine MIDI-Schnittstellen, vom Atari 1040 ST mal abgesehen, und so etwas selber zu löten und zu programmieren überstieg damals meine Bastler-Fähigkeiten. Vielleicht sorgt das dafür, dass ich bis heute am Matrix rumbastele. Späte Genugtuung.

Ein schier unverwüstliches Gerät

Zeit, ein wenig in den technischen Aufbau des Synthesizers einzusteigen – das gibt ein gutes Gefühl dafür, was man vom Matrix erwarten kann und was nicht, und womit man bei einem fast 40 Jahre alten elektronischen Gerät mit Analogschaltungen rechnen muss.

Um es vorwegzunehmen: Der Matrix-1000 ist ziemlich unverwüstlich; die paar kleinen Schwachstellen und was man gegen sie machen kann, besprechen wir später. Es hilft natürlich, dass er kaum bewegliche Teile hat – wie Elektronikversteher:innen wissen, sind Schalter, Tasten, Drehknöpfe und Slider das, was bei alter Elektronik am anfälligsten ist.

Der Aufbau des Matrix-1000: Was die Analog-Schaltungen können

Technisch besteht der Matrix aus sechs nebeneinander montierten Einchip-Analogsynthesizer-Schaltungen von Curtis, ein Chip namens CEM3396, der zwei Wellenform-Generatoren, Waveshaper, ein Filter und zwei VCA enthält und nur einen externen Takt und eine Reihe von Steuerspannungen benötigt, um sehr Hörbares zu erzeugen. Das Filter ist auf 24dB ausgelegt, hat also nicht den typischen Oberheim-12dB-Charakter eines OB-Xa. Ich-Spiele-solange-Jump-bis-ich-rausfliege-Sounds gehören trotzdem zum Programm. Eine Beschaltung des Filters als Bandpass oder Hochpass wäre theoretisch möglich, ist aber im Matrix nicht umgesetzt – ein Tiefpass, basta. Schon mal merken: Diese Spezial-Chips und ihre Steuerschaltkreise sind eine der potzenziellen technischen Schwachstellen des Matrix.

FM – die Möglichkeit, einen Oszillator mit dem anderen zu modulieren – bietet die Einchip-Konstruktion nicht, dafür haben die Matrix-Konstrukteure Filter-FM ermöglicht, also die Möglichkeit, die Filterfrequenz über einen Oszillator zu modulieren. Auch Soft- und Hard-Sync sind über die Beschaltung des Chips realisiert. Der Rauschgenerator ist diskret aufgebaut und wird den Stimmen über einen Eingang des CEM-Chips zugemischt.

Alle sechs Stimmen werden in einen einzelnen Monoklinken-Ausgang zusammengemischt: Kein bitimbrales Splitting wie beim Vorgänger Matrix-6, kein Panning, keine Effekte. Ein trockener Ausgang – der aber auch seinen Anteil daran hat, dass sich der Sound des Matrix durchsetzt wie ein T-800 in der Biker-Bar.

Der Aufbau des Matrix-1000: Was die Computertechnik kann

Um diese sechs kompakten Stimmen herum ist ein kleiner Steuercomputer mit den Leistungsdaten seiner Zeit gebaut, vergleichbar einem Commodore C-64: Ein 8-Bit-Prozessor vom Typ 6809 mit einer Taktfrequenz von 2 MHz. Kein Koprozessor, kein Signalprozessor, seeeeehr begrenzte Rechenleistung.

Gemessen daran arbeitet der Matrix mit einem ordentlichen Arbeitstakt: Die Steuerspannungen werden mit 50Hz aktualisiert, das heißt: Hüllkurven und LFOs, Filter und Verstärker werden alle 20ms neu berechnet.

Was wiederum heißt: Superknackig sind die Hüllkurven des Matrix nicht. Der schnellste Attack sind eben die besagten 20ms, das hört man schon deutlich, und LFOs im hörbaren Bereich sind ebenfalls außer Frage.

Der 8-Bit-Prozessor hat einen Adressraum von 64kByte, das heißt: Steuerprogramm und Speicher müssen in diese 64KB passen. (Zum Vergleich: Ein einziges Foto vom iPhone braucht etwa das 50-Fache an Speicher.) Das komplette Steuerprogramm des Matrix passt also in gut gefüllte 32kByte – 32.768 Zeichen – und setzt alle möglichen miesen Programmier-Tricks ein, um aus den begrenzten Möglichkeiten das Beste herauszuholen. Auch für Daten und Sounds gibt es nur 32kB Speicher; um die 1000 Sounds überhaupt in diesem engen Speicherbereich unterzubringen, schaltet der Prozessor zwischen verschiedenen Speicher-Chips hin und her.

Eine andere Beschränkung der Speicher-Technologie jener Zeit hat Auswirkungen bis heute: Die Flash-Speicher, die wir aus den Speicherkarten unserer Kameras, Handies und Field-Rekorder kennen, gab es noch nicht. Das bedeutet:

1. Ein Firmware-Update kann man nicht einfach über MIDI einspielen, man muss einen Speicherchip austauschen, in den das Programm fest eingebrannt ist. Zum Glück gibt es die passenden 27C256-Chips bis heute; um sie zu programmieren, braucht man allerdings Spezialgeräte.
2. Damit die Einstellungen und User-Patches auch nach dem Ausschalten erhalten bleiben, muss der Speicher ständig mit ein klein wenig Strom versorgt werden; das tut eine Puffer-Batterie. Die natürlich irgendwann auch mal leer ist. Sie ist vom Standard-Typ CR2032, den man heute im Supermarkt  seines Vertrauens kriegt, dummerweise hat Oberheim genau hier ein paar Cents am falschen Ende gespart und die Batterie fest eingelötet. Der nötige Austausch der Batterie ist eine weitere Schwäche der Matrix-Hardware, die wir uns merken sollten.

Firmware, Firmware, Firmware!

Die Firmware-Version zeigt der Matrix beim Einschalten an – die meisten Besitzer sehen drei Einsen für V1.11, die letzte offizielle Firmware-Variante. Ein paar Vorserien-Matrixes zeigen noch V1.03; das deutet übrigens darauf hin, dass man eine kleine Änderung löten muss, bevor man ein Update einbauen kann. Und das lohnt sich durchaus, woran yours truly einen winzigen Anteil hat, weil ich einem Forum eine große Klappe hatte und dadurch Bob Grieb dazu provoziert habe, die V1.20 zu entwickeln.  Aber dazu gleich mehr.

Ich hab’s ja schon angedeutet: Die Leute, die den Code für den Matrix geschrieben haben – darunter der spätere Line6-Gründer Marcus Ryle – wussten verdammt genau, was sie taten. Die Firmware tut eine Menge, vor allem ermöglicht sie die namensgebende Modulationsmatrix: 20 Quellen können auf 32 Ziele wirken; neben 3 Hüllkurven und 2 LFOs gibt es noch 2 Ramp-Generatoren, und einen „Tracking Generator“, der  eigentlich ein Waveshaper für Modulationsquellen ist. Neben der Modulationsmatrix gibt es so viele feste Modulationsphase, dass es einem Minimoog die Tränen in die Tasten treibt.

Der Synthesizer hat Modi, um sich mit einem zweiten Matrix zu einem 12-Stimmen-Monster zu verschalten, einen MPE-artigen Modus für Gitarrensynthesizer, und jeder Parameter lässt sich im Betrieb nicht nur per Sysex verändern, sondern auch über NRPN…

…das heißt: wenn NRPN nicht durch einen winzigen Bug lahm gelegt wäre. Die Original-Firmware enthält ein paar kleine, aber sehr ärgerliche Fehler; es soll in den letzten Tagen bei Oberheim eher turbulent zugegangen sein, auch der Quellcode für den Synthesizer ist wohl in dieser Zeit verloren gegangen. Die gravierendsten Bugs der V1.11: Änderungen der Parameter 29 (ENV2 to VCA) und 53 (ENV1 Sustain) funktionieren nicht und können den Synth sogar abstürzen lassen.

Ein weiteres Problem hängt mit der sehr eingeschränkten Computer-Hardware zusammen: Um halbwegs mit den Modulations-Berechnungen hinzukommen, legt sich die Firmware Tabellen an, um Parameter-Anpassungen nicht zeitaufwändig rechnen zu müssen. Bestimmte Änderungen an Parametern wie der Filter-Resonanz sorgen dafür, dass der Matrix diese Tabellen neu berechnen muss, und das dauert länger als die 20 Millisekunden, die er bis zum nächsten Parameter-Update Zeit hat. Die Folge aus Nutzerinnensicht: Wer beherzt (zum Beispiel) am Resonanz-Rad dreht, bringt den Matrix ins Stottern – das Programm kommt nicht mehr hinterher; die nicht abgearbeiteten Parameter-Befehle sammeln sich im Eingangspuffer, und irgendwann hängen Noten.

Die existierenden Firmware-Updates widmen sich auf unterschiedliche Weise diesem Problem.

• V1.13 hat der deutsche Hacker Nordcore gebastelt: er schaute sich den Code mit einem Disassembler an und patchte genau drei Bytes – mit durchschlagender Wirkung: Dadurch waren nicht nur die (ENV2 to VCA) und (ENV1 Sustain) Bugs behoben, auch die Filterfrequenz ließ sich jetzt in Echtzeit ändern, weil für den Filter die Neuberechnungen gar nicht nötig waren.
• V1.16 geht auf den französischen Hacker GliGli zurück, der zum einen mit einem schnelleren Prozessor experimentierte, und sich zum anderen einen cleveren Trick ausdachte: Seine Firmware nimmt einfach keine neuen Parameter-Veränderungen an, solange der Synthesizer noch eine abarbeitet. Dadurch füllt sich der Puffer nicht mehr mit den unbearbeiteten Befehlen, der Synth friert nicht mehr ein. Außerdem führte er einen neuen Parameter ein: Unison Detune lässt sich seitdem mit CC#94 einstellen.
• V1.20 hat der US-Ingenieur Bob Grieb entwickelt: Er hat den kompletten Synthesizer in Verilog nachgebaut, einer Hardware-Simulations-Software, und hat dann die kritischen Routinen so entschlackt und beschleunigt, dass sie unter den 20 Millisekunden bleiben. Außerdem hat er den NRPN-Bug behoben und GliGlis Innovation beim Unison Detune übernommen.
• V1.21 unterscheidet sich von V1.20 in einem einzigen Bit: Man muss die Byte-Folge 0x81 0x02 0x22 0x02 in der Firmware in 0x81 0x03 0x22 0x02 ändern, dann funktioniert eine Funktion, die anscheinend über 30 Jahre keiner vermisst hat: „Reassign/Rob“ – der Voice-Stealing-Modus.

Mit einer neueren Firmware – und einem der zahlreichen gut passenden MIDI-Controller – macht der Matrix deutlich mehr Spaß. Man muss dafür die acht Blechschrauben am Gehäuse lösen und mit großer Vorsicht den Firmware-Chip austauschen, das ist alles. Dass das den Matrix nicht auf magische Weise in ein modernes Gerät verwandelt, ist klar.

Total Conversions

GliGli hat versucht, die Grenzen der alten Hardware etwas zu erweitern: er hat den Prozessor durch eine Version ersetzt, die man doppelt so hoch takten kann. Allerdings gerät man damit über die Spezifikations-Grenzen einiger der anderen Chips im Gerät hinaus, die Zuverlässigkeit leidet – und die alte CPU auslöten macht auch keinen Spaß. Zu dieser Mod würde ich nur sehr experimentierfreudigen Menschen raten.

Sinnvoller ist das, was Kiwitechnics konstruiert hat, auch wenn es das Kit anscheinend nicht mehr zu kaufen gibt: Ein komplett neuer Steuerrechner mit neuer Firmware, der sich ins alte Gehäuse basteln lässt und eine ganze Menge neuer Funktionen bietet, einen dritten LFO und einen Arpeggiator zum Beispiel. Geht nicht ganz ohne Löten, aber mit vertretbarem Aufwand.

Schwächen: Worauf man bei einem gebrauchten Matrix-1000 achten sollte

Fast 40 Jahre als Matrix-Eigentümer und -bastler lassen mich sagen: Die Matrix-Elektronik ist sehr robust und zudem gut zu reparieren; der größte Teil sind CMOS-Logik-Chips, die bis heute zu bekommen sind. Ein paar Schwachstellen hat die Konstruktion aber dann doch.

• Das Trafobrummen: Die Stromversorgung des Matrix baut auf einem ziemlich hemdsärmeligen Transformator auf, kein fancy Schaltnetzteil, wie moderne Computerhardware es hat. Dagegen ist nichts einzuwenden, nur bringt das Magnetfeld des Trafos das Blech des Gehäuses zum Schwingen – es netzbrummt vernehmlich. Das ist ein rein mechanisches Geräusch, auf dem Ausgang des Synthesizers ist davon nicht die leiseste Spur zu hören, aber es nervt. Was man dagegen machen kann: Die Puristen tauschen den Trafo gegen eine strahlungsärmere Ringkern-Variante aus, besorgen sich eins der neueren Matrix-1000-Modelle in weiß – oder klemmen einfach etwas wärmebeständiges Dämm-Material ins Gehäuse. Funktioniert auch.
• Die CEM3396-Chips können kaputt gehen: Plötzlich ist ein Oszillator ab und zu nicht mehr da: Einer der CEM3396-Chips ist halb gestorben. Ist mir auch schon passiert – einmal in 35 Jahren. Angeblich ist dafür einer der 4050-Analogschalter mitverantwortlich, aber das konnte ich nie überprüfen. Was dann zu tun ist: Die betroffene Stimme finden; dafür gibt’s einen Diagnosemodus, der im Handbuch beschrieben ist, einmal den verdächtigen Chip und seinen Nachbarn tauschen, um einen anderen Defekt auszuschließen, und dann Ersatz besorgen. Kristofer Maad aus Schweden hat sich mal eine Fuhre gesichert und verkauft sie „New-On-Stock“, ansonsten bei Ebay jagen und auf einen ehrlichen Verkäufer hoffen. Wichtig: Nicht die breitere „Wide-Body“-Variante für den Matrix-6 kaufen, sondern die schmale.
• Die Batterie für den Speicher muss getauscht werden: Irgendwann ist auch die duldsamste Pufferbatterie leer, und dann treten Probleme auf – merkwürdigerweise übrigens gern, wenn man etwas an einer ganz anderen Stelle ändert, zum Beispiel die Firmware tauscht: die statische Ladung scheint auszureichen, die nicht ausreichend mit Spannung versorgten Speicherbits teilweise umkippen zu lassen. Sounds ändern sich, der Synth verhält sich merkwürdig, oder startet gar nicht mehr. Durch Halten der Enter-Taste beim Einschalten kann man den Speicher zurücksetzen, aber eine Dauerlösung ist das nicht. Was dann zu tun ist: Leider kann man nicht einfach eine neue einsetzen, sondern muss die ab Werk fest verlötete entfernen und durch einen Batteriehalter ersetzen. Das ist für geübte Löter:innen in einer Dreiviertelstunde zu machen.

• Was ich nicht machen würde: die alten Elkos tauschen. Auch Elektrolytkondensatoren – die kleinen kühlturmartigen Bauelemente – haben eine begrenzte Lebensdauer, und bei vielen alten Analogschaltungen muss man sie irgendwann austauschen. Ich würde allerdings davon abraten, den Matrix einfach so einem Re-Capping zu unterziehen, solange alles funktioniert, sondern eher gezielt tauschen, wenn sich ein Elko beult oder komisch riecht. Das bestätigen mir auch Menschen, die deutlich mehr von analogen Schaltungen verstehen als ich.

(Offenlegung zum Schluss: ich vertreibe die Firmware von Bob Grieb über meine Seite und zahle ihm für jeden verkauften Chip eine Lizenzgebühr. Den Text hätte ich aber auch ohne all das geschrieben.)