什麼是 FM 合成技術？

by Zhi

2015.03.24

FM 全名為 Frequency Modulation 字面上的意思就是頻率調變。早在人們利用 FM 當作音樂合成技術使用之前，FM 技術就已經廣泛用在廣播通訊上，那合成器上也常常看到 “FM” 這個字代表的究竟是怎樣的含義呢？

一般當我們說聲波帶有一個特殊頻率的時候，其實它是由聲音、音樂或是一些複雜的波型調變而成，成為我們所聽到的聲音，這個波的調變可以分成兩個層面來解釋：

傳輸時所用的波成為載波（Carrier）。
用來調變聲音所用的調變波（Modulator）。

這樣有點抽象嗎？想像一下假如你把廣播調到 FM 99.1 的時候為什麼會有音樂或是人聲跑出來呢？這個 99.1 的頻率就是 Carrier 將聲音透過這個頻道傳輸出來，而你從廣播聽到的音樂和聲音則是用調變波將聲音解碼出來！

FM 示意圖

從上圖可以看到 X 軸是時間，Y 軸是振幅（Amplitude），綠線是載波紅線是調變波，而藍色是輸出的結果，透過這樣的合成技術，就可以將聲音做各種的調變。上面所講的是最基礎的廣播最廣泛使用的 FM 合成技術，當然今天我們使用的合成器也是基於這樣的原理所開始的，但是卻有那麼一點點點的不同。一般我們提到 FM 合成器，大家最容易想到的就是 Yamaha 所出的經典機型 DX7，這台數位的 FM 音色在 80 年代可是叱吒風雲，舉凡 Kraftwerk, Underworld, Brian Eno, U2, Herbie Hancock 都是它的愛用者。

Yamaha DX7

說到數位 FM 合成器技術，不得不提到一位重要的人物 John Chowning。早在 1967 年左右，Chowning 在史丹佛大學研究 FM 的調變技術，一般當時廣播用的 FM 載波都是使用正弦波（Sine wave）並且都是使用在百萬頻率以上，他想是不是可能將頻率降到人耳可以聽到的範圍內（20 Hz - 20 kHz）？Chowning 開始進行相關的研究，並且嘗試利用低頻的正弦波進行調變，他發現一些有趣的事情就是調變後的泛音（Harmonic），是可以用來模仿各種樂器的聲音。特別是兩個正弦波的 FM 調變，會產生出相當豐富的泛音結構，當載波被調變的時候，會產生出 “Sidebands”，而這些 Sidebands 泛音會出現在載波頻率的周遭，當調變波變動的時候這些泛音也會跟著變動。Chowning 根據這些現象發現了解，這些聲音合成的方式，可以利用比較少的資源和方法，創造出便宜的做法去模擬各種聲音，這大概就是 FM 合成技術的由來。

John Chowning

Chowning 發現了這項 FM 的使用技術，可以說是 FM 合成器之父。史丹佛大學在 1974 年將他所屬的專利販售給 Yamaha 公司，而大家也就看到了當今便宜的電子琴和合成器的樣貌。雖然說 Yamaha 公司當年利用相當低的價錢取的了這項 FM 專利，但授權的條件是需要每年支付授權金給史丹佛大學，而這項專利也是至目前為止史丹佛大學最賺錢的前 5 大專利之一。而 Chowning 也利用的這筆金費創建了史丹佛大學的電腦音樂中心（Center for Computer Research in Music and Acoustics）繼續在電腦音樂領域探索新的聲音！

CCRMA