Was ist ein Vocoder? Geschichte, Funktionsweise, Varianten

Was ist ein Vocoder? Geschichte, Funktionsweise, Varianten

Hier ein Überblick zu allen Teilen unserer Serie über Klangsynthese:

• Teil 1: Synthesen im Überblick
• Teil 2: Subtraktive Synthese
• Teil 3: Additive Synthese
• Teil 4: FM-Synthese und Phasen-Frequenzmodulation
• Teil 5: Was ist ein Vocoder
• Teil 6: Was ist Granularsynthese?
• Teil 7: Was ist eine Talkbox

Vorwort der Redaktion

In letzter Zeit drängt geradezu eine Fülle neuer Hardware-Vocoder auf den Markt. Darunter beeindruckende Analogmachwerke wie der analoge GRP V22, aber auch digitale Varianten wie der Roland VT-4, der streng genommen gar kein Vocoder ist, aber genau so klingen kann. Und selbstverständlich gibt es längst unzählige Plugin-Varianten für alle gängigen DAWs, mit denen sich der populäre „Roboter-Sprechgesang“ erzeugen lässt. Mit diesem Special wollen wir nun umfangreich darüber aufklären, was genau ein Vocoder ist, wie und wann er entstanden ist und welche Alternativen es aktuell am Markt gibt.

Darüber hinaus heißen wir mit diesem Artikel Erik Steckmann im AMAZONA.de-Autorenteam willkommen. Erik gehörte noch vor Kurzem dem Behringer-Team an, die den Pro-1 entwickelten. Inzwischen hat er sich aber umorientiert und sucht nach neuen Aufgaben. Schön, dass er dabei auch bei uns gelandet ist.

Nun aber viel Spaß mit Eriks Special zum Thema Vocoding.

Eure AMAZONA.de-Redaktion

Geschichte des Vocodings

Die Anfänge des Vocodings

Im Jahre 1939 veröffentlichte Homer Dudley, angestellt bei den Bell Laboratories, der zur damaligen Zeit führenden Organisation für Telekommunikation, nach mehrjähriger Forschungsarbeit eine revolutionäre Technologie, den Parallel Bandpass Vocoder.

Auf der New York World Fair 1939 wurde der Decoderteil des Systems, der „Voder“ (Voice Operation Demonstrator) in einer eindrucksvollen Demo erstmals der breiten Masse vorgestellt. Bedient wurde das Gerät von einer Operatorin, die die Worte über ein komplexes Benutzerinterface manuell triggerte. Das Ergebnis waren kaum verständliche und sehr einfache Sätze, für damalige Zeit ein Quantensprung.

Transatlantik Sprachübertragung

Die Herausforderung der damaligen Zeit war es, eine Möglichkeit zu finden, Sprachsignale günstiger über lange Distanzen zu übertragen als bisher. Das Ziel war eine effektivere Nutzung der Telefonverbindung über den Atlantik, von Europa nach Amerika.

Die Lösung für das Problem war Dudleys Vocoder-Technologie, bei der nur die für die Kommunikation notwendigen Bestandteile der menschlichen Stimme übertragen wurden. Statt dem kompletten Audiosignal wurden nur die Werte der Envelope-Follower übermittelt und das Signal konnte am Ziel bei gleicher Konfiguration wieder hergestellt werden.

Militärtechnik

Dudleys Ideen wurden sehr früh für kriegerische Zwecke verwendet. Im Jahre 1943 wurde in den Bell Labs auf Basis der Vocoder Technologie das mehr als 50 Tonnen schwere SIGSALY System entwickelt. Den Alliierten war es so möglich, ca. 3000 High Level Telefonkonferenzen durchzuführen, die von den Deutschen zwar aufgenommen, aber nicht entschlüsselt werden konnten.

Mit dem HY-2 Vocoder wurde im Jahre 1961 der letzte militärisch verwendete Vocoder gebaut. Selbst die signifikante Gewichtsreduzierung konnte den technischen Rückstand nicht kompensieren.

Auch wenn die Nutzung für kriegerische Zwecke sicherlich nicht im Sinne des Erfinders war, wurden mit den Vocodern eine beeindruckende Menge an neuen und wegweisenden Technologien eingeführt, so zum Beispiel PCM und FSK.

IT & Kommunikationstechnik Technik der Gegenwart

Noch immer ist die Datenkompression, die mit dem Vocoding erreicht werden kann, beeindruckend hoch.

Während normale Audiokompressionsverfahren für low-cost Sprachübertragung mit üblicherweise 8 kHz/16 Bit (96 – 128 kbit/s) arbeiten, kann Sprachverständlichkeit mit einem Vocoder mit nur 2,4 kbit/s erreicht werden.

Bis zum heutigen Tage sind unzählige Standards aus der Technologie erwachsen. So nutzen beispielsweise viele öffentliche Telefonsysteme die Vorteile der niedrigen Bandbreite (ITU G.729). Auch verschiedene Geheimdienste greifen auf Weiterentwicklungen von Dudleys Idee zur Kommunikation zurück.

Viele Fortschritte gab es auch in der Leistungsfähigkeit der Algorithmen. Mit dem MELP Codec wurden Vocoder optimiert für germanische und englische Sprachen entwickelt.

Vocoder in der Popmusik

Die Anfänge

Das erste Musikstück, welches durch einen Vocoder gespielt wurde, war eine der Produktdemonstrationen für die Vorstellung der Technologie. Aufnahmen des irischen Volksliedes „Old Sweet Song“ wurden nebst verschiedenster anderer Klangquellen zur Bewerbung der neuen Technik genutzt. Zur damaligen Zeit erkannte niemand das musikalische Potential des Vocoder-Sounds und er sollte für viele Jahre unter dem Radar bleiben.

Erst ca. 20 Jahre später wurden in den Siemens Studios erste Experimente für die Verwendung von Vocodern in Musik gemacht.

Etwas später, im Jahre 1968 kam es dann zur ersten kommerziellen Verwendung für die Musikproduktion. Den Vocoder, den man auf dem Album „Electronic Music For Children“ hören konnte, wurde von Musikpionier Bruce Haack nach den Plänen Dudleys selbst gebaut.

Im Klassiker „A Clockwork Orange“ fand der Vocoder die erste Verwendung in Filmmusik. Der Soundtrack zum Film wurde zum Klassiker, selbst nachdem der Regisseur Stanley Kubrick den Film aus der öffentlichen Vorführung entfernt hatte.

Vocoder in den 70/80er

Der große Durchbruch gelang dem Vocoder auf dem Album „Autobahn“ der deutschen Band Kraftwerk im Jahre 1974. Die ikonischen Vocoder-Vocals werden jedem Leser ein Begriff sein. Dies brachte die Sounds endgültig in den Mainstream. Die futuristischen Klänge waren ein entscheidender Bestandteil im Science Fiction Branding der Band.

https://www.youtube.com/watch?v=5DBc5NpyEoo

DJing und insbesondere Afrika Bambaataa nutzen Vocoder extensiv in den 80er Jahren. Das Hit Album „Planet Rock“ von 1982 macht extensiven Gebrauch von Vocoder-Sounds und wird von vielen als einer der Wegbereiter der Hip Hop Bewegung gesehen.

Die Gegenwart

Mit dem Anbrechen des neuen Jahrtausends und der wachsenden Vielfalt in den Subgenres der elektronischen Musik brach für den Vocoder ein zweiter Frühling an.

Der wahrscheinlich bekannteste Vocoder-powered Act der Neuzeit ist mit Sicherheit Daft Punk. Die Band bezeichnet die Anonymität der Stimme als essentiellen Teil ihrer Identität und ließ sogar Gastsänger auf ihren Alben durch Vocoder singen.

https://www.youtube.com/watch?v=GDpmVUEjagg

Auch Pop- und Rockmusik machen weiterhin Gebrauch der Stimmverfremdung. So veröffentlichten Bands wie Coldplay und Atari Teenage Riot Recordings von bekannten Vintage-Vocodern auf ihren Alben.

Bekannte Alben mit Vocodern

Vocoder sind auf unzähligen Releases verschiedenster Genre zu hören. Einige davon stachen und stechen besonders heraus. Kunst liegt im Auge des Betrachters. In diesem Sinne ist die folgende Liste nicht als vollständig oder akkurat zu betrachten.

• ELO – Mr. Blue Sky (1977)
• Kraftwerk – The Robots (1978)
• Phil Collins – In The Air Tonight (1981)
• Laurie Anderson – O Supermann (1982)
• Afrika Bambaataa – Planet Rock (1982)
• Daft Punk – Around The World (1997)
• Coldplay – Midnight (2014)

Wie funktioniert ein Vocoder

Bandzahl

Für akzeptable Sprachverständlichkeit sollte ein Vocoder mit mindestens 10 Bändern arbeiten. Die Grenzfrequenzen sollten an die Charakteristika der menschlichen Stimme angepasst sein.

Einige kommerzielle analoge Vocoder trennen das Signal in bis zu 30 Bänder auf, was zu extremem Schaltungsaufwand und damit verbundenen Kosten führt. Die Herausforderung ist hierbei der mit jedem Band hinzugefügte Rauschanteil. Digitale Vocoder sind in der Bandzahl nahezu unbeschränkt.

 Signalfluss

Ein Vocoder-System besteht aus einem Analyseteil und dem angeschlossenen Syntheseteil.

Im Analyseteil wird das Eingangssignal, die menschliche Stimme, in definierte Frequenzbestandteile zerlegt. Hierzu wird das Audiosignal durch eine Reihe von Bandpassfiltern geleitet und mittels Gleichrichtern zu Spannungswerten gewandelt. Über einen Envelope Follower werden im letzten Teil der Analyse aus den vorhandenen Spannungen die Modulationssignale für die spätere Verwendung erstellt.

Im Syntheseteil werden die Signale, die im Analyseteil erstellt wurden, auf den Carrier angewendet. Dieser wird dazu in gleichartige Frequenzbestandteile zerlegt, wobei die Lautstärke der Bänder durch die vorher gewonnenen Modulationssignale dynamisch verändert wird.

Voiced/Unvoiced

Die menschliche Stimme erzeugt Vokale durch die Variation der Frequenz eines statischen Tons mittels der Stimmbänder. Bei der Erzeugung von Konsonanten werden durch die Position von Mund und Zunge rauschhafte Anteile im Signal variiert.

Da die Envelope Follower mit einer wesentlich niedrigeren Geschwindigkeit arbeiten als die menschliche Stimme Impulse produziert, kommt es zur bekannten „Verunmenschlichung“ der Stimme.

In vielen Fällen nutzen Vocoder eine Basisschwingung, gemischt mit einem Rauschen, um das Carrier-Signal zu erzeugen. Durch die Kontrolle der Lautstärken der Frequenzbänder dieses Signals können nur vokalartige Töne erzeugt werden.

Die Erzeugung von Konsonanten wird mittels einer speziellen Schaltung im Analyseteil realisiert. Das Voiced/Unvoiced-System analysiert das Eingangssignal auf seine Stimmhaftigkeit. Sollten stimmlose Anteile erkannt werden, so wird dem Carrier-Signal auf dem entsprechenden Band mehr Rauschen zugemischt.

Anwendung

Zur Vereinfachung möchte ich mich in diesem Artikel nur auf die Verwendung in der Musikproduktion fokussieren.

Vorbereitung der Vocal-Recordings

Den maßgeblichsten Einfluss auf das Ergebnis bekommt der Nutzer durch die Kontrolle über das Eingangssignal.

Das Sprachsignal sollte möglichst stark komprimiert sein. Je gleichmäßiger die Lautstärke ist, desto besser funktioniert die Analyse. Bitte versucht nicht, das Signal völlig zu plätten. Besonders die ersten Transienten sind wichtig für die korrekte Funktion des Voiced/Unvoiced-Detektors.

Es ist hilfreich, das Signal mittels Filtern so weit zu beschneiden, dass nur die maßgeblichen Teile ins System kommen. Die Verwendung eines Gates wird dafür sorgen, das Gesamtrauschen niedrig zu halten und ist daher ebenfalls zu empfehlen.

Design des Carrier-Signals

Als Carrier-Signal lässt sich jede periodische Schwingung nutzen. Je mehr Obertonanteil darin vorhanden ist, desto natürlicher wirkt die Stimmwiedergabe. Besonders geeignet ist ein Sägezahn-Oszillator, der die charakteristische Roboterstimme erzeugt.

Die Tonhöhe des Carriers entscheidet über die Grundtonhöhe des Ausgangssignals. Für optimale Sprachverständlichkeit sollte daher eine Frequenz gewählt werden, die dem Grundton der menschlichen Stimme entspricht (120 Hz – 160 Hz bei Männern und 220 Hz – 330 Hz bei Frauen). Im Umkehrschluss führen Pitches, die weit weg vom eigentlichen Grundton der Stimme liegen, zu unnatürlichen Ergebnissen.

Erhöhung der Sprachverständlichkeit

Sollte die Sprachverständlichkeit trotz aller vorangegangener Tricks immer noch zu niedrig sein, kann man im finalen Mix etwas tricksen. Hierzu wird einfach eine Kopie des Eingangssignals durch ein Hochpassfilter gesendet und dem Ausgangssignal des Vocoders leise beigemischt.

Verschiedene Anwendungen für einen Vocoder

Vocoder als Filterbank

Ein Carrier-Signal, das mit statischen Werten (ohne Modulatorsignal) moduliert wird, erzeugt statische Lautstärken auf getrennten Frequenzbändern. Dies entspricht dem Prinzip einer Filterbank. Viele analoge Vocoder erzeugen hierbei besonders eigene Klangfärbungen, die für den Mix durchaus interessant sein können.

Alternative Modulatoren

Anstatt Sprache können auch andere Signale als Modulatoren verwendet werden. So können Drumloops in vielen Fällen musikalisch interessante Ergebnisse hervorbringen.

Kommen wir nun zum einem Überblick von Hard- und Software-Vocodern:

Die nun folgende Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern soll lediglich aufzeigen, in welche unterschiedlichen Versionen Vocoder heute am Markt zu haben sind. Beginnen wir mit der Rubrik …

Plug-in Software-Vocoder (VST/AU..)

Software-Vocoder haben heutzutage viele Vorteile gegenüber der physischen Konkurrenz. Sie sind preiswert, auf den meisten Rechnern lauffähig und vor allem leistungsstark.

iZotope Vocalsynth 2

Isotope Vocalsynth II

In iZotopes Synthesizer trifft modernes Vocoding auf Vintage-Sound. Alles wird über ein „Anemone“ genanntes Meter visualisiert, das sich in der Mitte des Benutzerinterfaces befindet. Neben Vocoder-Sounds bietet Vocalsynth 2 auch die Modi Compuvox, Biovox, Polyvox und Talkbox, mit denen ähnliche Stimmverfremdungen erwirkt werden können.

TAL Vocoder

Der kostenfreie TAL Vocoder der Schweizer Software-Schmiede Togu Audio Line ist eine hochwertige Emulation von Rolands SVC-350. Geboten werden neben 11 Bändern auch ein integrierter Carrier-Synthesizer und ein Chorus-Effekt.

TAL Vocoder

Digitale Hardware-Vocoder

Die größten Vorteile der digitalen Vocoder sind neben dem Preis die hohe Anzahl an möglichen Bändern und das niedrige Rauschen des Gesamtsignals.

Korg Microkorg

Nicht nur wegen seines niedrigen Einstiegspreises ist der Microkorg ein oft gesehener Synth in vielen Studios. Das Design war so erfolgreich, dass Korg im Jahre 2016 mit dem Microkorg S eine Neuauflage wagte.

Korg MicroKorg

Was wir von der Neuauflage halten, könnt ihr hier lesen.

TEST: KORG MICROKORG S, SYNTHESIZER

Waldorf STVC

Mit seinem stabilen Stahlgehäuse, 49 Tasten mit Aftertouch und den Potis aus Metall sieht der STVC nicht nur gut aus, auch die Engine hat es in sich. Der Vocoder verfügt über 250 Bänder und wird über die Streichersektion mit einem Carrier-Signal aus der angeschlossenen Streichfett Engine befeuert. Ein besonders cooles Feature ist die „Freeze“-Funktion, mit der Modulatorsignale auf Knopfdruck geloopt werden können.

Waldorf STVC

Wir haben uns den STVC schon vor dem Release angeschaut.

PREVIEW: WALDORF STVC, STRING SYNTHESIZER & VOCODER

Analoge Hardware-Vocoder

Wie eingangs erwähnt, sind analoge Vocoder meist sperrig, teuer und durch die hohe Anzahl an Bauteilen anfällig. Potentiell bieten sie nur wenige Möglichkeiten zur Klangformung und sind daher eher für den Enthusiasten geeignet.

Behringer VC340

Uli Behringers Klon des berühmten vintage Vocoders Roland VP-330 bietet neben der analogen Vocoder-Sektion zusätzlich eine angenehm und vertraut klingende Streichersektion sowie einen analogen Choruseffekt. Das alles gibt es zu einem wahrlich erschwinglichen Preis.

Behringer VC340

Wir haben den VC340 bereits unter die Lupe genommen. Checkt unseren Artikel
TEST: BEHRINGER VOCODER VC340, ROLAND VP-330 KLON

GRP V22

Mit ganzen 22 Bändern wartet der italienische Edel-Vocoder der Firma GRP auf. Im 5U-Format oder mit Holzgehäuse gibt es hier den aktuellen technischen Stand des analogen Vocodings. Mit viel Kontrolle über Carrier, Modulator und die Analyseschaltung bietet das Gerät große klangliche Vielfalt.

GRP V22

Alle Facts zum V22 findet ihr in unserem Artikel
GRP V22 – ANALOG-VOCODER MIT 22 BÄNDERN

Moog Spectravox

Demnächst erscheint von Moog ein neuer Vocoder: Der Moog Spectravox steckt in einem handlichen Eurorack Gehäuse, ist mit 16 Patch-Punkten ausgestattet, bietet 10 Bänder, die sich über die Fader editieren lassen. Auffällig sind auch die 9 Potis über den Faden für weitere Einstellmöglichkeiten.

Moog Spectravox Vocoder

Vintage-Vocoder

Ein Sonderfall der analogen Vocoder sind jene aus vergangenen Tagen. Leider sind die zu damaligen Zeiten bereits sehr teuren Geräte im Vintage-Status nahezu unerschwinglich, möchte man die Investition mit den erweiterten Möglichkeiten der Musikproduktion rechtfertigen.

Korg Vocoder VC-10

Der 1978 auf dem Markt erschienene 20-Band Vocoder VC-10 wurde im Universum der berühmten semimodularen Systems als Erweiterung geboten. Mit integriertem Keyboard und beigelegtem Mikrofon war es möglich, auch ohne technisches Verständnis in den Genuss von Vocoder-Sounds zu kommen.

Korg VC-10 (Photo by RLmusic)

Heute ist der Vocoder auf dem Gebrauchtmarkt für etwa 1500 Euro leider weit entfernt von der Erschwinglichkeit früherer Tage.

Den Korg Vocoder VC-10 verwendeten viele Musiker der damaligen Zeit, darunter unter anderem Keith Emerson, Tangerine Dream und Pink Floyd.

Moog Vocoder

Der aus dem Jahre 1979 stammende Moog Vocoder besitzt 16 Frequenzbänder.

Der Vocoder kommt ohne eigene Oszillatoren oder anderweitige Erzeugung des Carrier-Signals aus und ist demnach vollkommen auf externe Zuspieler angewiesen. Ebenfalls verzichten muss man auf MIDI und CV/Gate.

Moog Vocoder von 1979 (Photo by RLmusic)

Der Vocoder wurde und wird von vielen Musikern verwendet, darunter Alphaville, Giorgio Moroder und Celldweller.

Rehberg EMS Vocoder 3000

Einer der ganz großen Klassiker ist der EMS Vocoder 3000 von EMS. Er kam erstmals 1977 auf den Markt und ist von „gefühlt“ unendlich vielen Elektronik-Acts verwendet worden. Auch er besitzt 16 Frequenzbänder, bietet dazu aber weit mehr Funktionen als z. B. der Moog Vocoder.

Auf Wunsch wird dieser Klassiker heute immer noch in Einzelanfertigung durch die Firma Rehberg gebaut – von Ludwig Rehberg persönlich. Das Technikmonster ist allerdings nicht ganz günstig und kostet aktuell 6.680,- Euro zuzügl. Mehrwertsteuer. Herrn Ludwig Rehberg haben wir übrigens auch schon interviewt  – als Ergänzung zu diesem Special ein echte Empfehlung.

Sennheiser Vocoder VSM201

Der Sennheiser Vocoder VSM201 mit 20 Bändern, erlangte vor allem durch den Einsatz von Herbie Hancock 1978 (in seinem Song „I thought it was you„) einen großen Bekanntheitsgrad.

Sennheiser Vocoder VSM201 (Photoy by Matrixsynth.com)

Roland SCV-350 Vocoder

Am Vintage-Markt deutlich günstiger gehandelt wird der Roland SVC-350.

Der Vocoder des Roland SVC-350 beruht auf der Technik des Vocoders aus dem Roland String-Synthesizer VP-330. Er bietet zwar nur eingeschränkte Möglichkeiten, hat aber seinen eigenen Charme. Hier gehts zum dazugehörigen BLUE BOX Report.

Buchempfehlung

Wer nun tiefer in die Materie einsteigen möchte, dem sei übrigens dieses Buch empfohlen:

Der Einsatz von Vocodern on YouTube

Ebenfalls legendär ist dieser ZDF-Beitrag von Heinz Funk von 1978, der mit Hilfe eines Moog Modular-Synthesizers und Sennheiser Vocoders die umfangreichen Möglichkeiten von Synthesizern demonstriert hat. Viel Spaß: