Workshop: Replicant A – Synthesizerkonstruktion mit NI Reaktor, Teil 1

Kapitel 1: VCO

Ein VA-Oszillator des 21. Jahrhunderts sollte folgende Features haben:

mehrere modulierbare Kurvenformen
Synchronisation
Frequenzmodulation (im Audiobereich), linear und logarithmisch
einstellbare Startphase

Von den Oszillatormodulen in Reaktor ermöglichen nur die mit den Standard-Kurvenformen über obengenannte Möglichkeiten, deshalb verwenden wir sie auch, obwohl lediglich das Rechteck modulierbar ist. Die anderen Wellen kriegen eine Spezialbehandlung.
Dazu kommt ein Ramp-Modul im Scope Osc-Macro. Das dient mehreren Zwecken, wie der Name schon sagt für die Synchronisierung des Oszilloskops, aber auch für Oszillator-Sync und anderes ist es zuständig.

VA-Oszillator mit Modulationsmischer

Fine Tune ist exponentiell eingerichtet, damit man langsame Schwebungen gut einstellen kann. Bei einer Quadrierung muss natürlich das Vorzeichen mit einem Rectify/Sign korrigiert werden. Key Follow (KF%, skaliert in Prozent) ist nicht nur für Viertelton-Skalen u.ä. zuständig, bei synchronisierten VCOs z.B. kann man spezielle Sync-Sounds erstellen, wenn einer der beiden Oszis z.B. eine konstante Tonhöhe hat. Auch FM-Sounds kann man damit verbiegen.
Level ist von -100 bis +100% skaliert, so kann man die Phase umkehren. Bei Sägezähnen z.B. ist es ein großer Unterschied, ob man gleich- oder gegenphasige zusammenmischt. Die Modmischer der VCO-Level sind Summierer, im Gegensatz zum dem des VCA-Levels (siehe Kapitel über Modulationen), denn an dieser Stelle lässt sich damit besser arbeiten als mit einem Multiplizierer.

Die VCO-Structure

Wir packen die eigentliche Oszi-Schaltung ein Stacked Macro (es ermöglicht, umschaltbar nur eines von mehreren Sub-Macros einzublenden), damit mehrere Klangerzeugungen integriert werden können, neben Virtuell-Analog gibt es Wavetable Synthese und Phase Distortion (zu letzteren beiden kommen wir in Teil 4). Für Bedienelemente, die für die verschiedenen Modi unterschiedlich sind, ist ein zweites Stacked vorgesehen (MDC, Mode Dependant Controls).

Drei umschaltbare Oszi-Modelle in einem Stacked Macro: VA, WT und PD

Wellenformen
Die Wellenform-Schalter sind Lamps mit einer Skin-Bitmap, über die eine Mouse Area gelegt ist. Wie das funktioniert, ist im Kapitel über die Mischer beschrieben, die Modmixer-Umschalter funktionieren auch nach diesem Prinzip.

Schicker als das NI-Design: Selbstgepixelte Skins

Den Sinus übersteuern wir, aber von der Nullinie aus. Bei positiver PW werden die verbleibenden Spitzen verstärkt, so dass wir up/down-Sinus-Peaks erhalten. Das ergibt einen glockigen Klang, der sich z.B. gut für E-Piano-Sounds eignet. Bei negativer PW wird nur die eine Hälfte des Sinus verwendet, wir erhalten eine asymmetrische Kurvenform mit mehr geradzahligen Obertönen. Prima für Orgelimitate, und in der Tat findet man sie mit 50% Pulsbreite bei einigen Orgeln der 70er Jahre. Aber auch für Synthetisch-Metallisches ist sie gut geeignet.

Das Dreieck quantisieren wir verschieden in beiden Richtungen und überblenden es mit dem Ergebnis. In den Endstellungen der PW erhalten wir gestufte Rechteckwellen mit unterschiedlichen Tastverhältnissen, es bleibt also bei ungeradzahligen Obertönen (Dreieck und Rechteck enthalten keine geradzahligen). Auch schön metallisch, aber etwas softer als ein richtiges Rechteck.

Den Sägezahn verarzten wir ähnlich wie den Sinus, jedenfalls bei positiver PW. Bei negativer klappen wir die Flanken nach oben, bis fast ein Rechteck daraus wird. In beide Richtungen werden also die geradzahligen reduziert.

Beim Rechteck bleiben wir einfach bei der üblichen PWM, die ist kaum zu verbessern. Natürlich ist der Einstellbereich hier 0-100%, denn eine thru-zero-PWM hört sich anders an als eine von 50-100%.

Hier alle Wellenformen einmal per Envelope durchgesweept (Sin, Tri, Sqr, Saw):

Synchronisation
Als nächstes kommt die Synchronisation an die Reihe. Die Sync-Modulation, also die Tonhöhenmodulation beim Slave, betreiben wir zusätzlich zur normalen Pitch-Modulation. Erstens ist das praktisch, da man die Modulationen nicht umbasteln muss beim Wechsel zu non-Sync-Modus, und zweitens ist sie erforderlich für den Auto Sync. Wir bauen nämlich mehrere Betriebsarten ein:

• Key Sync, bei Notenstart wird mit wählbarem Trigger gesynct (die Trigger werden im Kapitel MIDI-Interface behandelt)
• VCO Sync, der jeweils andere VCO ist Master
• Auto Sync, der interne Scope Osc fungiert als Master-Oszi und der VCO kann sich selbst syncen
• Noise Sync, hier wird mit dem Rauschen aus dem Noise gesynct, das ist ein wenig experimentell
• Key Random, eine Art Anti-Sync, dabei wird die Startphase des VCOs zufällig moduliert, wieder in Abhängigkeit vom gewählten Trigger

Die Sync-Abteillung

Key-Sync, also bei Tastenanschlag, ist ein wichtiges Feature, denn damit erhält man Noten mit immer gleichem Anschlag, was vor allem bei Bass- und Sequencersounds wichtig sein kann. Auch beim Zusammenspiel zweier Oszis ist das ganz entscheidend, die Phasenlage machen wir einstellbar mit plusminus einer halben Wellenlänge.
Das Tri Phase Comp-Macro vor dem Tri-Oszi beinhaltet eine Schaltung, die einen Bug kompensiert. Der Einstellbereich für die Phasenlage des Tri-Oszis ist nicht wie angegeben -1 bis 1, sondern -1,5 bis 0,5. Der Sägezahn wird ebenfalls korrigiert, da er mit der positiven Halbwelle starten soll (deshalb die -1 als Amplituden-Input), was ein Phase-Wrap erforderlich macht.

Die Trigger für Key Sync sind wie bei den Envelopes für Mono- und Poly-Modus getrennt einstellbar. Im Mono-Mode empfiehlt sich der Legato Trigger, da die Oszis aller Stimmen dann phasengleich und kontinuierlich durchschwingen, solange eine Note gehalten wird. Anders als sonst üblich funktioniert der Mono-Mode beim Replicant A nämlich mit Poly-Stimmen, das kommt beim MIDI-Interface zur Sprache. Ohne Sync ist die Startphase quasi-zufällig, sie hängt davon ab, ob die Oszis der Stimmen vorher gesynct waren und/oder polyphone Tonhöhenmodulationen erhalten haben. Wenn sie phasengleich laufen, verhalten sie sich auch wie die eines analogen Monosynths. Phasengleichheit im non-Sync-Mono-Modus ist durch Ab/Anschalten der Audio Engine von Reaktor herstellbar, das ist noch verbesserungswürdig (und knifflig).

Beim Auto Sync ist wie erwähnt der interne Scope Osc der Master, der VCO synct sich selbst. Sync- und Tonhöhenmodulation kann man gleichzeitig und getrennt voneinander betreiben.

Noise Sync liefert reichlich kaputtes Zeugs und ist gut für Effekt-Sounds brauchbar. Das Noise stellt man dafür am Besten auf rotes Rauschen o.ä., wir werden mehrere Verfärbungen einbauen.

Der Key Random Sync (KRnd) ist eigentlich gezieltes de-syncing, die Startphase wird bei Notenstart (abhängig vom Trigger) zufällig gesetzt. Das garantiert bei jedem Tastenanschlag einen etwas anderen Sound, vor allem bei zwei aktiven VCOs. Es klingt dann nicht mehr digital-statisch, sondern eher analog-lebendig. Dieses Verfahren wird des öfteren in VA-Synths verwendet.

VCO Sync wird mit dem Scope Osc des jeweils anderen VCOs durchgeführt, der saubere, wellenformunbhängige Nulldurchgänge liefert, im Gegensatz zu den modulierbaren Wellen. Auch die Startphase, Level-Modulationen, FM- und Sync-Einstellungen beeinflussen das Sync-Ausgangssignal nicht.

Ein Ramp dient als Scope-Treiber und Sync-Oszi

Es ist immer Key-getriggert, die Startphasen der eigentlichen Ausgangswellen sind aber bei Master und Slave einstellbar, außerdem kann die des Masters unabhängig getriggert werden. Das ist eine Besonderheit des Replicant A, den üblichen phasenstarren Sync erhält man, wenn der Master mit Trigger als Key Sync läuft.
Eine kleines Problem ergibt sich dadurch beim Notenstart: Der Master erhält eine neue Phasenlage, der Slave schwingt aber mit der alten weiter, bis ein Nulldurchgang kommt. Das hat kurze Phasensprünge zur Folge, es bröselt beim Notenstart. Um die zu verhindern, wird das Sync-Signal kurz vom Master-Trigger unterbrochen mit einer Hold-Envelope und einem Relais, der Slave wird also ebenfalls Key-getriggert.

Die Scopes liefern in manchen Modi etwas irreführende Bilder bezüglich der Phasenlage. Da das Scope immer Key-getriggert ist, wird sie dementsprechend angezeigt. Richtig oder falsch, das ist eine Frage der Perspektive. Wie sich die verschiedenen Trigger im Mono/Poly-Mode auswirken, kann man bei den LFOs sehen, dort ist das Scope an den eingestellten Sync-Trigger gebunden.

Die Umschaltungen, die durch die verschiedenen Modi und Trigger erforderlich sind, sind recht komplex, gilt es doch die Sync-Source, Phasenlage, Trigger und Sync-Modulation gleichzeitig zu routen, immer in der richtigen Kombination. Die Schalter sind in der Structure entsprechend benannt. Der „Sync Source“-Schalter ist der Master der „from Sync Source“, aber gleichzeitig über kreuz mit den  „to Sync Source“ im Stacked:MDC gekoppelt, da die Port-Beschriftung vom Oszillator-Modus abhängig ist. Nur jeweils einer von ihnen ist sichtbar, aber alle „Sync Source“ werden gemeinsam betätigt.

Damit man auf dem Panel den Überblick behält, wird die Beschriftung der gerade nicht zur Verfügung stehenden Parameter ausgeblendet bzw umgeschaltet. Zusätzlich zeigt die Sync-Mode LED den Modus an:

Key Sync = gelb
VCO Sync = rot
Auto Sync = lila
Noise Sync = blau
Key Random Trigger = orange
Sync Off = grau

Nun noch zu einem etwas anschaulicheren Special des Replicant A: Um den Sync zu „analogisieren“, bauen wir ein eigentlich digitales Feature ein, die synchronisierte Amplitudenmodulation (SAM). Das gibt es so nur in den Casio-CZ-Synths bei deren Reso-Wellen. Man bezeichnet dieses Verfahren auch als „Windowing“, es wird einfach eine kurze (eine Master-Wellenlänge lange) synchronisierte Hüllkurve über das Signal des Slaves gelegt.
Wir leiten diese aus unserem Vielzweck-Scope-Oszi ab, der ja schon einen unipolaren Sägezahn liefert, den wir nur noch einstellbar übersteuern und multiplizieren den Oszillator-Ausgang mit ihr.

SAM auf dem Scope

Das blendet die Übergangsstellen der Syncwellen aus, also genau die, an denen die Kurvenform abgeschnitten wird und britzelnde, Aliasing verursachende Ecken und Spitzen hat. das Ergebnis ist ein Sync-Sound, der auch ungefiltert weicher klingt als aus einem antiken Oberheim und superglatt durch die Frequenzen schneidet wie ein Sushimesser durch amerikanisches Toastbrot. Erst ohne, dann mit SAM:

Frequenzmodulation
Von den vielen FM-Methoden picken wir uns die ergiebigsten heraus:
Logarithmierte lineare FM und logarithmische FM, beide mit unipolaren und bipolaren Eingangssignalen (siehe Amazona-Artikel über die Varianten der FM).

Logarithmische FM:
Eigentlich müsste man nur einen Oszi in den logarithmischen P-Eingang eines anderen routen, aber hier ergibt sich ein klitzekleines Problem, der ist nämlich nicht audiofähig. Deshalb müssen wir das FM-Signal logarithmieren und in den audiofähigen F-Eingang speisen.
Die Modulation wird als Pitch-Mod aufgefasst und in Frequenz gewandelt, dann mit dem ebenfalls in Frequenz gewandelten Pitch multipliziert. Das FM-Signal moduliert also Pitch. Die korrekte Berechnung dafür sieht so aus:

Berechnung der logarithmischen FM

Das Power-Modul ist aber im Audiomodus ein echter CPU-Killer, das kann man nicht verwenden. Wie gut, dass es verschiedene Exponentiatoren im Fundus von Reaktor gibt. Wir brauchen das Exp(F), das wir mit einem Offset-Wert so füttern, dass bei einem Mod-Input von 0 eine 1 herauskommt. Das ist viel sparsamer und kann ohne Bedenken ständig mitlaufen.

Viel sparsamer: Exponentiator mit Offset

Das in Frequenz gewandelte Pitch (also die Notenfrequenz) wird hinterher wieder subtrahiert, denn wir wollen nur das reine Modulationssignal übrigbehalten, Pitch wird ja schon in den P-Eingang geroutet. Es muss aber in die Berechnung mit einbezogen sein, da es die Modulationsintensität beeinflusst. Weil wir in Frequenz rechnen, muss diese bei hohen Noten größer sein als bei tiefen. Wir erhalten am Ende eine FM in plus/minus Halbtönen. Den Obertongehalt moduliert man in diesem Modus am Besten durch Level-Mod beim VCO.

Die Schaltung für lin und log FM

Logarithmierte Lineare FM:
Normalerweise wird lineare FM mit tonhöhenunabhängiger Amplitude in den F-Eingang eingespeist, aber das hat den Nachteil, dass der Obertongehalt bei steigender Tonhöhe rapide abnimmt. Um das zu kompensieren, wird die Amplitude entsprechend der Tonhöhe multipliziert, natürlich logarithmisch skaliert, daher die Bezeichnung. Die Modulation wird als Frequenz-Mod aufgefasst und mit dem in Frequenz gewandelten Pitch multipliziert, es ist sozusagen andersherum als bei LogFM: Pitch moduliert das FM-Signal.

Wir müssen deshalb auch hinterher nichts subtrahieren und erhalten eine FM in plus/minus Hertz (mal Tonhöhe, der LinFM-Regler ist ergo kein konstanter Multiplikator und deshalb in % skaliert). Der Faktor 500 bestimmt die maximale FM-Intensität und ist hier so gewählt, dass reichlich Obertöne erzeugt werden können. Bei Bedarf kann man ihn nach Belieben ändern.

Berechnung der logarithmierten linearen FM

Durch die entsprechend der Tonhöhe multiplizierte Amplitude des FM-Signals bleibt die Wellenform konstant wie bei einem „FM“-Synth a la DX7, der keine FM, sondern tonhöhenunabhängige Phasenmodulation als Klangerzeugung hat. Obwohl die LogLinFM etwas anfällig für digitale Rundungsfehler ist, ist sie die FM-Variante mit den saubersten Ergebnissen. Solange das Modulationssignal keine Gleichstromanteile enthält, ergibt sich ein dissonanzfreier Klang, reine Intervalle in der Obertonreihe vorausgesetzt. Etwas exakter ausgedrückt: Die Flächeninhalte unter/über der positiven/negativen Halbwelle müssen gleich sein. Dann kann man den Obertongehalt gut per FM-Intensität modulieren.
Bei unipolarem Modulator hat man natürlich automatisch Gleichstrom im Signal und es gibt auf jeden Fall schwer herausstimmbare Dissonanzen, was aber beabsichtigt ist. Im Gegensatz zur üblichen unipolaren LinFM sind sie jedoch durch die Logarithmisierung chromatisch konstant. Wenn man das anders haben möchte, kann man mit Key Follow gegensteuern.

Hier zwei Beispielsounds, einmal mit linearer und dann mit logarithmischer FM:

Beide FM werden vor dem F-Input addiert, und so bietet der Replicant A das spezielle Feature, die zwei Methoden gleichzeitig betreiben zu können. Das Eingangssignal ist nur für beide gemeinsam wählbar, aber man hat die Wahl zwischen unipolarem und bipolarem Input. Crossmodulation, also gegenseitige FM der VCOs, ist natürlich auch möglich.

Das FM-Ausgangssignal der VCOs ist die gewählte Kurvenform mit FM, aber ohne Level- und Wellenform-Modulation. Der Level der FM ist beim Eingangsregler modulierbar, und modulierte Wellenformen sind problematisch für FM. Erstens wegen eventueller Gleichstromanteile, die die lineare FM empfindlich stören, und zweitens wegen des entstehenden Aliasings. Das macht den Sound schon in den mittleren Lagen kaputt und ist mehr schaurig als schön. Die FM wird aber eingerechnet, damit Crossmodulation möglich ist. Auch beim PD-Oszillator ist das so, nur nicht beim WT-Oszi. Dazu kommen wir später in den Kapiteln 13 und 14.

Die VCO-Ausgangssignale für Audio, Sync, Scope-Sync und FM sind also sehr unterschiedlich, das muss man hier im Hinterkopf haben. Das VCO-interne Scope kann sie alle anzeigen.