Síntesis (8): Los filtros, ¿una gran mentira?

Así es. Esos que llamamos filtros en nuestros sintetizadores incumplen las dos condiciones que definen lo que es un filtro.

¿Realmente hemos vivido engañados tantos años? Más allá del ‘titular’, descubrimos algunos de los comportamientos no ideales en los filtros, y con ello profundizamos en lo que significan y realizan realmente. Revisamos porqué puede existir tanta diferencia entre unos y otros (incluyendo versiones digitales vs. analógicas). Aprendemos qué es lo que tenemos que valorar para distinguirlos y reconocer sus límites y capacidades. Y de camino surgen algunas ideas para aplicar cuando estamos realizando síntesis.

Claramente no es un artículo de ‘fundamentos’, así que hacemos un pequeño un alto en el camino que llevábamos. Al menos reenganchará con la serie (espero) a los que más sabéis y que estáis esperando que acabemos con tanta ‘intro’, ansiosos por exprimir el jugo y tratar los detalles íntimos. Para vosotros va esta vez (en dos entregas), aunque más tarde retomaremos la senda de los ‘fundamentos’.

Y esa será la tónica futura: la serie se bifurcará para poder combinar la parte de ‘fundamentos’ con otros capítulos más ‘especializados’. Me parece lo más adecuado para ir ofreciendo a todos algo que leer.

Dicho así, parece muy bruto. Pero es sólo un titular, aunque real en sentido estricto. Esos queridos VCFs analógicos que tanto predicamento tienen entre la parroquia de los sintesistas no son en rigor filtros. Pero tampoco lo son los filtros de un sintetizador digital. ¿Es todo pues una gran mentira?

Los filtros (lo decíamos de pasada en la entrega anterior) se definen como sistemas lineales e invariantes. Nuestros filtros de síntesis (y el uso que hacemos de ellos) no son ni una cosa ni otra.

Nuestro uso de los filtros no es invariante, porque no hay nada más aburrido que un filtro permanentemente anclado en un mismo valor, con una respuesta en frecuencia fija, inamovible. La frecuencia de corte siempre la movemos con una envolvente, con un LFO,… Y ese movimiento es variación, por tanto nuestro uso de los filtros en sintes incumple el que sean invariantes. Nosotros variamos el comportamiento del sistema durante el desarrollo de las notas, y no pocas veces la variación es veloz (envolventes ultrarápidas, etc). En seguida veremos un caso real y las sorpresas que puede deparar el uso ‘variante’ de eso que pretendíamos eran filtros.

Vamos con la otra condición, la de la linealidad.

Nuestro uso de los filtros es a menudo no lineal. La cuestión de la no linealidad (la introducción de distorsión) en los filtros es especialmente evidente con resonancias altas: los valores ‘internos’ (tensiones -voltaje-, o números -representados en bits-) del filtro crecen mucho cuando se aplica resonancia. Incluso aunque el resultado (la salida) sea de nivel moderado, cuando jugamos con la resonancia los valores internos en el filtro siguen siendo grandes, mucho mayores a los valores de la señal de salida del filtro. Tan grandes que ‘no caben’.

En buena medida, siempre que aplicamos resonancia estamos provocando junto a ella distorsión… Y casi siempre en verdadera síntesis (salvo que estemos partiendo de sonido muestreado) estamos aprovechando la resonancia.

Voy a contaros una consulta que hace unos meses surgió en un hilo que abrí sobre el Elektron Analog 4. De hecho era una cuestión que también había surgido en algunos otros foros internacionales. Y por cierto, tanto aquí en Hispa como en esos otros foros, enseguida surgían las voces que hablaban de si había un ‘bug’, que si el equipo fallaba y habría que devolverlo, etc.

Tal como veréis, en este caso (y en otros) a veces lo que nos falla es el conocimiento de los límites de la tecnología con la que trabajamos.

Se trataba de un sinte analógico monofónico (lo es, considerada aislada, cada una de las cuatro pistas del Analog 4). Una sola pista (un único sinte monofónico) estaba siendo usado para producir bombo y caja (alternando entre ambos timbres). Para el sonido de bombo se programaba un sonido sin oscilador, usando la capacidad de auto-oscilación del filtro con frecuencia de corte (y por tanto de autooscilación) ultra grave. Así (básicamente) se obtenía un sólido bombo ultragrave. Para el sonido de caja se filtraba (con ajustes más ‘normales’: frecuencia de corte y resonancia intermedias) una fuente de ruido disponible en el sinte. La forma de conmutar entre el bombo y la caja era cambiando de sonido sobre la marcha (nada que no podáis hacer con cualquier secuenciador y los mensajes de cambio de programa, si bien en este caso se hacía dentro del propio patrón en el A4).

Primero se registró el bombo, a los tiempos 1 y 3 de cada compás. Y ahí estaba, sonaba nítido, con cuerpo. Un bombo mueve tripas perfecto para la pista de baile. Pero… bastó meter una caja al tiempo 2 y de golpe y porrazo el bombo había desaparecido. Si acaso se oía muy tenue, bajísimo de nivel, apenas perceptible y desfigurado.

Si se mantenía sonando ese patrón bombo/caja y se hacía mute de la nota de caja, poco a poco el bombo recuperaba nivel (pero tardaba fácilmente 15 segundos o más en volver a su estado original). En cuanto se había ‘recuperado’ el bombo, cualquier reintroducción de la caja volvía a sumergir el bombo bajo tierra, desaparecido.

¿Cuál es el origen de este efecto ‘paranormal’? ¿Cómo se las apaña la caja para hacer esa abducción del bombo? ¿Porqué la caja se convertía en un agujero negro que se comía lo demás?

Podéis ver el problema contado en este vídeo, que Pacuco nos ha preparado (¡gracias por poder contar contigo!)

Este vídeo es un buen ejemplo de los problemas que puede llegar a causar ese uso no invariante que hacemos de los filtros. Al ‘variar’ de sonido estamos modificando las características del filtro sobre la marcha. Y eso trae consecuencias (muy notables en este caso, que por eso mismo traigo a colación).

Oír esos efectos en casos no tan extremos como este es difícil (pero se nota). Por eso he escogido este ejemplo que podéis probar con cierta facilidad.

La solución al ‘expediente X’ es esta (lo siento, no hay agujeros negros ni marcianos).

Cuando ajustamos un sonido como el referido bombo (sin usar ninguna entrada en el filtro, dependiendo sólo de su propia autooscilación, que se produce por una resonancia forzadísima y además sintonizada en zona de ultragraves) internamente el filtro ajusta sus tensiones para poder ofrecer ese resultado. Podéis pensar, para entenderlo con facilidad, que como está en región ultragrave, todo sucede en el filtro muuuuuyy leeeeentamente. Mientras usamos el filtro sólo para producir ese sonido, todo va bien. El filtro se ha preparado para producir ese sonido y lo genera sin problema.

Pero cuando le obligamos a alternar con un sonido de caja, el filtro se debe ‘reconfigurar’ en caliente. Puede hacerlo de forma veloz para producir esa caja (un sonido más abierto, con un ancho de banda más alto, en el que todo puede ser más rápido). Pero si después de la caja le pedimos que vuelva a producir un bombo… Le cuesta mucho tiempo volver a generar las condiciones internas que lo permiten.

Desde el punto de vista de la circuitería analógica, los condensadores que están formando parte del filtro necesitan tiempos de carga y de descarga que no son nulos. Y cuando estamos cerrando mucho el filtro, damos tanta lentitud a sus acciones que sucede lo que comentábamos. Las cargas y descargas necesarias para reajustarse y poder producir el bombo tardan. Antes de que lleguemos a tener el filtro listo para interpretar bombos, ya viene otro golpe de caja (volviendo a alejar la posibilidad de que el filtro esté listo para sonar a bombo).

El que tarden mucho o poco tiempo es dependiente de cómo sea el diseño del filtro. Distintos filtros ofrecerán diferentes resultados frente a problemas como el descrito. No todos tendrían por qué consumir ese enorme número de segundos que tardaba el A4. Pero, cuando se trata de algo tan severo (poner un mismo circuito de sintetizador a variar entre bombo y caja a la velocidad de una típica canción de pista de baile) no creo que ningún sintetizador analógico pasara el test. Todos ‘colapsarían’ ante semejante prueba.

De forma parecida, cuando estamos ‘barriendo’ la frecuencia de corte de un filtro (por ejemplo con una envolvente ultrarápida en el ataque, para conseguir impartir a ese ataque un cierto ‘punch’, un sonoro ‘clic’ inicial) cada diseño de filtro responderá de una u otra manera. Y eso confiere personalidad específica a unos filtros frente a otros. Da una sonoridad diferente a ese ‘clic’. Hace que prefiramos el sonido de determinados sintes para determinados sonidos.

Vamos a comentar otro par de cosas a propósito de la resonancia, que sorprenden a veces a algunos usuarios de sintes.

Tal como veíamos en la entrega anterior, la resonancia aporta a la respuesta en frecuencia una ‘campana’ que enfatiza la región próxima a la frecuencia de corte. Esta campana es más chata o más pronunciada en función del valor de la resonancia, y, cuando es suficientemente ‘generosa’, puede llevar al filtro a la auto-oscilación.

Pero no todos los filtros realizan la resonancia de la misma forma, y ahí tenemos factores que determinan mucho el resultado del filtro, y nuestra predilección por unos u otros para según qué usos.

¿Por qué cuando subo la resonancia baja el nivel de los graves?

En algunos sintes y filtros (los menos, para ser sinceros), la forma de conseguir la campana resonancia se basa en dar mayor ganancia a la zona de la frecuencia de corte, es lo que ilustrábamos en la entrega anterior con esta gráfica (en la que ahora señalo para poder comparar la línea de ‘ganancia unidad’):

Pero eso implica que el poder amplificador en esos filtros tiene que ser muy grande. Para que estos sistemas puedan contar con ganancia suficiente como la que exige la zona de resonancia (sin entrar en la región no lineal, sin entrar en la zona en la que el filtro empieza a ‘saturar’, a distorsionar) es necesario que la ganancia de referencia, que aquí marcamos con la línea del ‘1’ (ganancia unidad) sea baja. Eso implica que el sistema está funcionando en una zona subóptima, posiblemente con mayor ruido, etc. Es el clásico compromiso entre nivel de ruido y ‘holgura’ o ‘margen’ (headroom), expresado aquí en términos de la actuación del filtro. Si quiero curarme en salud en relación al ‘margen’ (evitar que pueda haber saturación excesiva cuando suba la resonancia) obligo al sistema a funcionar con mayor ruido porque debo bajar su ganancia global.

Es por ello que muchos sistemas de síntesis usan filtros en los que en realidad la resonancia se consigue enfatizando, sí, la región de la frecuencia de corte, pero simultáneamente rebajando la ganancia de todo el conjunto. Lo que hacen es ‘subo por aquí y bajo por allá’, para que el conjunto se mantenga dentro de límites razonables. De esa manera la ‘campana’ de resonancia sigue estando en una zona de ganancia no descomunal, sin saturación. ‘Rebajan’ las demás frecuencias para poder hacer que la zona de resonancia resalte respecto a ellas sin necesidad de someterla a tantísima ganancia. Conseguimos una resonancia que es destacada en relación al resto, pero que no es tan exigente en ganancia en términos absolutos.

Tal como veis en las figuras, a cambio el nivel ‘medio’ en la banda de paso se reduce. Es decir, cuanta mayor resonancia pedimos al filtro, más va a rebajarse la presencia de la banda de paso. Si escucháis con cuidado vuestros filtros en muchos sintetizadores notaréis esto. Al subir la resonancia, el nivel del ‘resto’ del sonido baja. Es algo realmente muy normal. No podría dar un porcentaje, pero es claramente mayoritario este tipo de forma de obtener la resonancia. En muchos sintes os parecerá escuchar que al subir la resonancia más que subir nada lo que sucede es que ‘baja’ todo menos la parte afectada por la resonancia. A eso me refiero.

Por culpa de ello muchos sonidos altamente resonantes (que esperaríamos tuvieran más fuerza y presencia) en realidad tienen ese mayor brillo, pero pierden a cambio mucho cuerpo y nivel global, se les nota una bajada importante de volumen (tanto más severa cuanta más resonancia solicitamos).

Cuando veáis que esto pasa y no os guste el resultado no es siempre necesario escribir un anuncio de venta en ‘hispasonic’ para desterrar a ese sinte y comprar otro (que seguramente tendrá también ese mismo comportamiento).

Lo que habrá que hacer es compensarlo: quizá podáis mezclar la salida del filtro con la señal original (para reinyectar esos graves que se han rebajado); quizá dispongáis de un segundo filtro y podáis configurarlo en paralelo para reforzar los graves; o podréis añadir otro oscilador que ofrezca el cuerpo que se pierde (y que no atraviese el filtro); … O incluso (especialmente con los sintes digitales y sus combinaciones de múltiples sonidos) podréis usar varias ramas de síntesis de forma combinada (por ejemplo los 4 ‘tones’ que forman cada ‘patch’ o sonido en los Roland, o sus equivalentes en el fabricante de que se trate).

Esta cuestión de la diferente forma de obtener la resonancia (por pura ganancia localizada, o mediante el recorte simultáneo del resto) es una diferencia sustancial en el resultado que obtenemos al variar la resonancia entre unos sintes y otros.

En aquellos sintes analógicos que tienen una alimentación más ‘justita’ (por ejemplo +/-5 Voltios en vez de +/-12 o +/15 o +/-18) suele suceder que aparece este comportamiento, precisamente porque son diseños más ‘ajustados’ en los que se evidencia antes el compromiso entre ganancia y margen. Pero en todo caso es algo que se nota perfectamente ‘a oído’. Cuando veáis que al aumentar la resonancia el sonido se ‘desinfla’ de nivel en la parte ‘de cuerpo’ (en la zona grave-media) ya sabéis por dónde viene la cosa.

En los primeros sintes con filtros digitales también sucedía algo parecido. En ellos no son las tensiones lo que crece dentro de los filtros hasta un punto crítico, sino los valores de las variables que intervienen en el cálculo. Con los diseños digitales primeros (basados en procesadores de coma fija) estamos de nuevo ante el compromiso: si permito gran ganancia puedo desbordar la capacidad del paquete de bits (ya sean 16 o 24 –los valores con alta resonancia crecen mucho, muchísimo-) y por ello se adoptaron también soluciones en las que el aumento de resonancia iba parejo a un decrecimiento general de la ganancia.

En muchos sistemas digitales actuales, se usa representación y cálculo en como flotante, que hace en la práctica poco relevante la cuestión que venimos tratando (podemos pensar que casi ‘no conocen’ límite a la hora de representar valores grandes). Pero aún así se aplica a menudo esta estrategia, porque un filtro altamente resonante puede con facilidad generar distorsión, y si el filtro es digital esa distorsión es más perniciosa que en un sistema analógico (tal como discutiremos más adelante).

¿Por qué cuando bajo la frecuencia de corte pierde ‘fiereza’ la resonancia?

Esta es otra cosa que, de nuevo, sucede en algunos filtros y en otros no. Depende del tipo de diseño del filtro. Y no me refiero a si es analógico o digital, sino a qué estrategia -no tecnología- de diseño de filtros sigue.

Se trata de que la forma de la campana a veces varía con la frecuencia de corte. Al ver en un sinte dos controles independientes, uno llamado frecuencia de corte y otro resonancia, asumimos que el ajuste de ambos es independiente. Presuponemos que al mover sólo la frecuencia de corte, la campana resonante se ‘reubica’ en una nueva posición, pero sin cambiar su ‘forma’:

Pero algunos diseños hacen que haya siempre una vinculación. Es una característica, por ejemplo, en los filtros de tipo ‘escalera’ (ladder), como los clásicos diseños en Moog y tantos otros. Pero lo que vamos a comentar vale tanto para un ‘ladder’ analógico, como para una implementación tipo ‘ladder’ en digital.

En estos filtros cuando la frecuencia de corte se reduce, la campana de resonancia se hace menos prominente.

Otros diseños de filtros mantienen una mejor independencia. Como siempre, ni una cosa ni otra es mejor. Es cierto que esa característica de los Moog hace que cuando abrimos el filtro (y por tanto estamos pidiendo un sonido más brillante, más destacado) la resonancia es más pronunciada (y colabora a destacar el sonido) mientras que cuando bajamos la frecuencia de corte (y por tanto queremos hacer el sonido más opaco, menos protagonista) la resonancia también se dulcifica (sin necesidad de mover el control de resonancia, sólo porque ambos parámetros en ese diseño no son totalmente independientes).

Puede parecer sensato tal y como lo cuento, incluso hasta atractivo o deseable. Pero podría haber puesto un ejemplo al contrario, y hacer parecer más interesante un diseño con total independencia (que por tanto me permite ‘saber’ mejor qué estoy haciendo en todo momento cuando muevo un potenciómetro). Al fin y al cabo si deseara retirar resonancia al bajar la frecuencia de corte, todo sería cuestión de mover ambos potenciómetros (y así no estaría sometido a la ‘imposición’ de que se muevan siempre con cierto emparejamiento).

Por tanto ni uno ni otro, pero sí conocimiento (y oreja) sobre qué es lo que hace cada filtro.

Uno me permite un diseño de sonido con más intervención ‘de la razón’ y el otro ‘del corazón’, pero hay gustos y estéticas para todo. Hay músicos, músicas y ocasiones que requieren la precisión, la capacidad de ajuste individualizado, y hay otros que requieren minimizar los controles para sentirse cómodos al interpretar y que agradecen ese comportamiento ‘combinado’, ‘vinculado’ entre los dos parámetros para poder en una sola rueda o potenciómetro estar (en realidad) ajustando ambos.

¿Quieres probarlo? A día de hoy, con las enormes posibilidades de control (por ejemplo vía MIDI) podría también pensarse en programar una superficie de control para gobernar desde un solo potenciómetro esos dos parámetros y conseguir así emular esa característica. También podría lograrse con las magníficas posibilidades de las rutas de modulación en los sintes actuales (de las que muchas veces se hace menos uso del que se debería). No penséis que sólo con eso vais a reconvertir cualquier sinte General MIDI en un Moog. Pero sí podéis (jugando con las rutas y las cantidades de modulación) insuflar una importante ‘vida’ en vuestros sonidos. El que reaccionen de formas que vayan más allá de lo trivial (el clásico control de la frecuencia de corte desde una envolvente)… ¿Porqué no dirigir también un poco de esa envolvente hacia la resonancia, por ejemplo? Sería una forma de no depender sólo de la apertura del filtro para obtener un crecimiento del brillo y la notoriedad de un sonido. ¿Porqué no compensar la pérdida de nivel que sucede cuando cerramos el filtro, destinando a la vez parte de la señal que controla la frecuencia de corte ‘a la baja’ a obtener una mayor amplificación?

De hecho este tipo de ‘vinculaciones’ son muy habituales en los sintes analógicos, y entre parámetros muy diversos. Por ejemplo el clásico TB-303 BassLine de Roland aplica el ‘acento’ (que puede añadirse selectivamente a las notas que se deseen dentro de un patrón) no sólo al volumen, sino también en cierto grado a la frecuencia de corte y a la resonancia. Son ajusten pensados por el diseñador para aumentar la sensación de acento actuando sobre varios parámetros simultáneamente. Sería muy largo estudiar todos los entresijos que en cada sinte consiguen darle su personalidad.

Lo que tenemos que intentar es desarrollar oído para percibir qué es lo que aportan, porqué suenan como suenan, y contar con conocimiento para obtener resultados semejantes desde otras arquitecturas. Porque, la mayor parte de las veces, lo que queremos no es clonar el sonido, sino clonar la ‘intención’, la ‘expresión’ (y hacerlo con nuestros propios recursos, además de divertido, nos llevará a un sonido más personal y no ‘de biblioteca’). Nos quejamos a menudo de la falta de viveza y respuesta de tantos sintes digitales, cuando tenemos en nuestras manos la capacidad de incorporar muchas de esas características ansiadas. Las posibilidades de rutar y modular en los sintes (incluso en los módulos ‘General MIDI’ más simples) suelen ser amplísimas (rivalizando y superando las de muchos venerados ‘dinosaurios’ de la síntesis) con lo que la responsabilidad de no aplicarlas es nuestra.

¿Os habéis fijado en el parecido entre la forma del pico resonante con altas dosis de resonancia y esa alargada naríz de Pinocho que delata cuando su comportamiento es mentiroso e inadecuado?

De la misma forma, las mayores ‘mentiras’ de nuestros filtros se producen cuando elevamos la resonancia. En esos momentos, además de la acción de filtrado se superpone otra acción: una importante distorsión. En esos momento el filtro en lugar de limitarse a rebajar o realzar las frecuencias que existen en la señal de entrada, comienza a ‘inventarse’ componentes nuevas.

Pero hablaremos de ella ya en la próxima entrega.