La synthèse FM (modulation de fréquence) - La synthèse sonore - 21e partie

La synthèse par modu­la­tion d’ampli­tude

Nous avons vu dans l’ar­ticle 14 le prin­cipe de la modu­la­tion en anneau, et dans les deux articles précé­dents le prin­cipe d’une enve­loppe appliquée à une forme d’ondes (pour la créa­tion des grains, rappe­lez-vous…). Eh bien les deux prin­cipes susnom­més sont en lien direct avec la modu­la­tion d’am­pli­tude.

L’un des points communs avec la modu­la­tion en anneau est que nous avons une onde porteuse (P) dont l’am­pli­tude est modu­lée par une onde modu­lante (M). La diffé­rence réside dans le fait que pour la modu­la­tion en anneau, la forme d’onde M est « bipo­laire », c’est-à-dire qu’elle oscille entre le domaine posi­tif et le domaine néga­tif (au-dessus et en dessous de zéro). 

Concer­nant la modu­la­tion d’am­pli­tude, la modu­lante est dite « unipo­laire » : elle n’évo­lue que dans le domaine posi­tif. Et c’est ce qui rapproche la modu­la­tion d’am­pli­tude du prin­cipe d’une enve­loppe appliquée à une autre onde, une enve­loppe évoluant elle aussi unique­ment entre les valeurs 0 et 1. Tant que l’onde modu­lante M ne se situe pas dans le domaine audible – donc tant que sa fréquence n’at­teint pas les 20 Hz – elle agit comme une enve­loppe sur l’onde porteuse P. On peut aussi consi­dé­rer que son action se traduit par un trémolo, tel que décrit dans l’ar­ticle 13 de cette série.

Par contre, lorsque la fréquence de M atteint le domaine audible, sa rencontre avec P entraine la géné­ra­tion d’ondes laté­rales, comme pour la modu­la­tion en anneau (cf article 14) : c’est leur second point commun. Mais à une diffé­rence de taille près : alors qu’une modu­la­tion en anneau fait dispa­raître la fréquence de l’onde porteuse, la modu­la­tion d’am­pli­tude la conserve entre les bandes laté­rales.

La modu­la­tion de fréquence ? Du vibrato comme à la radio…

 Enfin, nous y voilà pour de vrai, nous pouvons à présent réel­le­ment trai­ter la modu­la­tion de fréquence, après cette brève, mais néces­saire digres­sion intro­duc­tive autour de la modu­la­tion d’am­pli­tude.

Tout comme pour la modu­la­tion d’am­pli­tude, la synthèse FM repose sur le prin­cipe d’une onde porteuse sur laquelle vient agir une onde modu­lante, sauf que l’on agit ici non plus sur l’am­pli­tude de la porteuse, mais… sur sa fréquence.

Nous avons évoqué le trémolo pour la modu­la­tion d’am­pli­tude, rappe­lons-nous main­te­nant l’ef­fet de vibrato évoqué lui aussi dans l’ar­ticle 13 de cette série. Eh bien, nous pouvons consi­dé­rer la synthèse FM comme une forme extrême de cet effet. C’est d’ailleurs en expé­ri­men­tant autour du vibrato qu’à Stan­ford, durant les années 60, John Chow­ning en vint à décou­vrir qu’au-delà d’un certain point, l’ef­fet de vibrato dispa­rais­sait au profit de l’ap­pa­ri­tion d’un signal harmo­nique complexe. La synthèse FM était née !

Au fait, quelle diffé­rence avec la radio FM ? Une seule : pour cette dernière, la bande de fréquences de la porteuse n’est plus dans le domaine de l’au­dible, mais dans une four­chette allant de 87,5 MHz à 108 MHz. Mais voyons un peu comment elle fonc­tionne. 

Opéra­teurs

La synthèse FM ne repose plus unique­ment sur des oscil­la­teurs, mais sur ce que l’on appelle des « opéra­teurs ». Ils sont la combi­nai­son d’un oscil­la­teur à ondes sinu­soï­dales, d’un VCA/DCA et d’un géné­ra­teur d’en­ve­loppes (sur ces derniers concepts, voir article 8).

Le nombre d’opé­ra­teurs n’est pas limité. Les opéra­teurs peuvent se modu­ler entre eux au niveau de la fréquence, ou bien leurs signaux peuvent tout simple­ment s’ad­di­tion­ner : on n’a alors plus à faire à de la modu­la­tion de fréquence, mais à quelque chose qui est plus de l’ordre de la « bête » synthèse addi­tive !

Les opéra­teurs peuvent égale­ment se réinjec­ter leur propre signal comme onde modu­lante. Ceci peut être la source de signaux d’une grande richesse, mais aussi vite trans­for­mer un son pério­dique en bruit (cf article 5).

Il est donc temps de voir main­te­nant comment se comporte le spectre – les fréquences présentes dans le signal – dans le cadre de la synthèse FM.

Des fréquences en veux-tu, en voilà

Je parlais d’un signal complexe… Et pour cause ! En effet, contrai­re­ment à la modu­la­tion d’am­pli­tude, les bandes de fréquences laté­rales de la synthèse FM ne sont pas limi­tées à deux, mais peuvent être beau­coup plus nombreuses, théo­rique­ment illi­mi­tées. C’est ce qui rend la synthèse FM parti­cu­liè­re­ment inté­res­sante : avec seule­ment 2 oscil­la­teurs – pardon, opéra­teurs ! - on peut obte­nir un signal extrê­me­ment riche en harmo­niques. Nous sommes dans ce cas très loin de la synthèse addi­tive, qui néces­si­te­rait l’em­ploi d’un nombre bien plus impor­tant d’os­cil­la­teurs (un par élément fréquen­tiel…). D’ailleurs, la synthèse FM fait en quelque sorte partie d’une grande famille, qu’on appelle les synthèses « à spectre animé » (et non, je ne fais pas réfé­rence à Casper…). Il s’agit de toutes celles (modu­la­tion d’am­pli­tude, granu­laire, parmi celles que nous avons vues) qui produisent un signal dont le contenu fréquen­tiel peut évoluer sans néces­si­ter le recours à un filtre. 

On peut noter, pour les plus curieux d’entre vous, que la modu­la­tion de fréquence est égale­ment très proche de la modu­la­tion de phase, et que leur seule diffé­rence réside dans l’am­pli­tude des partiels (voir para­graphe suivant) qu’elles génèrent.

Chaque bande de fréquence laté­rale corres­pond à la fréquence de la porteuse plus ou moins un entier multiple de la fréquence modu­lante. Théo­rique­ment, cet entier peut être de n’im­porte quelle valeur, ce qui suppo­se­rait une infi­nité de valeurs fréquen­tielles, ce qui est bien entendu impos­sible dans le monde réel. Mais il vous faudra attendre le prochain article pour en savoir plus !