신시사이저/합성방식

< 신시사이저

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신시사이저는 여러 가지 방식으로 소리를 합성해 출력한다. 이 페이지의 내용은 이 신시사이저가 음을 합성하는 주요 방식에 대한 간략한 설명이다.

1 Subtractive Synthesis (소거/감산법)

오디오 신호 파형을 필터로 조작하여 음색을 합성하는 방식을 말한다. 왜 Subtractive냐 하면, 원 신호에서 필터를 사용하여 말 그대로 파형을 특정 주파수대역으로 걸러내어(빼서) 사용하기 때문이다.

예를 들면, 사람이 목소리를 내는 것도 이 방식으로 볼 수 있다. 성대가 오디오 신호를 만들면 기도와 입을 통해 공명이 일어나고, 혀와 치아, 입술, 턱을 사용해 주파수 필터와 변조를 한다. 성대 이외에 공기의 진동(음파)를 만드는 부분은 전혀 없으며, 발음기관을 사용해 주파수 필터와 변조가 일어나기 때문이다.

과거 1960 ~ 1980년대에 생산된 아날로그 신시사이저와 전자 오르간의 대다수가 이 방식을 채용했으며, 이 이전의 전자악기에서도 역시 많이 사용되었다. 또한 최신 디지털 신시사이저, PCM 기반 신시사이저, 소프트웨어 신시사이저에서도 이 방식을 같이 사용하는 경우가 많다.

1.1 Subtractive Analog Synthesizer (감산방식 아날로그 신시사이저)

Subtractive Synthesis를 아날로그 신호처리 기술을 사용하여 구현한 신시사이저. 통칭 아날로그 신시사이저로 불린다.

오실레이터[1]에서 생성한 신호에서 필터를 통해 일부 주파수 대역(배음렬)을 깎아내는 방식으로 음색을 만든다. 현재 신시사이저 거의 대부분에 필터는 필수로 달려있으므로 거의 어떤 모델이든 이 방식을 사용할 수 있다고 볼 수 있다.

필터의 종류는,

  1. 컷오프주파수의 윗쪽을 깎아내고 아래를 살리는 Low-Pass Filter.
(High-Cut으로 부르기도 함.)
  1. 컷오프주파수 아랫쪽의 저주파를 억제하는 High-Pass Filter.
(역시 Low-Cut이라고 부를 수 있음.)
  1. (주파수와 Q값, 또는 두 주파수의 가운데로 정의된)협소한 일부대역만 남긴 채 나머지를 모두 소거하는 Band-Pass Filter.
  2. 밴드패스와는 반대로 특정한 영역 안의 소리만 골라서 없애는 Band-Cut Filter.
(이 경우 Notch라는 명칭을 더 많이 사용함.)

의 네가지로 크게 나눌 수 있는데, 이것들의 작동을 정의˙조합하는 함수식 역시 합성 메카니즘의 일부에 속한다.

섭트랙티브 신서시즈에서는 필터로 소리를 깎아내기 용이하게 배음렬이 많은 (소리가 무겁고 날카로운) 파형을 주로 이용하는데, 여기에 자주 쓰이는 것이 톱니(Sawtooth)파형이다. 이유인 즉슨 배음렬이 홀수 짝수 할 것 없이 끝까지 꽉 차 있고, 이 자체가 소리가 좋기 (!) 때문이기도 하다. 사실상 톱니파 하나로 아날로그 신시사이저가 흥했다고 봐도 될 정도. 상당수 신스 음색(특히 고전적인 패치들)은 톱니파를 바탕으로 제작되고, 트랜스 장르에 빼놓을 수 없는 그 빵빵한 리드는 슈퍼쏘우(Supersaw)라고 해서, 여러개의 톱니 파형 오실레이터를 조금씩 튠이 살짝 어긋나게 해서 겹쳐놓는 기법[2]으로 만든다. 그 외에도 이렇게 만들어진 슈퍼쏘우의 고음부를 커팅해내 오케스트라 스트링으로 사용하는 등, 가장 다양한 활용도를 자랑하고 있다. 최근의 일렉트로 하우스에서 자주 보이는 베이스들도 무그 사의 미니무그(Minimoog)나 리틀 패티(Little Phatty)의 톱니 파형 베이스들을 기반으로 한 음색들이 많다. 톱니 파형 하나에 목숨을 건 듯한(…) 컨셉으로 나오는 신시사이저도 있을 정도니 뭐...

감산방식 신시사이저로 유명한 모델이나 회사로는 단연 Moog 사의 Minimoog 시리즈가 으뜸으로 꼽히고, Prophet/MOPHO 시리즈, KORG의 미Minikorg 시리즈, YAMAHA의 GX-1[3]이나 CS-80[4], Roland의 JUNO 시리즈, SH 시리즈 등이 유명하다. 그 외에도 Oberheim이나 Waldolf 사도 이 방면으로 한 가닥 하는 회사들.

흔히 우리가 과거의 신시사이저라고 하면 떠올리는 복잡한 패치 전선들이 꼽혀있는 모습을 한 모듈러형 감산방식 신시사이저로는 ARP 시리즈, 무그 모듈러 시리즈 등이 꼽힌다. 이들은 최근엔 그렇게 많이 생산되지 않는 편.

1.1.1 Subtractive Analog Synthesizer 의 주요 Modulation

아래는 아날로그 신시사이저, 감산방식 합성에서 쓰이는 특징적인 부가 모듈 또는 회로들이다. 그러나 지금은 이것들이 딱히 Subtractive Synthesis에만 쓰이지 않으며, 여러 다른 방식에도 같이 혼용되고 있다.

1.1.1.1 Sync Modulation

오실레이터 하나의 주기마다 다른 오실레이터를 강제로 리셋하는 방식. 좀더 풀어서 설명하자면, 기준이 되는 오실레이터에서 파형 하나(한 주기)를 내보낼 때마다 대상이 되는 오실레이터를 원래 주기가 어떻든 상관없이 기준이 되는 오실레이터와 똑같은 위상에 놓는 것. Sync가 Synchronization(동기화)의 약자니까 주기를 똑같이 동기화한다고 이해하면 된다.

예를 들어서 440Hz로 음파를 내보내는 오실레이터1에 300Hz로 음파를 내보내는 오실레이터2를 맞춘다는 것은 오실레이터2가 어쨌든 1초당 440번 음파 위상을 리셋시키는 것이다. 이 결과로 오실레이터 2는 원래 주파수와 상관없이 음높이가 440Hz인 음파를 내보내는 것처럼 되고, 오실레이터 2는 1주기가 다 지나기도 전에 위상이 초기화되므로 오실레이터 2에서 내보내는 파형은 원래 파형에서 일부분이 잘린 형태가 된다.[5]

실제로 해보면 배음렬이 더 강해져서 소리가 거칠어지고(대신 가벼워진다) 두 주파수가 함께 공존하는듯한 기묘한 소리가 난다. 하이톤이 강하고 거친 사운드를 만들 때 유용하…지만 요즘 신시사이저에서는 이것이 빠지기도 한다. (…)

1.1.1.2 Pulse Width Modulation

사각파/펄스파의 폭을 변화하는 변조 방식. 이 역시 전자공학 쪽에서 나온 개념이다. 펄스파의 폭이 많이 변화할 수록 가늘고 날카로운 소리가 나온다.

1.1.1.3 Ring Modulation

전자 회로도를 그리면 고리 모양처럼 된다고 해서 Ring Modulation이라는 이름이 붙었다.

두 오실레이터에서 나온 소리[6]의 배음 성분의 주파수를 서로 더하고 빼서 새 배음렬을 만들어내는 방식이다.

예를 들어서 각각 100Hz, 200Hz 로 사인파를 내는 오실레이터끼리 Ring Modulation을 걸면 300Hz, 100Hz 배음이 들어간 소리가 만들어진다. 이러한 Ring Modulation을 걸면 소리가 종소리나 전화기 벨소리와 같은 금속성의 소리가 나게 된다.

2 Additive Synthesis (추가/가산법)

배음 가산식이라고도 한다. 섭트랙티브 신서시즈와는 정 반대로, 이쪽은 소리의 제일 기본인 사인(Sin)파형으로 배음을 하나씩 쌓아가며 음색을 만드는 방식이다. 궁극적으로는 이 배음 하나하나를 오실레이터에서 직접 발진하여 그 오실레이터 하나하나를 직접 컨트롤해야 하는 무진장 복잡한(...) 합성 방식이다.

일단 단순 계산상으로, 사람이 들을 수 있는 제일 낮은 주파수인 20Hz부터 시작해서, 배음렬은 배수로 쌓아가므로 40, 60, 80Hz...식으로 사람이 들을 수 있는 한계점인 20,000Hz까지 쌓는다고 할 때 오실레이터가 무려 천 개가 필요하다. 잘 이해가 안간다면 그냥 신시사이저를 천 대 돌린다고 생각해보면 된다[7](…) 그리고 이건 만드는 소리가 모두 배음렬 안에 차곡차곡 들어와있다는 가정 하에서 계산한 것이지, 실제 악기 소리는 배음이 칼같이 배수로 떨어지지 않거나 배음렬에서 벗어나는 소리를 포함한 것이 많다. 이런 경우까지 모두 표현하려면, 거기다가 단음이 아니라 화음까지 내려면, 대체 몇 개가 필요한거야(…)

그래서 현존하는 신시사이저 중에 이론상으로 완벽한 애디티브 신서시스를 구현한 물건은 없다. (심지어는 필터가 달려도 야매다.) 다만 우회적으로 애디티브 신서시스를 제한적으로나마 구현한 물건은 꽤 많다. VST 중에는 FL Studio로 유명한 Image-Line 사에서 개발한 물건 중에 애디티브 신서시즈를 차용한 것들이 꽤 있는데, Morphine이나 Ogun, Harmless 등이 있고 Sytrus도 오실레이터 파트에서 제한적으로 애디티브 신서시즈를 차용했다. 관심이 있는 사람들은 한번 구경해볼 것.

재밌는 사실은 정말로, 정말로 초창기에 개발된 신시사이저는 섭트랙티브 방식이 아니라 애디티브 방식으로 소리를 냈다는 점. 물론 쇼미더머니 쳐가면서 그 수많은 오실레이터를 돌렸...다는 얘기는 아니고, 배음렬을 몇개밖에 못 쌓았다고 한다. 그것도 단순히 몇번째 배음을 켜고 끄고 하는 정도의 컨트롤밖에는 할 수 없었고. 역시 야매는 야매 그 중 하나로 1897년 미국의 발명가 미국의 S. 케이힐이 개발한 200톤의 텔하모니엄이 있다. 35개의 대형 회전 발진기에 의한 전자적 발진과, 노이즈 차단기를 응용한 최초의 추가법을 응용한 신시사이저이고, 텔하모니엄은 훗날 전자 오르간의 개발에 많은 영향을 주었다. 여담으로 이걸 돌릴려면 수천와트의 전기가 필요했다. 소리가 맑았다고 전해지나, 발진기에 의한 진동과 노이즈에 의해 후에 개발된 신시사이저에 묻혔다.

그 외 비교적 자주 볼 수 있는 것으로, 하몬드 오르간의 Tonewheel을 배음 가산방식으로 보기도 한다. 톤 휠이 오실레이터의 역할을 하며, 드로우바라고 불리는 막대를 밀었다 당겼다 하면서 각 톤 휠에서 생성된 배음의 크기를 조정하여 음색을 결정한다.

3 Modulation Synthesis

3.1 Frequency Modulation Synthesis

주파수 변조 방식.[8] 캐리어(피변조파, Carrier)를 모듈레이터(변조파, Modulator)로 변조시켜 다양한 사이드 웨이브를 끌어내 보다 복잡한 파형을 유도한 변조 형식. 뭔가 거창해보이지만 원리는 의외로 간단해서 캐리어의 주파수를 모듈레이터에서 나오는 파형대로 올렸다 내렸다 하는 것일 뿐. 이를테면 모듈레이터에서 2000Hz짜리 사인파 신호가 나온다면 캐리어는 1초에 2000번 사인파 모양으로 음 높낮이가 변한다. 재밌게도 이렇게 하면 모듈레이터/캐리어의 주파수 특성을 지니면서 추가로 배음렬 및 배음렬 밖의 배음들도 함께 생겨난다. 모듈레이터/캐리어의 주파수 비율 혹은 (절대적인) 차이, 파형, 변조 비율에 따라서도 소리가 제각각 달라지고 오실레이터 여러개를 직렬, 병렬, 피드백(자기 자신을 변조), 혹은 기타 별별 해괴한 방식으로 변조할 수도 있으므로 가능성이 정말로 무궁무진하다.

야마하 사는 CCRMA가 개발한 이 FM 기술에 대한 독점 생산권을 따냈고, DX7[9]를 비롯한 다양한 FM 신시사이저들과 비디오 게임기의 음원에서 자주 쓰이는 YM 칩셋들을 독점적으로 생산해냈다.

이 방식은 변조 방식의 특성상 다양한 사이드 웨이브가 발생하게 되는데, 이를 통해 배음률에 어긋나는 부분을 메꿀 수 있었으며, 이를 통해 매우 금속적인 사운드를 만들어 낼 수 있었다. 지금은 일렉트릭 피아노(E-Piano)라 불리우는 음색이 FM 방식으로 만들어진 패치. 세가의 메가드라이브 게임기의 음원이 이 FM 방식으로 만들어진 소리이다.

요즈음에는 웨이브테이블 방식 등에 밀려서 사실상 구세대 기술이 되었다. 하지만 여전히 가능성 많고 매력적인 변조 방식인지라 요즘에도 여러 신시사이저에는 FM 모듈레이션 놉이 달려있거나 놉에 다른 이름이 달려있거나[10] 없더라도 우회적인 방법으로 FM 모듈레이션을 구현할 수 있게 해 놓은 물건들이 대다수다.

여담이지만 열거된 합성 방법중 난해하기론 따라갈 짝이 없는 합성 방식. 실제로 오실레이터간의 머리 굴려가며 FM 노브를 휘적대며 음색을 만들다보면 귀가 터질것만 같은 괴상한 음들을 자주 듣게 된다.

기타 내용은 FM 음원을 참고.

3.2 Phase Distortion Synthesis

4 Sampling, PCM Sample Synthesis

4.1 Wavetable Synthesis

현대의 많은 PCM 방식 신시사이저에 채용된 방식. 그러나 당연히 현대의 신시사이저는 이 방식만 쓰지 않고, 이 방식에 기반하여 다양한 합성방식을 혼용하여 사용한다. 웨이브테이블은 초기에 사용되던 명칭이며, 주로 PCM 합성방식이라고 한다. 일부 사람들에게는 롬플러(ROMpler)[11] 라고도 불리는데, 내장 기판에 PCM 데이터를 롬에 저장한 후, 저장된 PCM 데이터를 겹쳐가면서 내는 방식이다. 대표적으로 256MB PCM 롬을 사용한 KORG 의 M3 가 있다.

하드웨어에 데이터를 탑재하려면 데이터 용량을 최소화 해야하고, 그 덕에 이 방식은 합성에 사용할 배음렬 주파수에 해당하는 음 위주로 저장해서 음을 합성한다. 이러한 관점으로 보면 가산형 신서시스(Additive Synthesis)의 한 부류로 분류할 수 있다.

현재 출시되는 신시사이저의 절대 다수는 이 방식과 다른 방식의 혼용 아니면 아래에서 소개할 Analog Modeling 방식으로 되어있다. 이 방식의 신시사이저는 PCM 으로 저장된 파형 데이터 자체는 편집할 수 없지만, 그 밖의 모든 것은 당연히 편집할 수 있도록 되어있다.

저가형 디지털 키보드에도 이 방식의 음원이 탑재되지만, 잘 해야 채널 필터 정도를 편집할 수 있도록 되어있는 경우가 대부분이다. 원가 절감

4.2 Vector Synthesis

4.3 Granular Synthesis

샘플을 세로 혹은 가로로 입자단위로 나누어서 이 입자들을 임의로 혹은 규칙에 의해 새로운 소리를 만드는 방법

5 Modeling Synthesis

이 방식은 현존하는 악기를, 디지털 기술을 적용하여 어쿠스틱 악기든, 전자악기든 기존에 존재하던 악기의 소리를 시뮬레이션하여 재현하는 방식이다.

5.1 Physical Modeling Synthesis

기존에 존재하던 어쿠스틱, 즉 공명에 의해 소리를 내는 악기를 최대한 비슷하게 재현하고자 탄생한 방식이다. 악기의 각 특성을 물리적으로 분석하여 이를 수학적으로 모델링하고, PCM기반 샘플에 이것을 적용하여 변조하는 방식이다.

기존의 PCM 샘플기반 방식에 비하여 훨씬 사실적이고 섬세한 표현이 가능한 음색을 제작할 수 있으며, 발음부에 색소폰 마우스 피스의 특성과 바이올린의 찰현 특성, 공명부에는 트럼본의 특성, 변조부에는 오보에와 플룻의 특성을 적용한 드럼과 같은 존재하지 않는 기괴한 악기음도 만들 수 있다.

이 합성방식을 채용한 신시사이저는 연주 난이도가 높기로 유명하다. 예를 들어 건반으로 플룻 패치를 사용해 연주하더라도, 실제 플룻 연주자가 고민하는 것과 동일한 고민을 하면서 호흡 컨트롤러 등 여러 보조 컨트롤러를 사용해서 연주해야 좋은 소리가 나기 때문. 물론 이렇기 때문에 다른 합성방식의 신시사이저에 비해 훨씬 사실적이고 섬세한 표현이 가능해진다.

YAMAHA가 1993년, 역시 CCRMA가 연구한 것을 라이선스 받아서 VL1이라는 모델명으로 세계 최초로 양산에 성공하고, 자사의 기기에 채용된 이것을 Virtual Acoustic(VA)라고 명명한다. 루카땅!! 그런데 가격은 47만엔. 매우 크고 아름답다. 이듬해인 1994년, CS-80 처럼 복수의 VA회로를 내장한 VP1을 발표했는데... 270만엔 이라는 충공깽스런 가격을 자랑한다. 다른 전자악기 제조사에서도 이를 도입하여 생산을 했지만... 기술적으로 매우 복잡하여 단가가 올라가는 특성 때문에 널리 보급되지는 못했다.

이 시절에 만들어진 YAMAHA의 VA 방식에 대해 궁금한 위키러는 각주에 있는 저가형 버젼인 VL-70m의 파라미터[12]를 참고하라. 대충 각 부분의 제목을 봐도 기존 신시사이저와 확연하게 다른 것을 알 수 있다. 음 합성 측면에서 VL1과 VL-70m의 차이는 VL1은 패치 하나가 최대 2개의 동시발음을 사용할 수 있는 반면에, VL-70m은 1개로 고정되어 있고, 이에 따른 VL1에 있는 파라미터 몇 개를 VL-70m에서 사용 못한다는 점만 빼면 완벽하게 같다. 동시발음 1개만 사용하는 VL1 패치 데이터는 바로 VL-70m에 로딩하여 사용할 수 있을 정도이다.

소프트웨어 신시사이저 중에서 이 방식으로 유명한 것으로 Modartt의 피아노 가상악기인 Pianoteq, 그리고 AAS의 일렉트릭 피아노 가상악기인 Lounge Lizard가 있다.

5.2 Analog Modeling Synthesis

아날로그 신시사이저를 분석 후 특징을 모델링하고, DSP 또는 CPU 파워에 힘입어 시뮬레이션하는 방식. 위의 Physical Modeling과 방법은 비슷하지만, 최종목적은 아날로그 신시사이저를 디지털 기술로 재현하는 것으로 완전히 다르다. Virtual Analog Synthesis, Analog Simulation Synthesis이라고도 불린다.

이 방식을 채용한 전자악기는 단연 Access 사의 Virus 시리즈나 Clavia의 Nord 시리즈 등이 으뜸으로 꼽힌다. 소프트웨어 신시사이저 쪽에서는 Nord 시리즈를 흉내내어 만든 무료 VST 플러그인으로 유명한 Synth1, Cubase의 기본 플러그인인 Monologue, Prologue, FL Studio의 3xOSC, SimSynth나 Sylenth1, Vanguard, z3ta+ 등의 플러그인들도 이 방식을 채용한 신시사이저 소프트웨어들. 이 외에도 어마어마하게 많다. (…)

5.3 Clonewheel

Hammond Organ에 사용된 Tonewheel 방식을 DSP의 힘을 빌려 시뮬레이션 하는 방식.광의로는 배음가산방식의 일종으로 볼 수 있다. Hammond의 XB-3 오르간이 이 방식을 채용했으며, Clavia, Roland등 다른 회사에서도 이 방식을 채용하여 Hammond Organ의 소리를 재현한 제품이 있다.

6 같이 보기

  1. ↑ 쉽게 말해서 전기전자적 진동을 만드는 부품 또는 회로이다.
  2. ↑ 디튠(Detune)이라고도 한다.
  3. ↑ 단음을 내는 회로를 복수개로 장착하여 Polyphony를 구현한 것은 좋았는데, 이 덕분에 가격이 꽤 비쌌다. 79년 발매당시 $50,000에 이르렀을 정도. 그러나 15년 후 몇 배로 비싼 것이 등장하는데... 궁금하면 Physical Modeling Synthesis를 참조하라. 스티비 원더와, 레드 제플린의 존 폴 존스와 에이펙스 트윈 등의 아티스트들이 애용하는 신시사이저.
  4. ↑ 영화 블레이드 러너의 OST를 작업한 아티스트, 반젤리스가 애용했던 것으로 유명한 신시사이저. 블레이드 러너의 OST에 사용된 신시사이저는 저 CS-80 두 대가 전부이다.
  5. ↑ 만약 오실레이터 2의 주파수가 더 높다면 오실레이터 1보다 주기가 더 빨리 돌아오기 때문에 원래 파형이 뒤에 조금 더 반복되는 형태가 된다.
  6. ↑ 꼭 오실레이터일 필요는 없고 변조법 자체는 어떤 오디오 신호에도 적용할 수 있지만 신시사이저는 거의 대부분 오실레이터 파트에 링 모듈레이션이 붙어있다.
  7. ↑ 물론 대부분 신시사이저는 오실레이터가 못해도 두 개 이상 달려있긴 하다. 또 대개 신시사이저는 여러 파트를 연주하는 것이 가능하기 때문에(multi-timbral이라고 한다) 실제로 이런 미친짓(…)을 시도한다면 그냥 몇백 대나 몇십 대 정도에서 끝날 수도 있다.
  8. ↑ FM 라디오의 그 FM이 이 FM이다! wiki:"FM#s-4"그FM말고
  9. ↑ 하츠네 미쿠 모티브가 된 그 신시사이저다.
  10. ↑ 이를테면 JP-8000 시리즈에는 FM 모듈레이션 놉에 웬 X-MOD 라는 해괴한 이름이 붙어있다 (...)
  11. ↑ 기억 장치인 ROM과 샘플러의 합성어. 기본적으로 ROM에 PCM 샘플 데이터 혹은 그 샘플을 저장해둔 신시사이저를 칭하는 말이기는 한데... 사실 만드는 사람 입장에서는 골치아픈 새로운 음 합성 알고리즘을 고민하지 않고 소리의 기본이 되는 샘플만 왕창 넣으면 만들기도 쉽고, 이러한 것들이 전자악기를 사용하는 사람들한테도 마케팅적으로 꽤 먹혔기 때문에, 좀 깔보는듯한 의미가 있다.
  12. ↑ VL-70m 의 파라미터 width=100%