Synthesizer: polyphon, paraphon oder monophon? Was bedeutet das?

Polyphon, paraphon oder monophon? Was bedeutet das?

In diesem Know-how-Report möchte ich euch erklären, was es zum Thema Polyphonie von Synthesizern zu wissen gibt. Es gibt es wie immer Details zu technischen Hintergründen und für die Vintage-Freaks unter euch natürlich auch den einen oder anderen Blick in die Vergangenheit. Zusätzlich werde ich einem großen Missverständnis auf den Grund gehen und hoffentlich eine heiß diskutierte Frage ein für alle Mal beantworten.

Monophone Klangerzeugung

Die simpelste Form der elektronischen Klangerzeugung wird als Monophonie bezeichnet. 

So simpel wie die Klangerzeugung an sich, ist auch deren Beschreibung. Es kann zu jedem bestimmten Zeitpunkt nur eine Note ausgegeben werden. 

In einem monophonen Synthesizer befindet sich genau eine Stimme, also (in der geringsten Ausbaustufe) Oszillator, Filter, Hüllkurve und VCA. Die Anzahl der Oszillatoren ist hierbei nicht begrenzt – auch ein achtstimmiges Unisono-Patch ist monophon. Wichtig ist lediglich, dass die Frequenz aller Oszillatoren von derselben Quelle (Keyboard, CV-Eingang oder Sequencer) gesteuert wird. Die Frequenz muss dabei nicht die Gleiche sein. So ist bei der Verwendung eines Suboszillators oder einer Detune-Funktion zwar die Frequenz der Oszillatoren unterschiedlich, allerdings bleibt der Abstand der Frequenzen zu jederzeit konstant. Auch die Hüllkurvengeneratoren werden in einem Monosynthesizer immer von derselben Quelle (demselben Tastenanschlag) getriggert, egal wie viele verwendet werden. 

Monophone Instrumente

Der wohl bekannteste monophone Klangerzeuger ist die menschliche Stimme. Die von Stimmlippen und Kehlkopf erzeugten Modulationen der Luft im Raum sind die mit Sicherheit älteste Variante, einen monophonen Klang zu erzeugen. 

Natürlich gibt es auch noch andere klassische Instrumente, die in die Kategorie monophon fallen. Hierzu zählen alle Blasinstrumente wie zum Beispiel Trompete, Flöte oder Saxophon. Ebenfalls in die Gruppe zählen Pfeifen und Trommeln jeglicher Art. 

Monophone Synthesizer

Auf dem Markt gibt es eine schier unvorstellbare Menge an monophonen Synthesizern.  Besonders analoge Geräte sind oftmals monophon ausgeführt. Das liegt unter anderem daran, dass die für die Klangerzeugung erforderlichen elektronischen Komponenten in wesentlich geringerer Menge benötigt werden. Das Resultat ist ein geringerer Preis, der für viele Musiker, insbesondere Einsteiger, erschwinglicher ist. Auch für Hersteller ist es mit geringerem geschäftlichem Risiko verbunden, monophone Synthesizer zu entwickeln. Aufgrund der niedrigeren technischen Komplexität sind die Geräte einfacher zu entwickeln, was Kosten und Zeit für die Entwicklung senkt. 

Die ersten Synths, die das Licht der Welt erblickten, waren durchweg monophon. Zu den berühmtesten Modellen der ersten Stunde gehören unter anderem Moogs Minimoog, der Pro-One von Sequential oder der VCS 3 von EMS. In seltenen Fällen wurden auch digitale Synths monophon ausgeführt, wie zum Beispiel der Casio VL-1. 

Stranger – monophone digitale Synths sind wirklich selten – der Casio Vl-1

Andere, in den meisten Fällen monophone Geräte, sind modulare Systeme. Allen voran geht hier das A100 System von Doepfer. Auch in der Vintage-Welt finden sich viele monophone Modulare, wie zum Beispiel das System 100/700 von Roland oder der ARP 2500.

Duophone und paraphone Klangerzeugung

Seit eh und je scheiden sich die Geister an den Begrifflichkeiten duophon und paraphon.

Wie ihr im folgenden Kapitel feststellen könnt, nutzen viele Anbieter die beiden Begriffe nicht immer korrekt. Oft setzt sich duophon als Bezeichnung für eigentlich paraphone Synthesizer durch, da der Begriff für viele besser verständlich ist. Der aus dem Lateinischen stammende Begriff „Para“ kann auch mit einer negativen Konnotation verbunden werden. Geläufige Übersetzungen ins Deutsche sind „neben“, „nebenher“ oder gar „falsch“, was wohl ein weiterer Grund für die Wahl eines alternativen Begriffs ist. 

Die (theoretische) Definition der Duophonie beschreibt einen Synthesizer, der zwei vollständige und komplett individuelle Stimmen besitzt. Das bedeutet, dass die Architektur vom Oszillator bis zum VCA für beide Stimmen komplett ist. Duophonie ist also eine Sonderform der Polyphonie. 

Die paraphone Klangerzeugung ist stattdessen eine Spezialform der Monophonie. Die inzwischen nur noch recht selten genutzte Technik stammt aus einer Zeit vor dem Release der ersten Polys und kann als eine Übergangstechnik gesehen werden.  

Der größte Wissensspeicher der Welt Wikipedia definiert Paraphonie damit, dass mindestens ein Teil der Stimmarchitektur dieselben Komponenten verwendet.

Wie bei der duophonen Klangerzeugung, können beim Betätigen von mehreren Tasten des Keyboards mehrere verschiedene Tonhöhen erzeugt werden. Jeder der Tasten steuert also die Frequenz von einem Oszillator an. Die Besonderheit ist, dass sich alle Oszillatoren einen Teil des restlichen Signalpfades teilen. Je nach Modell werden nur Teile der Architektur oder der komplette Rest des Pfades geteilt. 

Bedingt durch die gemeinsame Verwendung der Hüllkurven können schnelle Arpeggios und Notenfolgen weniger gut dargestellt werden, da je nach Signalfluss mit jedem Tastendruck die Lautstärkehüllkurve neu getriggert wird. Die Erzeugung von Flächen funktioniert aber mit paraphonen Synths super. 

In vielen Fällen sind paraphone und duophone Synths günstiger als ihre polyphonen Pendants. Das liegt an der im Vergleich deutlich reduzierten Menge an nötigen Komponenten. Wie auch beim Monophonen ist die Komplexität des Systemdesigns wesentlich niedriger. Klanglich ist dennoch bedeutend mehr möglich als mit einem klassischen Mono-Synthesizer. 

Duophone und paraphone Synthesizer 

Ein perfektes und aktuelles Beispiel für die unklare Beschreibung der Synthesetechnik ist Moogs Sub 37. Dieser wird vom Hersteller als „Paraphonic Analog Synthesizer“ beworben. Auf dem Bedienpanel befindet sich aber eine Taste mit der Bezeichnung „Duo Mode“. Dass sich nicht einmal der Primus der Szene an dieser Stelle klar ausdrückt, ist mehr als bezeichnend für das im vorherigen Abschnitt beschriebene Problem.  

Hier scheiden sich die Geister – der Duo-Mode am Moog Sub 37

Ein weiteres Beispiel für die fehlerhafte Verwendung der Begriffe in der Vergangenheit ist der ARP Odyssey – der erste kommerziell erhältliche Synth, der in der Lage war, zwei Noten gleichzeitig auszugeben. In frühen Anzeigen findet man sogar einen Verweis darauf, dass das Gerät polyphon ist, obwohl es sich „bloß“ um einen paraphonen Signalpfad handelt.  

ARP Odyssey – polyphon oder doch nicht?

Es gibt meines Wissens kaum Geräte, die eine komplett autonome zweistimmige Architektur bieten. Eine Ausnahme bilden der Korg 800DV und Oberheims Two-Voice. Mit beiden Geräten ist es möglich, zwei komplett voneinander unabhängige Stimmen mit einem Keyboard anzusteuern. Unter akkuraten Gesichtspunkten müsste man die Geräte aber als duotimbral bezeichnen, da die Bedienpanele für jede Stimme einen kompletten Satz aller Parameter bieten. Hier entpuppt sich das größte Problem bei der Nutzung, denn für ein wirklich duophones Spiel müssen beide Stimmen komplett gleich konfiguriert werden. Das ist aufgrund der ungenauen Kontrolle über die Parameter und der nie gleich gestimmten Oszillatoren nahezu unmöglich. 

In einigen speziellen Fällen ist es möglich, dass mehr als zwei Oszillatoren getrennt angesteuert werden können. So bietet der Korg Poly 800 zum Beispiel ganze acht getrennt ansteuerbare Oszillatoren, die sich ein Filter teilen.

Moderne Beispiele für paraphone Synths sind zum Beispiel der Waldorf Pulse 2 oder Circuit Mono Station von Novation. 

Moderner Paraphoner – Novations Circuit Mono Station

Polyphone Klangerzeugung

In der Welt der polyphonen Synthesizer sind heutzutage 16 Stimmen normal. Bei digitalen Synths ist die Menge an verfügbaren Stimmen meist nur durch die Prozessorleistung begrenzt. Viele Workstations kommen auf 128 und mehr Stimmen. Was noch fehlt, um die volle Performance beim Spielen zu erreichen, sind lediglich 118 weitere Finger. Doch auch ohne außerirdische Hände bringen viele Stimmen durchaus Vorteile. So können Noten mit viel Release-Zeit lange ausklingen, ohne abgeschnitten zu werden, wenn neue Noten getriggert werden. Natürlich profitieren auch Sequenzen „aus der Konserve“, also gespielt von einem Sequencer, von hoher Polyphonie und erzeugen Songs, die konventionelle Musiker schlechthin nicht performen könnten. 

Eine weitere Besonderheit vieler polyphoner digitaler Klangerzeuger ist Multitimbralität. Diese Funktion ermöglicht es, dass verschiedene Bereiche, sogenannte Zonen des Keyboards, komplett verschiedene Patches spielen. Für den geübten Musiker ergeben sich so schier ungeahnte Möglichkeiten. 

Polyphone Instrumente

Die geläufigsten polyphonen Instrumente sind Klavier und Piano. Auch Orgeln gehören zu dieser Gruppe. Die meisten Instrumente haben eine dedizierte Saite (oder im Falle der Orgel eine Pfeife) für jede Note. Eine Ausnahme bilden hier einige Clavichords bei der mehrere Hämmer auf eine einzelne Saite schlagen. 

Ebenfalls zu den Polyphonen zählen die meisten elektromechanischen Instrumente. Bei diesen werden mechanische Komponenten in Schwingung versetzt und mit Tonabnehmern einzeln elektronisch verstärkt. Der wohl bekannteste Vertreter dieser Gattung ist die Hammond-Orgel.  

Polyphonie in einem Land vor unserer Zeit – die Hammond C3

Eine weitere Gattung der wirklich analogen Polys sind Gitarren jeglicher Art. Auch Streichinstrumente sind in der Lage, mehrere Noten gleichzeitig zu erzeugen. Es ist allerdings nicht ganz so einfach, diese polyphon zu spielen. 

Polyphone Synthesizer, Frequenzteiler und Voice-Allocation

Nur weil ein Instrument verschiedene Tonhöhen wiedergeben kann, ist es nicht automatisch polyphon. So können in einem Design generell Hunderte Oszillatoren vorhanden sein, die auf verschiedenen Tonhöhen unabhängig voneinander erklingen. Erst die dedizierte Kontrolle der Lautstärke dieser Oszillatoren sorgt dafür, dass sie als verschiedene Noten wahrgenommen werden. Jede Stimme benötigt also einen eigenen VCA inklusive Hüllkurve, um die erste Voraussetzung von Polyphonie zu erfüllen. Doch um wirklich polyphon zu klingen, muss auch das Timbre jeder Stimme unabhängig sein. Dies wird durch die Inklusion eines zusätzlichen Filterschaltkreises und einer dedizierten Hüllkurve für jede Stimme erreicht. 

Gelegentlich begegnet einem der Begriff voll-polyphon. Ein Klavier zählt zu der Klasse der voll-polyphonen Instrumente, da jede Taste eine eigene Klangerzeugung (Saite und Hammer) hat. Auch einige wenige Synthesizer bieten dieses Feature. 

Da es aber nahezu unrealisierbar ist, für wirklich jede Taste einen oder mehrer Oszillatoren bereitzustellen, arbeitet man bei analogen Polysynths mit sogenannten Frequenzteilern. 

Diese Schaltungen machen genau das, was der Name vermuten lässt. Sie teilen die Frequenz, die von einem sogenannten Master-Oszillator ausgegeben wird. Auf diese Art können mit mindestens zwölf Oszillatoren (einer für jede Note einer Oktave) die Noten mehrerer Oktaven wiedergegebenen werden. 

Den Grundstein für die polyphonen Synthesizer legte (wie sollte es auch anders sein) der US-Amerikanische Synthesizerpionier Bob Moog. Im Jahre 1975 veröffentlichte Moog den Polymoog. Gedacht als Nachfolger für den Minimoog, leider nur mit mäßigem Erfolg. 

Basierend auf einem Frequenzteiler und einem VCA für jede der 71 Tasten, bot das Gerät volle Polyphonie. So weit so gut – oder doch nicht? 

Der Haken an dem Design ist, dass das Ausgangssignal der polyphonen Architektur von Moog nach dem Mixer durch ein System von EQs, die „Resonators“ genannt werden, geleitet wird. Von dort aus durchläuft das Signal einen weiteren Mixer, in dem es mit dem Ausgangssignal eines weiteren Filters gemischt und zu guter Letzt durch einen extra VCA geleitet wird. Da sich die Sounds am Ende also doch einige der Bauteile des Gesamtsystems teilen, ergibt sich laut der Theorie ein – ihr ahnt es bereits – paraphoner Synthesizer. Auch wenn hier die eigentliche Klangerzeugung durchaus polyphon ist, ist es das Ausgangssignal nicht. Ich möchte es hier aber nicht zu genau nehmen und bezeichne den Polymoog deswegen als einen echten Poly. 

Dieses exotische Design kam leider zu einem hohen Preis, denn das Gerät war schwer und teuer. Über die Lebenszeit wurde es auch von vielen Ausfällen und damit einhergehend nötigen Reparaturen begleitet. 

Korg PS-Serie – der einzige vollanaloge Polysynth

Die Legenden der Korg PS-Serie erzeugten ebenfalls mittels Frequenzteilern einen vollpolyphonen Sound. In den Synthesizern mit dem größten Bauteilaufkommen aller Zeiten werkeln nicht weniger als 48 Oszillatoren. Leider sind die Sprösslinge der PS-Serie nur in extrem kleinen Stückzahlen gebaut wurden und heute nahezu unbezahlbar. Da Korg zur damaligen Zeit keinerlei digitale Technik verwendete, handelt es sich bei der Serie technisch gesehen um die einzigen voll-analogen Polysynths, die je gebaut wurden. 

Mitte der siebziger Jahre eroberte eine neue Technologie die Welt im Sturm. Mit dem Aufkommen von digitaler Elektronik änderte sich auch in der Welt der Synthesizer einiges. 1973 entwickelten Dave Rossum und Scott Wedge mit ihrer Firma Eµ, die später in E-Mu Systems umbenannt wurde, das digital gescannte polyphone Keyboard. Auf Basis der 6-Bit-Technologie war es möglich, bis zu acht gedrückte Tasten gleichzeitig zu erkennen.    

Durch die Kombination dieses Keyboards mit einer sogenannten „Voice Allocation Unit“ gelang es Tom Oberheim mit dem Four-Voice, vier baugleiche monophone Module so anzusteuern, dass ein polyphones Spiel möglich wurde. Dieser frühe Polysynth hatte allerdings wie sein Vorgänger Two-Voice das Problem, dass für polyphones Spielen alle 4 SEMs die gleichen Settings haben mussten. 

Oberheim Four Voice – der erste Synth mit Voice Allocation Keyboard

Im Jahre 1976 löste E-MU das Keyboard mit dem neuen Modell 4060 ab, das zum ersten Mal in der Geschichte auf einem Mikroprozessor basierte (der Four-Voice war komplett diskret aufgebaut). Eben jener Prozessor war die Basis für den 1977 erschienenen Sequential Prophet-5 und ebnete auch den Weg für die digitale Speicherung von Parameterwerten.  

Der wohl beste analoge polyphone Synth der Geschichte kam aus dem Hause Roland. Der Jupiter 8 ist bis heute einer der meistgesuchten analogen Polysynths und begeistert mit einem großartigen Klang und einer unheimlichen klanglichen Bandbreite. 

The one and only Polysynth – Roland Jupiter-8

Note-Priorities

Ein sehr wichtiges Thema für die Realisierung von polyphonen wie auch monophonen Architekturen ist die Frage, wie die verfügbaren Stimmen verteilt werden, wenn mehr Keyboardtasten gedrückt werden, als Stimmen verfügbar sind. 

Im Falle von monophonen Synths fragt man sich natürlich als Erstes, warum bei einem Synthesizer, der nur einen Ton abgeben kann, überhaupt bedacht werden muss, welche Tasten des Keyboards priorisiert werden. Normalerweise spielt man dann doch nie mehr als eine Taste auf einmal? Die Realität sieht anders aus. In den meisten Fällen überlappen sich gespielte Noten, wenn auch oft nur leicht. Dies führt, je nach Note Priority, zu großen Unterschieden im resultierenden Klangbild. 

Die am meisten verbreitete Herangehensweise nennt sich „Lowest Note“. Wie der Name schon sagt, wird bei den in den meisten Fällen amerikanischen Geräten immer die niedrigste gehaltene Note priorisiert. Bei fast allen japanischen Synths werden mit dem „Highest Note“-System, wie auf der Hand liegt, die höchsten Noten priorisiert. 

Als Kontrast zu den beiden Systemen finden in weniger häufigen Fällen „Last Note“ und „First Note“-Konzepte Anwendung. Hier bestimmt der Zeitpunkt, an dem die Tasten gedrückt werden, darüber, welche priorisiert werden.
Keines der beschriebenen Systeme ist besser als das andere. Wichtig ist nur, dass dem Künstler klar ist, nach welchem System sein Synth arbeitet und die Spieltechnik entsprechend angepasst wird. 

Technisch gesehen wird die Note-Priority im Fall von Polys von Mikroprozessoren realisiert. Bei Monos ist es möglich, analoge Schaltungen zu konstruieren, die die entsprechenden Charakteristiken realisieren. In modernen und meist digitalen Synths übernimmt diesen Job eine Funktion in der Firmware. Oft kann hier die Priorität frei gewählt werden.  

Welcome to the future – Mikroprozessoren steuern Voice-Allocation und Note-Priority