Teil 3
Technische Grundlagen
Synthesizer Basiswissen:

Was ist eine Schwingung? Wie funktioniert ein Synthesizer?



Synthesizer Basiswissen: Grundlagen

Bevor wir uns näher mit den technischen Baugruppen eines Synthesizers beschäftigen, sollten wir vorab etwas in die Grundlagen einsteigen.
Ich werde versuchen dieses Thema hier nur leicht anzureißen, damit man grob die Zusammenhänge verstehen kann, ohne jedoch zu weit in die Theorie abzudriften. Also nur soviel, wie unbedingt nötig.
Dieses Basiswissen ermöglicht euch später in der Praxis, die Zusammenhänge besser begreifen zu können.
Ohne etwas technisches know-how wird man seinen Synthesizer als Instrument zur Klangsynthese nicht beherrschen können und die Kreativität des Musikmachens wird dabei auf der Strecke bleiben.


Schwingungen

Schallschwingungen entstehen zum Beispiel durch schnelles Hin- und Herpendeln eines Körpers um eine Ruhelage. Das Pendeln hält solange an, bis die gesamte Bewegungsenergie des schwingenden Körpers aufgebraucht ist.





Wenn man eine größere Stimmgabel anschlägt, kann man diese Schwingungen hören, sehen und fühlen.





Der Schwingungsvorgang wird mit dem Ausklingen der Stimmgabel immer schwächer, gedämpft.






Die meisten Menschen können Schwingungen akustisch als Schall nur dann wahrnehmen, wenn sich die Wellen zwischen 16 mal und 17.000 mal pro Sekunde wiederholen. Zwei Halbwellen entsprechen einer Welle / Periode.






Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde bezeichnet man als Frequenz, die in der Maßeinheit Hertz, benannt nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz, angegeben wird.

Hz ist die Abkürzung für Hertz.
1 Hz / Hertz = 1Hz
1 KHz / Kilohertz = 1000Hz
1 MHz / Megahertz = 1000.000Hz
1 GHz / Gigahertz = 1000.000.000Hz
 
Hier eine kleine Auswahl von Frequenzen im Hörbereich:
tiefster Ton einer Kirchenorgel ist das Subcontra – C = 16Hz
Netzbrummen = 50Hz
Kammerton A = 440Hz
Normpegel = 1000Hz
Grundsätzlich gilt: je mehr Schwingungen, um so höher der Ton.

Die Stärke einer Schwingung bezeichnet man als Amplitude, sie entspricht der Lautstärke.






Drei wichtige Dinge haben wir jetzt kennengelernt: Die einfache Sinus-Wellenform, die Frequenz und die Amplitude.


Das verschiedene Instrumente auch so völlig unterschiedlich klingen, liegt an den unterschiedlichen Formen der Schwingungen (Wellenformen), dem Zusammenspiel von Frequenz und Amplitude. Alle Wellenformen bestehen aus Sinuswellen oder einer Mischung daraus. Jede einzelne Schwingung kann eine andere Frequenz und Amplitude haben und mischen sich durch Addition zu einer resultierenden Wellenform. Alle Parameter lassen sich bei einem Synthesizer unabhängig voneinander verändern.


Ton

Eine reine Sinusschwingung, mit eindeutig bestimmbarer Frequenz im hörbaren Bereich, bezeichnet man als Ton. Ein Ton muß sich nicht verändern, er kann über eine unendlich lange Zeit hinweg konstant bleiben. Es ist allgemein üblich, auch Mischungen von Schallereignissen als Ton zu bezeichnen, solange die Frequenz mit einem Frequenzzähler klar bestimmbar ist.
Der Grundton legt die Tonhöhe festlegt und die Obertöne bestimmen die Klangfarbe. Unterschiedliche Klänge entstehen durch verschiedene Obertonreihen, die in Frequenz, Amplitude und in zeitlichen Abläufen differieren.


Geräusch

Verändern sich sehr schnell Sinuswellen, Frequenzen und Amplituden im ständigen Wechsel, so spricht man von einem Geräusch. Hierzu gehören alle Arten von Rauschen (Wasser, Wind, Donner). Eine eindeutig definierbare Frequenz läßt sich bei keinem dieser Geräusche zuweisen.


Klang

Eine Mischung von mehreren Tönen und Geräuschen bezeichnet man als Klang, wenn die Frequenzen der tragenden Töne noch klar zu definieren sind.






Über die physikalischen Grundlagen könnte man sicherlich ganz viele Bücher füllen, aber dies würde an dieser Stelle zu weit führen. Wer sich weitergehend dafür interressiert, kann sich Unmengen an Literatur bedienen oder sich im Internet sattlesen.
Hier beende ich vorerst die graue Theorie, und möchte mich jetzt wieder dem eigentlichen Thema, dem Synthesizer selbst, zuwenden.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen Ton auf elektronischem Wege zu produzieren, doch dazu nachfolgend mehr.


Synthesearten


Subtraktive Synthese

Die subtraktive Synthese ist dabei die gängigste Syntheseart. Sie eignet sich auch am besten, um die Arbeitsweise eines Synthesizers anhand seiner einzelnen Baugruppen zu erklären.
Wegen der Einfachheit werden im nachfolgenden Teil die einzelnen Module in einem Modularsystem beschrieben, denn vieles läßt sich dann auch 1:1 auf andere Synthesizer übertragen.
Später werde ich auch noch kurz auf die wichtigsten anderen Syntheseformen eingehen.



Baugruppen / Module eines Synthesizers

Zur Steuerung eines analogen und analog modularen Synthesizers werden diverse Spannungen benötigt.


Betriebsspannung

Die Versorgungsspanung aus der Steckdose (220Volt~) erfolgt in der Regel über ein stabilisiertes und ausreichend dimensioniertes Netzteil. von Temperatur- oder Netzspannung dürfen die Stromversorgung der Module nicht beeinflussen, sie beträgt zwischen 12 und 15 Volt=.


CV - Steuerspannung / Control Voltage 

Mit den verschiedenen Steuerspannungen werden alle Parameter in einem Modularsystem kontrolliert. Sie bewegen sich in einem Bereich zwischen 0 Volt= und 12 Volt= und müssen äußerst stabil sein.
Als weltweiten Standard hat sich bei der Tonhöhe die 1 Volt/Oktave Charakteristik etabliert. Die Keyboardspannung steigt immer linear mit der Höhe der Töne an. Von Taste zu Taste entspricht das genau 1/12 Volt, da eine Oktave 12 Tasten umfaßt.
Werden bei monophonen Tastaturen mehrere Tasten gedrückt, so wird meist die höchste Steuerspannung ausgegeben, es gibt jedoch auch Synthesizer, bei denen das umschaltbar ist.
Es gibt verschiedene Module, mit denen sich die Steuerspannungen verändern lassen, dazu mehr in der Modulbeschreibung im nächsten Kapitel.


TRIG / Trigger und Gate

Parallel zu der Steuerspannung für die Tonhöhe, werdem noch weitere Signale ausgegeben: Trigger und Gate.
Das Triggersignal kann diverse Abläufe starten, z. B. eine Hüllkurve, etwas schalten oder mehrere Sequenzer synchronisieren.

Bei einem Switch-Trigger (S-TRIG) wird nur kurz ein potentialfreier Kontakt geschlossen, wie ein Schalter. Den S-TRIG findet man nur noch bei wenigen älteren Systemen, z.B. Moog Modular und Minimoog.

Viel häufiger finden wir jedoch den Voltage Trigger (V-TRIG) vor, der aus einem Nadelimpuls, also einer kurzen Spannungsspitze von maximal 10 Volt= besteht.
Voltage-Trigger ist quasi Standard bei fast allen modularen analogen Synthesizern


Als Gate bezeichnet man die Zeitdauer dieser Impulsspannung.
Drückt man beispielsweise auf dem Keyboard eine Taste, so bleibt das Gate solange offen, bis man die Taste wieder losläßt. Wenn man die Taste losgelassen hat, kann mit Drücken der nächsten Taste wieder ein neues Gate ausgelöst werden.






VCO – Oszillator / Voltage Controlled Oscillator

Der Oszillator ist die Basis eines jeden Synthesizers. Dies ist ein elektronischer Schwingkreis, dessen Tonhöhe / Frequenz in Abhängigkeit von der angelegten Steuerspannung steht.





Moog #921 / VCO





Roland #702D / VCO





Synthesiers-Com #106 / VCO


Im VCO wird ein obertonreicher Grundton erzeugt, bei dem durch gezieltes Herausfiltern (Subtrahieren) der überflüssigen Frequenzanteile, der gewünschte Klang geformt wird.

Besonders bei älteren Synthesizern kam es aufgrund der schlechteren Qualität der Bauteile oft zu stärkeren Problemen bezüglich der Stimmstabilität.
Oft genügte schon ein kühler Luftzug, um ein ganzes System zu verstimmen, man mußte die Synthesizer vorher immer erst „warmlaufen“ lassen. Haben sie dann ihre Betriebstemparaur erreicht, wird die Stimmstabilität auch meist über einen längeren Zeitraum beibehalten.

Ein brauchbarer VCO verfügt immer über mehrere Wellenformen, die meistens sogar alle gleichzeitig am Ausgang zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung stehen.
Manche VCOs bieten die Möglichkeit, verschiedene Wellenformen zu mischen.


Wellenformen lassen sich auch mit einem Oszilloskop sichtbar machen.


1. Sinus
Sehr weicher Klang, der keine weiteren Obertöne enthält und sich dadurch auch nicht durch lineares Filtern verändern läßt. Ein reiner Sinus kommt in der natur nicht vor, alle natürlichen Klänge basieren auf Mischungen von einzelnen Sinustönen.



Sinus



2. Dreieck / Triangle
Besteht nur aus den ersten fünf Obertönen.
Einsatzgebiet: Flöten, Glockenspiel, Bässe und Drums, usw.



Dreieck



3. Rechteck / Square
Hier sind die ungeradzahligen harmonischen Obertöne vorhanden. Der Impuls und die Pause haben die gleiche Länge.
Einsatgebiet: Flöte, Klarinette, Oboe, Percussion, usw.




Rechteck



4. Sägezahn / Sawtooth, (Ramp up, Ramp down)
Er enthält alle natürlich vorkommenden Obertöne.
Einsatzgebiet: Geige, Cello, Horn, Trompete, usw.





Sägezahn





Sägezahn




5. Pulswelle / Pulse
Die Pulsbreitenmodulation (PWM) ist eine Sonderform von Rechteck. Sie wird über einen Regler oder eine Steuerspannung geregelt.
Einsatzgebiet: Holzbläser, Querflöte, Saxophon, Baßgitarre, Cembalo.





30% Pulsbreitenmodulation





15% Pulsbreitenmodulation




10% Pulsbreitenmodulation



Viele weitere Wellenformen können durch andere Klangbausteine, z. B. Filter oder Modulationen erschaffen werden, auf die an späterer Stelle noch etwas näher eingegangen wird.




Neben dem Wahlschalter für die verschiedenen Wellenformen (meistens ein Drehschalter) und dem Regler für Modulation der Pulsweite, befinden sich noch weitere Bedienelemente auf der Frontplatte des VCOs.

Einige Synthesizer besitzen für die Grundfrequenz/Tonhöhe einen Drehschalter mit der ungewöhnlichen Beschriftung:
2? 4? 8? 16? 32? 64?

Dies ist die Bezeichnung für die verschiedenen Fußlagen, die in der Maßeinheit „Fuß“ = ? angegeben wird. Sie stammt noch von den Kirchenorgeln und entspricht der Länge der Orgelpfeifen (1 Fuß sind ca. 32 cm). Diese Fußlagenschalter bieten die Möglichkeit die Tonhöhe auf eine andere Oktave umzuschalten.

Andere VCOs besitzen einen stufenlosen Regler für die Frequenz, manchmal auch als Getriebepoti mit Übersetzung ausgelegt. So lassen sich alle Frequenzen stufenlos durchstimmen.

Ein weiterer Regler für die Feinabstimmung der Tonhöhe (Tuning) ist bei beiden Varianten oftmals zusätzlich vorhanden.






VCF – Filter / Voltage Controlled Filter

Das spannungsgesteuerte Filter dient zur Klangformung eines Audiosignals. Es ist der wichtigste Baustein, wenn man aus einem einfachen Ton des Oszillators, einen richtigen Klang formen möchte.
Wie beim Oszillator auch, können alle wichtigen Parameter mit Steuerspannungen zwischen 0 und 10 Volt verändert werden (Voltage Controlled).


Arbeitsweise:
Wird die Dämpfung bestimmter Frequenzanteile verändert, so verändert sich auch das gesamte Klangbild. Ein Filter „schneidet“ also bestimmte Obertöne aus einem Frequenzbereich heraus (Subtraktive Synthese).


1. Eckfrequenz / Cutoff
Dieser Parameter die die Eckfrequenz (Cutoff). Ab dieser Frequenz werden die Obertöne gefiltert und die Amplituden benachbarter Frequenzen werden zunemend abgesenkt. Die Obertöne werden stetig leiser und am Ende völlig ausgeblendet.


2. Flankensteilheit
Wie schnell die Obertöne abgeschwächt werden, liegt an der Flankensteilheit eines Filters, sie bestimmt die Filtergüte. Die Maßeinheit ist Dezibel pro Oktave (dB/Oktave) und liegt zwischen 12dB und 48dB.
Aggressive, brachiale Klänge = hohe Flankensteilheit, weiche Klänge = niedrige Flankensteilheit.


3. Resonanz / Emphasis (Contour)
Wenn die Amplituden der Obertöne durch Resonanz angehoben werden, verändert sich der Klang, der gesamte Klangverlauf wird immer dünner.
Dies kann bis zur Eigenresonanz führen und das Filter fängt zunehmend an zu pfeifen (Sinus), selbst wenn kein Eingangssignal am Eingang anliegt.




10% Resonanz






50% Resonanz





95% Resonanz



Gute Filter lassen sich dann sogar bedingt tonal spielen und recht gut für rhythmische Klänge einsetzen, einen VCO können sie jedoch nicht ersetzen.

Jedes akustische Instrument verfügt über ganz eigene Resonanzfrequenzen, die in Abhängikeit von vielen Faktoren stehen, z. B. Größe und Form der Klangkörper, Material usw.



Filtertypen

Es gibt, je nach Einsatzzweck, verschiedene Filtertypen und Bauarten.

Auf der Suche nach neuen Klängen, erleben auch Synthesizer mit ganz eigenem Filtersound einen regelrechten Boom, Korgs MS-Serie oder der berühmte sahnige Traveller-Filter, der ganz spezifische Sound von Oberheim, usw…

Man unterscheidet zwischen Tiefpass-, Hochpass-, Bandpassfilter (eine Kombination aus Hochpass und Tiefpass), Kammfilter, Formantfilter und Notchfilter (Kerbfilter) sowie Filterbänke. Auf die Funktionsweise der verschiedenen Filtertypen werden wir jetzt im nachfolgenden Teil noch etwas ausführlicher eingehen.


1. LP - Tiefpass-Filter / Low Pass Filter
Ein Tiefpass-Filter ist der Standard und sollte eigentlich in jedem Synthesizer vergebaut sein.

Die tiefen Frequenzen werden hier durchgelassen (Tiefpass = tiefe Frequenzen können passieren), die höheren obertonreichen Frequenzen werden jedoch abgedämpft.




Low Pass Filter



Je nach technischem Schaltungsaufbau, hat jedes Filter auch seinen ganz eigenen Klang, es ist also nicht nur eine Frage der Flankensteilheit.

Man kann ganz pauschal sagen, daß ein Filter mit 24dB etwas kräftiger, rauher und aggressiver klingt, jedoch nicht unbedingt „besser“, wie manche behaupten mögen.

Die meisten Synthesizer besitzen auch heute immer noch das klassische 24dB „Transistor-Ladder“ Tiefpassfilter, wie es ursprünglich einmal von Bob Moog entwickelt wurde. Für viele Hersteller ist die alte Moog Kaskadenschaltung auch heute noch Vorbild, es gibt wohl kaum ein Modul in der Synthesizerwelt, das so oft kopiert wurde.

Aber auch Filter mit 12dB und 18dB Flankensteilheit sind recht gängig, denn wer gerne auch mal einen weichen, gockigen Klang erstellen möchte, kommt um ein Filter mit 12dB Flankensteilheit nicht herum.
Aber nicht nur die Flankensteilheit bestimmt den Klang, maßgeblich ist auch die Schaltungstechnik / Platinenlayout sowie die Qualität der verwendeten Bauteile.
Die alten Roland Syteme 100, 100M und die SH-Serie sind für ihren sahnigen Filterklang berühmt, er wird gerne auch für Bässe und Drums eingesetzt.






Moog #904A / Low Pass Filter



2. HP - Hochpass-Filter / High Pass Filter
Im Prinzip ist das Hochpass-Filter das Gegenstück zum Tiefpass-Filter.




High Pass Filter





Wie der Name schon sagt, können hier die hohen Frequenzsignale das Filter passieren und die Obertöne niedrigen Frequenzen werden herausgefiltert.




Moog #904B / High Pass Filter



3. Notch - Bandsperr-Filter / Band Reject
Es kommt als eigenständiges Modul her recht selten vor, jedoch läßt sich durch die Parallelschaltung von einem Highpass Filter und einem Lowpass Filter auf einfache Weise ein Notchfilter erstellen.
Die Bandbreite des gesperrten Signales liegt zwischen den Grenzfrequenzen der beiden Filter.




Notch Filter



4. BP - Bandpass-Filter / Band Pass Filter
Ein Bandpass-Filter läßt nur ein bestimmtes schmales Frequenzband passieren. Dies kann ein eigenständiges Modul sein oder aber ein Filter Coupler, der ein Lowpass und ein Highpass Filter miteinander kombiniert. Der Filterbereich, also die Bandbreite, besteht aus den beiden Grenzfrequenzen von High und Lowpassfilter.




Band Pass Filter







Moog #904C / Filter Coupler

Der Filter Coupler dient dazu, daß man das ausgewählte Frequenzband bei gleicher Bandbreite mittels Steuerspannungen verschieben kann.



FFB / Festfilterbank / Fixed Filter Bank
In jedem komplett ausgestattetem Modularsystem darf eine sogenannte Festfilterbank = FFB nicht fehlen.
Die FFB kann Bereiche innerhalb eines Klangspektrums gezielt herausfiltern. Für jeden einzelnen Frequenzbereich steht ein eigener Regler zur Verfügung. Sie ist üblicherweise über Steuerspannungen regelbar.




Synthesizers-Com #Q127 / Fixed Filter Bank



VCA – Verstärker / Voltage Controlled Amplifier
Der spannungsgesteuerte Verstärker ist relativ selten, nur wenige Hersteller bieten dieses Modul an. Der VCA kontrolliert die Lautstärke in Abhängigkeit von der anliegenden Steuerspannung. Er kann ein Signal verstärken, also z. B. den Lautstärkepegel anheben.




Moog #902 / VCA - Amplifier



VCA – Abschwächer / Voltage Controlled Attenuator

Auch der Attenuator kontrolliert die Amplitude in Abhängigkeit einer Steuerspannung.
Er kann aber ein Signal nur absenken, das Signal wird also vom Maximum auf den Wert 0 abgeschwächt.
Die meisten Hersteller bezeichnen den Attenuator jedoch als Amplifier, was eigentlich falsch ist, er verstärkt ja nicht.
Bei fast allen Anwendungen spielt das auch keine große Rolle, die Dynamik läßt sich bei beiden Varianten problemlos regeln. Viele VCAs bieten lineare und exponentielle Arbeitsweise an.




Synthesizers-Com #Q108 / VCA Attenuator

Der VCA wird meistens von den Hüllkurven eines Envelope-Generators angesteuert.



EG – Hüllkurven-Generator /
Envelope Generator - ADSR

In der Natur wird sich jedes Geräusch im Lauf der Zeit stetig etwas verändern, in der Klangfarbe sowohl auch in der Lautstärke.
Einige Klänge und Geräusche schwingen ganz leise ein, um dann zunehmend lauter und wieder leiser zu werden, wie das Säuseln von Blättern im zarten Frühlingswind. Bei anderen Geräuschen, wie kräftigem Donner, ist sofort der volle Pegel da.
Wenn man beispielsweise die Taste eines Klavieres anspielt, so wird der anfänglich hohe Pegel immer leiser.
Das ist aber noch nicht alles, denn es verändert sich auch die Klangfarbe.

Mit einem VCF und VCA kann man ein Schallereignis ja in Klangfarbe und Amplitude verändern und jetzt wird noch ein weiteres Modul benötigt, mit dem man die verschiedene Spannungsabläufe programmieren und automatisieren kann.

Der Hüllkurvengenerator produziert genau diese Spannungsabläufe, die unseren Klang so dynamisch und lebendig machen.
Der Ablauf beginnt mit einem Startimpuls, z. B. einem Voltage-Trigger vom Keyboard, einem Sequenzer oder einem Signal aus einem Clock-Sequenzer. Zur Kontrolle des Triggers ist meist eine LED vorhanden. Die vorher eingestellten Steuerspannungsverläufe liegen dann direkt am Ausgang an.


Die gängige Bezeichnung ADSR für den Envelope-Generator ergibt sich aus den Anfangsbuchstaben der einzelnen Parameter:

Attack
Decay
Sustain
Release




Hüllkurve

1. Anstiegszeit /
Attack ist die Zeitspanne vom Beginn einer Hüllkurve mit 0 Volt bis zur Maximalspannung von ca. 10 Volt. Mit dem Attack-Regler kann man einstellen, wie schnell dieser Zeitpunkt erreicht wird (bis max. 15 Sek.).


2. Abklingzeit / Decay
Die Decay ist ebenso eine Zeitspanne und steht in direkter Abhängigkeit vom Sustain. Die Spannung fällt nur auf den Pegel ab, der am Regler für Sustain eingestellt ist. Die Zeitspanne beträgt zwischen 2 und 10 Sekunden


3. Sustain
Der Sustain regelt keine Zeit, sondern eine feste Dauerspannung mit einem Pegel zwischen 0 Volt und 10 Volt, der nach Ablauf der Attack- und Decayzeiten am Ausgang anliegt. Wird ein neuer Startimpuls ausgelöst, schließt auch das Gate wieder und die Spannung wird abgeschaltet.


4. Ausklingzeit / Release
finale Ausklingzeit wird mit dem Regler für Release bestimmt. Sie beginnt mit dem Schließen des Gates und endet nach Ablauf der Ausklingzeit (bis 15 Sek.). Die Spannung sinkt wieder auf 0 Volt ab.


5. Gate
Sobald eine Taste auf dem Keyboard gedrückt wird, öffnet sich das Gate und die Spannung springt auf den Maximalwert. Nach dem die Taste losgelassen wird, schließt sich das Gate sofort und die Spannung fällt auf 0 Volt ab.
Eine Orgel hätte z. B. die Einstellung: Attack = 0, Decay = 0, Sustain Maximalwert, Release = 0 (wie ein Schalter).









Synthesizers-Com #Q109 / EG





PPG #308 / Dual EG



6. Andere Hüllkurven
Manche Synthesizer bieten auch abgespeckte Hüllkurven an, meistens als zusätzliche Hüllkurve zu einer vollen ADSR-Hüllkurve. Für viele Zwecke reicht eine einfache AR / Attack-Release auch aus.




Komplexere Hüllkurven sind jedoch ebenso möglich, z. B. mit einer zusätzlichen Hold-Funktion (Trigger-Impuls wird gehalten bis…) oder einer zusätzlichen Delaytime.








GATE DELAY – Verzögerungseinheit
Ein Gate Delay, auch als Trigger Delay bezeichnet, dient dazu, einen Triggerimpuls zu verzögern. So lassen sich Startimpulse für einen Envelope-Generator zeitlich verschieben um komplexere Hüllkurven zu formen. Die Zeiten reichen dabei von 500 ms bis zu 10 Sekunden.



Moog #911A / Dual Trigger Delay







Roland #713A / Gate Delay



MIXER – Signalmischer / Steuerspannungsmischer

Mit einem guten Signalmixer lassen sich nicht nur die Audiosignale sondern auch Steuerspannungen mischen. Durch die Mischung = Addition von Steuerspannungen ergeben sich wiederum andere Steuerspannungsverläufe und Kurvenformen.




PPG #309 / Signal Mixer + Inverter


Noise Generator – Rauschgenerator / Noise Source, Random Generator

Das Rauschen wird sehr oft als Modulatiosquelle für Zufallsereignisse eingesetzt, daher wird der „Noise Generator“ vielfach auch gerne „Random Signal Generator“ genannt.

Als „weißes Rauschen“ bezeichnet man ein Geräusch, in dem alle hörbaren Frequenzen den gleichen Anteil und die gleiche Amplitude aufweisen. Kann beispielsweise für das Anblasgeräusch einer Flöte oder säuselnden Wind verwendet werden
Dominiert eine Frequenz, spricht man von farbigem Rauschen.
Bei Rosa Rauschen werden höhere Frequenzen herausgefiltert, bei blauem Rauschen die tieferen. Wird für alles düstere verwendet, Gewitter, Wellen, usw.




Noise + Sinus

Random Spannungen bestehen aus den niedrigen Frequenzen eines Rauschsignals und liegen außerhalb des menschlich hörbaren Bereiches.


S&H – Zufallsgenerator / Sample & Hold
Bei einigen Herstellern ist der Noise-Generator vom eigentlichen S&H Modul getrennt, andere fassen es zu einem kompletten Modul zusammen.




Random






Moog #903A / Random Generator





Moog #928 / S&H





PPG#310 / Random Generator


In einem Rauschsignal sind alle Frequenzen enthalten, deren Amplitude sich jedoch ständig verändert. Entsprechend verändert sich also auch die Kurvenform.

Aus diesem Rauschsignal (Random CV) wird dann mehrfach die Spannung gemessen und gespeichert. Die so entnommene Information der Spannungswerte (Sample) wird dann als Steuerspannung bis zur nächsten Messung festgehalten (Hold). Die Anzahl dieser Messungen erfolgt über einen Taktgenerator oder ein externes Triggersignal.

Je nach Einstellung und Patch lassen sich damit VCOs ansteuern und tonale Melodien spielen oder einfach nur ein zufälliges Wellenrauschen erzeugen, die Einsatzbereiche sind sehr vielseitig.


LFO – Niederfrequenzoszillator / Low Frequency Oscillator




Club of the Knobs #C945 / LFO





PPG #305 / Dual LFO


Ein LFO wird fast nur für Modulationszwecke eingesetzt.

Im Grunde handelt es sich hierbei um einen vereinfachten VCO, der speziell die niedrigen Frequenzen bereitstellen soll.
Bei einigen Herstellern lassen sich die normalen VCOs auch als LFO einsetzen, sie bieten daher keinen separaten LFO an.
Ein LFO sollte über die wichtigsten Wellenformen und einzelne Ausgänge verfügen.
Hier ist es besonders wichtig, daß man ihn auch extern ansteuern und synchronisieren kann.
Die Ausgangsspannung liegt zwischen 0 und 10 Volt.
Der LFO ist eines der wichtigsten Bausteine zur Modulation in einem Modularsystem.


INV – Inverter / CV Processor
Der Inverter oder CV-Processor kann die Polarität eines Signales umkehren und ist meistens in anderen Modulen mit eingebaut.
Oftmals stehen hier auch zusätzlich fixe Spannungen von +10 Volt und -10 Volt zur Verfügung, die sich anderen Signalen beimischen lassen.



RM – Quadrant Multiplier / Ringmodulator
Ein einfacher Ringmodulator besitzt keine Regler, sondern nur die beiden Signaleingänge X und Y sowie den gemeinsamen Ausgang Z. Das Ausgangssignal besteht aus den Differenzfrequenzen und Summenfrequenzen der harmonischen Anteile der beiden eingespeisten Quellen, die im RM miteinander multipliziert werden.




Synthesizers-Com #Q116 / RM





PPG #315 / Dual Analog Multiplier


Mit dem Ringmodulator lassen sich so auch nichtharmonische Obertöne erzeugen.
Das Einsatzgebiet ist reicht von schrägen disharmonischen Klängen bis hin zu glasklaren metallischen Klängen, z. B. Glockenklänge.




Multiples / Signal-Verteiler
Hiermit können Signale jeder Art aufgesplittet und verteilt werden.
Das Interface bietet die Möglichkeit auch Systeme mit kleineren Klinkensteckern 3,5 mm in Systeme mit 6,3 mm Klinkensteckern mit einzubinden.




Synthesizers-Com #Q124 / Multiples






Synthesizers-Com #Q122 / Interface


GLIDE – Portamento / Slew-Limiter
Meistens befinden sich diese Bausteine links neben dem Keyboard, es gibt jedoch auch Slew Limiter Module, die man dann beispielsweise hinter einen Sequenzer einschleifen kann. Wird eine Abfolge von unterschiedlich hohen Tönen gespielt, so geschieht dies nicht mehr sprunghaft, sondern die Frequenz „gleitet“ von Ton zu Ton.




Synthesizers-Com #Q105 Slew


SEQ – Sequencer / Sequential Controller
Der analoge Sequential Controller oder Sequenzer stellt neben dem Keyboard das wichtigste Steuerelement innerhalb eines Modularsystems dar.

Bei den meisten Sequenzern sind mehrere Kanäle (Reihen) mit Drehreglern vorhanden, die nacheinander abgefragt werden, daher auch der gebräuchliche Name „Stepsequencer“.

Dabei kann dieser Ablauf bei den Top-Modellen vorwärts, rückwärts und zufällig erfolgen, einzelne Steps (Regler) lassen sich oft über Schalter muten (stummschalten) oder skippen (überspringen).




Synthesizers-Com #Q119 Sequential Controller



Synthesizers-Com #Q960 Sequential Controller (Moog #960 Clone)


Mit jedem einzelnen Regler läßt sich eine beliebige Steuerspannung zwischen 0 Volt und 10 Volt einstellen, mit der dann z. B. die Frequenzen der VCOs oder/und Filterverläufe programmiert werden können. Man kann alle Steps Reihen nacheinander abfragen oder parallel schalten um ein oder mehrere Reihen für die Frequenz zu nehmen und gleichzeitig die nächste Reihe für Modulationen einsetzen.

Am häufigsten findet man Sequenzer mit 8 Steps und 3 Reihen (PPG, Dotcom, Moog), manche haben auch 12 Steps / 3 Reihen (Korg SQ-10) oder 2x12 Steps (Roland System 100). Durch Schalter kann man meistens auch einen End-Step setzen und so auch jede andere Steplänge wählen.
Bei Moog Sequenzern ist die dritte Reihe auch als Steptime einsetzbar, das ist die Zeit zwischen zwei Steps.

Da es in den Anfangszeiten noch keine polyphonen Synthesizer gab, konnte man mit einem guten Stepsequenzer auch Akkordfolgen abspielen.




Moonmodular #569 Quad Sequential Voltage Source



Neben den Steuerspannungen werden auch Triggersignale ausgegeben, um z. B. auch Hüllkurven ansteuern zu können. Bessere Geräte verfügen hier über separate Einzelausgänge.
In jedem Sequenzer sollte ein Clock-Generator integriert sein, der die Geschwindigkeit regelt. Natürlich sind auch externe Ein- und Ausgänge vorhanden, um den Sequenzer von anderen Modulen aus (LFO, VCO, usw.) anzusteuern, bzw. mehrere Sequencer miteinander zu synchronisieren.


QUANT – Quantisierer 7 Quantizer
Der Quantizer ist ein Ergänzungsmodul zum Sequenzer, kann aber auch an einem Keyboard eingesetzt werden.



Da es manchmal etwas mühsam ist, die ausgegebenen Steuerspannungen eines Sequenzers ganz genau zu justieren, hat man den Quantizer erschaffen.
In manchen Sequenzern ist er bereits eingebaut, meist wird er jedoch als separates Modul eingesetzt.
Der CV Ausgang des Sequenzers wird in den CV-Eingang des Quantizers gepatcht.




Moonmodular #565 Quad Quantizer


Der Quantizer teilt die stufenlose Steuerspannung in einzelne Schritte zu jeweils 1/12 Volt ein. Diese Schritte entsprechen genau der Spreizung einer Oktave mit ihren 12 Tönen und dem 1 Volt/Oct-Standard.
Verändern wir nun die Steuerspannung am Sequenzer, wird die am Ausgang anliegende Steuerspannung immer um 1/12 Volt weitergeschaltet, was einem Halbton entspricht.





SW – Sequenzerschalter / Sequential Switch
Der Sequential Switch ist ein Zusatzmodul für den Analog-Stepsequenzer.
Der Switch ist über Schalter und Steuerspannungen programmierbar und ermöglicht so einen automatisierten Ablauf der einzelnen Sequenzerlinien.
Somit ist auch das Programmieren und Abspielen von komplexen Sequenzen möglich. Externe Triggerimpulse können hierbei die einzelnen Kanäle innerhalb des Sequenzers umschalten, sie überspringen oder mehrfach wiederholen lassen.




Moog #962 Sequential Switch




PPG #313 / Sequential Switch


TRG-SEQ – Triggersequenzer
Trigger- oder Gatesequenzer sind Sonderausführungen der Sequenzer. Sie liefern keine frei justierbaren Steuerspannungen, sondern nur Trigger- oder Gate-Impulse.




Moonmodular #563 / Trigger Sequencer




Club of the Knobs #C961S / Gate Sequencer


DIV – Taktteiler / Clock Divider
Mit einem Clock Divider werden eingehende Triggersignale aufgeteilt. Oben wird jeder 2te und am letzten jeder 32te Trigger ausgegeben. Man kann auch mehrere davon in Reihe schalten.




Club of the Knobs #C965 / Clock Divider



SW – Schalter / Switches
Sinnvolle Ergänzung in jedem Modularsystem sind Schaltemodule. Es gibt sie als einfache manuelle Schalter bis hin zum spannungsgesteuerten Schalt- und Logikmodule.
Man kann so schnell automatisiert zwischen verschiedenen Patches umschalten, ohne erst aufwändig die Kabel umzustecken.




Moonmodular #591 / Quad Switch Matrix



EF – Hüllkurvenverfolger / Envelope Follower, Pitch to Voltage Converter
Mit dem Envelope Follower kann man einen Synthesizer auch extern ansteuern, z. B. durch ein anderes Instrument oder durch Gesang.
Der Envelope Follower analysiert die anliegende Amplitude und generiert daraus eine Steuerspannung und einen Triggerimpuls.
Der Frequency Follower oder Pitch-to-Voltage Converter analysiert die Frequenz. Auch hier wird eine Steuerspannung generiert, die man an einem VCO anlegen kann, sowie einen Triggerimpuls, der einem Envelope-Generator zugeführt werden könnte.

Die Umwandlung der Tonhöhe in eine exakte Steuerspannung hängt immer sehr stark vom Eingangssignal ab und sollte immer monophon sein.




Moog #912 / Envelope Follower



Interfaces und externe Controller 
Eigentlich kann man hier fast alles einsetzen, das irgendwie eine brauchbare Steuerspannung erzeugen kann. Man kann sich kreativ austoben, denn der Phantasie sind hier absolut keine Grenzen gesetzt.
Kaputtmachen kann man an dem Synthesizer grundsätzlich auch nichts und es gibt auch keine „falschen“ Patches. Höchstens unlogische, denn wenn man nur Eingang mit Eingang verkabeln würde, käme am Ende nichts heraus.

Solange sich die angelegte Signalspannung in dem üblichen Bereich, zwischen 0 Volt und 10 Volt liegt, kann nichts passieren. Kurzschlüsse gibt es in einem Modularsystem nicht, egal was man auch wie miteinander verkabelt hat. Im schlimmsten Fall hört man eben garnichts oder die Geräusche sind in den Ohren etwas unangenehm.
Nun denn, wir wollen auch Niemanden, zwingen damit Musik zu machen, erlaubt ist alles.

Vom Fotowiderstand angesteuert könnte man sich von der Morgesonne wecken lassen oder seinen Synthesizer mit einer Taschenlampe steuern, ein Fahrraddynamo kann Hüllkurven auslösen und ein Radiosignal läßt sich im Filter verwursten.

Ein Modularsystem läßt sich auch zweckentfremden und als schnödes Gitarreneffektgerät verwenden. Wer mag, kann auch das Signal einer Trompete oder von einem anderen Instrument durch einen Ringmodulator schicken, ein Limit gibt es nicht.

Für schwache Microfonsignale gibt es auch Verstärkermodule, wie beispielsweise das Instrument-Interface.




Synthesizers-Com #Q118 / Instrument Interface


Spezielle Controller, z. B. CV-Fußpedale, Percussion-Controller, Ribbon-Controller usw.
sind oft auch ganz nützliche Helferlein beim Spielen.




Moog #1150 Ribbon Controller




Moog #1130 Percussion Controller








Weitere Synthesearten


Additive Synthese / Fourier Synthese

Im Gegensatz zur subtraktiven Synthese, wird der Klang nicht durch herausfiltern der Obertöne erstellt, sondern durch Addition von harmonischen Teiltönen.
Die einfachste Form der additiven Synthese finden wir bei einer elektronischen Zugriegel-Orgel. Ein Zugriegel regelt immer das Volumen, also die Lautstärke, eines Obertones. Die meisten Orgeln haben 9 Zugriegel. Jeder stellt einen Sinuston als Teilton einer Obertonreihe zur Verfügung, der beim Herausziehen dazu addiert wird.

Die Grundlagen der additiven Synthese wurde von Jean Baptiste Joseph bereits 1822 entdeckt, man nennt sie daher auch Fourier-Synthese. Fourier entdeckte, daß man aus einzelnen Sinusschwingungen jeden erdenklichen Klang erzeugen kann.

Der digitale Synthesizer Kurzweil 150 basierte auf Fourier-Synthese, ebenso der Kawai K5000.


FM Synthese / Frequenz Modulation

Als 1983 Yamahas DX-7, der erste, für die breite Masse erschwingliche, FM Synthesizer erschien, war das eine absolute Sensation.
FM = Frequenz-Modulation ist prinzipiell auch mit analogen Oszillatoren möglich, jedoch driften diese gerne ab und sind für komplexe wellenformen ungeeignet.
Die FM-Synthese basiert darauf, das Oszillator einen anderen Oszillator mit einer Frequenz im hörbaren Bereich moduliert.
Die „Operatoren“ (digitale Oszillatoren) erzeugen dabei unterschiedliche Sinusschwingungen, die sich in verschiedenen Algorithmen gegenseitig modulieren lassen.
Die FM-Synthese finden wir in vielen Synthesizern von Yamaha, aber auch im NED Synclavier.


PM Synthese / Physical Modelling

Physical Modelling versucht, anhand von mathematischen Algorithmen, das natürliche Klangverhalten zu emulieren. Man berechnet das Schwingen einer Saite oder die physikalischen Schwingungen in einem Blasinstrument.
Auch hier war Yamaha wieder Vorreiter mit den Modellen VP-1 (Piano, Strings) und VL-1 (Blasinstrumente)




Yamaha VL1



Wavetable Synthese

In einem digitalen Wavetable Oszillator werden verschiedene Wellenformen (Waves) bereitgestellt, die dann beim Umschalten auf die nächste Wave durchfahren werden können. Die sind jedoch keine Samples, sondern kleine Wellenform Zyklen, woraus sich ein stufenloser Verlauf zwischen den einzelnen Spektren ergibt. Der nachfolgende Aufbau entspricht einem Synthesizer mit subtraktiver Synthese mit üblichem Aufbau (Filter, Hüllkurven, usw.
Entwickelt wurde das verfahren von Wolfgang Palm und kam erstmalig in PPG Wave Synthesizern zum Einsatz.




PPG Wave 2.2


FFT / Fast Fourier Synthese / Resynthese

Ein Sample wird mittels der Fast Fouruier Synthese analysiert, in einzelne kleine Sinustöne zerlegt und gespeichert (FFT Fast Fourier transformation).
Das Material läßt sich dann beispielsweise mit anderen Samples zu völlig neuen Klängen morphen. Von einer Gesangsstimme zu einem Klavier stufenlos hinüberzugleiten ist schon etwas sehr interessantes.
Der CMI Fairlight, in der Basis ein Sampler, sowie der Technos Axcel konnten das bereits vor über 20 Jahren.


Neuronale Synthese

Die neuronale Synthese arbeitet ähnlich wie die Fast Fourier Transformation. Man kann in Echtzeit die Klänge in alle Richtungen hin verbiegen.
Gab es als Hardware bisher nur im Hartmann Neuron Synthesizer.




Hartmann Neuron


Phase Distortion

Angelehnt an die FM-Synthese. Jedoch mit Modulation der Phasenlage statt der Frequenzen. Man nennt diese Syntheseart auch Phasenverzerrung oder Phasenmodulation.
Gab es nur selten, z. B. bei den Casio CZ Synthesizern.


Waveshaping Synthese

Hierbei wird eine Wellenform mittels einem Algorithmus verbogen.
Typisch für Korg Z1 und Prophecy, kam jedoch auch bei einigen Waldorf Synthesizern zum Einsatz.




Korg Prophecy


Vectorsynthese

Ähnlich der Wavetable-Synthese. Mehrere Oszillatoren können in Echtzeit mittels eines Joysticks gemischt werden.
Bekanntester Synthesizer mit Vector Synthese ist der Sequential Circuit Prophet VS


Wavesequencing

Beim Wavesequencing werden Samples durchfahren, die sich im Spektrum jedoch nicht ändern lassen, ansonsten ähnlich der Wavetable Synthese. Ebenso kann man 4 Oszillatoren mittels Joystick mischen, angelehnt an die Vector Synthese.
Gab es u. a. in der Korg Wavestation.


Granular Synthese

Kleinste Partikel mit eigenen Hüllkurven werden als Gruppen zusammengefaßt, ihre Dichte und Anordnung bestimmt dabei den Klangverlauf. Da diese Art der Programmierung meist sehr aufwändig und rechenintensiv ist, kommt sie überwiegend als Software für den Computer vor.
Softwaresynthies mit Granular-Synthese sind z. B. Reaktor und Crusher.



Es gäbe noch jede Menge mehr über Synthesearten und technische Einzelheiten zu schreiben, denn diese Thematik ist extrem umfangreich.
Doch möchte ich das Thema an dieser Stelle erst einmal abschließen.

Für einen kleinen Blick in die große Welt der Synthesizer hat es jedoch hoffentlich gereicht.

Wer sich intensiver mit den Maschinen beschäftigen möchte, kann mich gerne darauf ansprechen.