Sintetizadores

Síntesis (29): Una vuelta más sobre la discusión VCO / DCO

Especialmente la llegada del Prophet-6 y su ‘todo analógico’ frente a los todavía recientes Prophet-12 y Pro-2, junto a otras muchas novedades presentadas en el NAMM, han vuelto a calentar el debate sobre la cuestión VCO / DCVCO / DCO / Osciladores Digitales en las conversaciones de hispasonic. Saliéndonos de DSI/Sequential, el Modulus 002 es enteramente digital en sus osciladores pero muchos defienden que suena enteramente VCO en su carácter, y no es único en prometer VCOs virtuales, basta pensar en el Roland System-1 y sus varios plug-outs modelando sintes clásicos. Y podríamos seguir la lista.

El debate permanece, porque también permanece la variedad de soluciones y la ‘niebla’ publicitaria que esquiva tantas veces ofrecernos un poco más de información sobre lo que se oculta en los circuitos y los programas de cada nuevo sinte que llega al mercado. Me ha parecido oportuno por ello, recapitular con algo más de detalle sobre la cuestión, dando así opción a que el tema salte y se concentre en portada desde los debates en diversos hilos recientes. Y además dar alguna pista sobre cómo llevar a los sintes a nuestra disposición algunos conceptos que recuperen un sonido más semejante al tantas veces ansiado de los VCOs.

La (in)estabilidad de los VCOs

Cualquier VCO (salvo que queramos retroceder a la locura de los muy primeros sintes -o de fabricantes recién aterrizados al mundo analógico-) necesita algún tipo de señal de realimentación o control que lo estabilice. No es un camino fácil si se ha de resolver estrictamente en analógico. Y casi siempre medirá alguna característica y la intentará compensar pero dejará fuera otras muchas.

Por ejemplo, la temperatura es una fuente importante de problemas en la afinación. Una resistencia variable con la temperatura produce una tensión que informa al resto del circuito y puede usarse para realizar cierta compensación. Esa resistencia ‘mide’ la temperatura en la zona del VCO y aporta una tensión que puede usarse para la corrección que estabilice.

Si vamos más allá, la temperatura no es necesariamente homogénea en todo el circuito. Para estabilizar más, algunos fabricantes (ARP por ejemplo) concentraban todos los componentes del VCO en una zona pequeña y rellenaban con alguna resina todo el bloque VCO. De esa forma la resina, como conductora térmica, equilibraba la temperatura y permitía que la medición de la misma, y por tanto su compensación, fueran más exitosas. Recordaréis muchos otros sintes en los que venían encapsulados en resina epoxy diferentes zonas críticas del circuito.

Pero hay otras muchas variables. Corregir la temperatura sigue atendiendo sólo una parte de los efectos perversos que acechan a cualquier VCO y su estabilidad. Las variaciones de la tensión de alimentación son otras que afectan mucho, por no hablar del envejecimiento de algunos componentes, y tantísimas otras.

Demasiadas variables, la mayoría de ellas difíciles de medir y de compensar, y con el miedo a dejar sin atender alguna causa desconocida.

No busques la causa, busca el resultado

Una alternativa más ambiciosa pasa por no intentar descubrir las causas de deficiencias como la temperatura y aplacarlas una a una. Eso siempre dejará fuera causas imprevistas. Además las compensaciones se realizan mediante más y más circuitería, que en sí misma puede tener sus propios problemas y desde luego encarece.

Una estrategia más moderna pasa por ‘escuchar’ qué está produciendo un VCO en su salida, y, si vemos que se aparta de lo deseado, realizar la corrección que lo vuelva al redil. Se trata de sistemas de control (tan conocidos en otros ámbitos, como el de los motores o la robótica) basados no en compensación de las causas, sino en compensación de las deficiencias observadas en el resultado.
Por ello mismo podrán (bien diseñadas) corregir cualquier tipo de defecto, sea cual sea su origen, con un único mecanismo de solución.

Mal comparado, casi como tener un ‘autotune’ dispuesto a actuar si se lo pedimos en cada oscilador. Y digo mal comparado porque ‘autotune’ corrige (y deforma) el audio de salida, y aquí estamos corrigiendo al ‘productor’ de ese audio (el VCO). Más bien sería como si ‘autotune’ al detectar fallos de afinación fuera capaz de actuar directamente sobre las cuerdas vocales del cantante, tensándolas o relajándolas, y realizando por tanto una corrección en origen, mucho más fiel aún con el sonido original

No es sólo afinación: los otros extras de un VCO ‘pura sangre’

Con esos esquemas de corrección orientada al resultado, todas las rarezas propias de la forma de onda generada en un VCO permanecerían (porque permanece el VCO) pero con una afinación tan adecuada como deseemos. Recordemos algunas de las características que podemos ver en la señal de un VCO.

En muchos VCO se cuela algún transitorio al realizar los reinicios de ciclo, dando un especial brillo y agresividad.

Por supuesto las pretendidas rampas lineales de dientes y triángulos se reemplazan por curvas de carga exponencial.

Normalmente los VCO funcionan ‘libres’, sin reiniciar la forma de onda en el ataque de cada nota (sin empezar desde el inicio de la forma de onda, arrancan allí por donde vayan en su libre evolución), si bien esto en el caso de envolventes con ataque lento queda enmascarado.

La presencia de un tiempo de descarga no nulo y fijo, dará lugar a que las formas de onda sufran más en notas agudas que a las graves, separándolas de su forma ideal. Otras muchas razones dan lugar también a variaciones de la forma de onda a lo largo del registro, como veis en estas capturas de la señal de un VCO real con selección de diente de sierra, a través de cuatro octavas sucesivas.

Si algo de señal continua o de muy baja frecuencia llega a estar presente a la salida del VCO (nada desconocido en muchos diseños) la desviación respecto al ‘centro cero’ podrá forzar etapas posteriores, llevar a distorsiones asimétricas u otras consecuencias.

Todas esas y otras peculiaridades de la respuesta de un oscilador analógico, permanecerán. Estarán todos esos detalles que iluminan con una gracia especial un sonido VCO variado frente a una onda grabada que se clona a sí misma permanentemente (como en los osciladores digitales tipo look-up).

Pero sobre todo, pensad que al igual que la afinación nunca es perfectamente estable, tampoco lo es la forma de onda. Pueden ser diferencias apenas perceptibles por sí mismas cuando escuchamos un oscilador aislado, pero que desde luego destacan cuando se combinan varios y que contribuyen a enriquecer y sacar de la monotonía el sonido del oscilador.

Técnicas avanzadas de control de la afinación para VCOs

Dando por hecho que un control ‘avanzado’ será el que busca corregir el resultado y no tanto el compensar las causas, hay muchas técnicas.

Por ejemplo los PLLs (‘phase locked loops’ o bucles enganchados en fase, tan frecuentes en los sintonizadores de radiodifusión) y FLLs ('frequency locked loops', semejantes pero enganchados en frecuencia en vez de en fase) son circuitos que consiguen ‘enganchar’ la señal generada por un oscilador a la fase y/o frecuencia de otro que actúa como referencia. Generad una referencia digital correcta (sencillo) y podrá usarse para esclavizar el oscilador analógico.

Se puede comparar una señal de referencia con la que produce el VCO. La señal diferencia es una señal de 'error' que adecuadamente tratada puede servir para generar la tensión correctora necesaria. Eso funciona como una autocorrección permanente. Según apliquemos esa señal de error con mayor o menor profundidad, dará lugar a una mayor o menor velocidad de convergencia hacia la situación 'estable' corregida, pero también a unas mayores o menores 'excursiones' finales en torno al valor estable deseado. Es clásico de sistemas de control, el compromiso entre velocidad de corrección y estabilización final lograda. Pero eso es algo que puede aprovecharse para controlar en cierta medida la retención o no del carácter analógico aleatorio, y decidir hasta qué punto preservarlo o corregirlo. Además podríamos introducir a propósito variaciones en la frecuencia de la señal de referencia que nos permitan graduar cómo de ‘desestabilizado’ deseamos que sea el resultado.

Pero ni siquiera necesitamos generar esa señal de referencia. Con DSPs también podemos sustituir la generación de la señal referencia y su comparación con la original, por la mera medición de la frecuencia que está generando el VCO (son señales en las que resulta particularmente sencillo medir la frecuencia). Si medimos su frecuencia en tiempo real, podremos también introducir las correcciones necesarias. Si las órdenes recibidas (qué nota, qué bending, etc.) obligan a generar una señal de 440Hz y lo que el DSP mide en la salida del VCO son 445, el DSP puede generar una tensión que reduzca la frecuencia y seguir escuchando. De forma automática, cuando llegue a los pretendidos 440, la tensión de corrección que aplicará quedará fija en el valor necesario. Y si se pasa en la corrección (y comienzan a generarse 438) lo detectará y cambiará el sentido del control.

Es como si la rutina de calibración se estuviera realizando permanentemente, toques la nota que toques. Esto, que sería demasiado complejo en analógico puro, es simple con la intervención digital en la parte de control. Se logra una calibración ‘en caliente’ y ‘permanente’ de la frecuencia generada por los osciladores.

El ejemplo del Prophet-6

Tal como habéis comentando alguno en la noticia sobre la aparición del Prophet-6, en él se usan eso que llamábamos DCVCOs en el artículo sobre DCOs. Concrétamente con esa ‘corrección avanzada y permanente’ que recién hemos mencionado.

El circuito oscilador es un VCO analógico en el que la afinación está gobernada por una tensión. En lugar de contribuciones de corrección y ajuste desde sensores de temperatura, etc. en Prophet-6 la salida producida por cada VCO es monitorizada por un DSP. Ese DSP 'escucha' permanentemente la salida del VCO y determina qué frecuencia está produciendo, compara con la que teóricamente debía producir y en función de ello introduce una corrección de la tensión que controla la frecuencia producida por el oscilador. Se cierra así un lazo de control en el que un elemento analógico, el VCO, es inspeccionado por un cerebro digital, que a su vez genera la corrección oportuna analógica para estabilizar al VCO en el valor pretendido.

En este caso, se trata de VCOs cuya realimentación (imprescindible para tener algún tipo de control de estabilidad) está intervenida digitalmente con DSPs, pero sigue siendo una tensión analógica de control (aunque generada a través del DSP, algún D/A y una programación sabia que realiza esa decisión de cómo corregir).

El control llamado ‘slop’ en este sinte se superpone , reintroduciendo algo de variación sobre la frecuencia que normalmente estaría bien estabilizada, dejando así a voluntad del usuario un carácter más intervenido o más libre del ajuste sobre el VCO.

Los DCO, nada que ver

En el mismo artículo os proponía (en común con otros muchos) reservar el nombre DCO para un oscilador de tipo analógico / continuo controlado directamente por una señal digital (no por tensión). No es el uso del término que hacen los fabricantes, pues aplican DCO a otras muchas cosas, pero sería lo más conveniente cara a una clasificación más ordenada.

Esos DCOs serían típicamente osciladores analógicos en los que la señal de reinicio del ciclo viene directamente de un elemento digital, de un reloj digital. En un VCO la señal de reinicio de ciclo depende de cuándo la propia señal del oscilador alcanza un determinado nivel. Revisad este artículo () si lo necesitáis.

En un DCO el error no existe (es tan pequeño como precisa sea la referencia digital), salvo que lo introduzcamos a propósito. No es tampoco mala forma de combinar un sonido teñido de las impurezas analógicas atractivas, pero sometido a una afinación precisa. De nuevo, mediante programación podríamos reintroducir en el grado deseado una inestabilización que impida la perfección de afinación estable posible con estas intervenciones digitales.

En todo caso es una alternativa claramente diferente. La estrategia que merecería llamarse en rigor DCO, es también muy válida forma de estabilizar un VCO, aunque el control venga expresado en forma de una señal digital de reinicio de ciclo. Muchas opiniones son menos favorables a esta estrategia, pero a mi modo de ver es un problema de asociar esa estrategia a un exceso de estabilización que se aplicó inicialmente y que ya es hoy día considerado como indeseable. Los DCOs dotados de mecanismos para controlar la reintroducción de aleatoriedad en los disparos funcionan razonablemente a la hora de mantener la variedad que asociamos a los VCO.

No es 100% lo mismo que un DCVCO, puesto que en el DCO el redisparo es totalmente independiente de la señal producida por el oscilador, mientras en el DCVCO el redisparo sigue condicionado por la propia vida de la señal que produce. Pero en términos realistas las diferencias son mínimas y bien pueden recrearse jugando con un redisparo digital un poco menos cartesiano, con un cierto grado de aleatoriedad programada / ajustable.

Diferencias con la estrategia de osciladores digitales Look-Up

Si se tratara de un oscilador analógico gobernado digitalmente (ya sea por control del disparo de ciclo -lo que he denominado DCO- o por realimentación de una tensión de compensación de error -lo que he denominado DCVCO-) el carácter de la 'forma' generada por el oscilador sería la que se espera de un VCO, sólo que estabilizado en afinación, y la capacidad de definir si sí o no queremos más o menos estabilización nos permitiría establecer el grado de inestabilidad final.

Pero en Pro-2 y Prophet-12 los mal llamados DCOs en realidad son osciladores digitales. Los osciladores del P-12 y Pro-2, aún sin tener los detalles de especificaciones, claramente parecen más del tipo look-up. Lo evidencia el hecho de tener tantas formas de onda disponibles y especialmente el contar con wavetables (para las que resulta imprescindible que el oscilador sea un 'reproductor de muestras' en el que esas muestras son ciclos únicos). Muchos de los detalles anómalos, pero al final agradecidos, que puede tener un VCO desaparecen cuando se aplica un oscilador basado en la reproducción por un D/A de las muestras de un ciclo de la señal deseada. Pretender que sólo actuando sobre la afinación de unos de estos osciladores reproductores de muestras recupera el carácter analógico es atender sólo a una parte de todo lo que conlleva un VCO.

Y ahí sí, hay diferencias apreciables entre cómo se comporta la señal generada en un VCO y un oscilador digital que repite en bucle un ciclo memorizado. No hay un modelado del oscilador como tal, las interacciones que suceden con el pulso de reinicio y sus diferencias en función de la nota producida, y tantas otras cosas.

Animando los osciladores digitales look-up

Está claro que aleatorizar un poco la afinación de los osciladores es algo sencillo y alcanzable con muchos sintes basados en osciladores digitales. Pero también está claro que falta algo más para obtener esa gracia particular de los VCO.

Y lo que falta es que no sólo la afinación de los VCO es inestable, también lo es, ligeramente, la forma de onda.

Hay formas de reintroducir variaciones en estos osciladores look-up que llegan a conseguir una mayor cercanía. Una es jugando con wavetables si el oscilador cuenta con ellas: es posible disponer en una wavetable todo un repertorio de ondas que representen las distintas formas de diente (o de cuadrada o de cualquier otra) que un VCO llega a generar. Pero aprovechar esas posibilidades exige un esfuerzo de programación que pocos realizan. En muchísimos sintes con wavetables, algunas de ellas están precisamente para ofrecer variantes de dientes, de pulso, de triángulo, etc.

Otra forma mucho más más frecuente para animar esos sonidos de un oscilador ‘look-up’ son las funciones de tipo PWM que antiguamente sólo solíamos ver en los pulsos pero que muchos osciladores digitales (y también analógicos) extienden hoy en día a las demás formas.

Esta figura muestra cuatro momentos de una señal pulso sometida a PWM, son evidentes las variaciones.

Sin llegar a extremos que hagan tan prominente la modulación, introducir un pequeño porcentaje de variación en la forma de onda (bajo control de un LFO individualizado para cada voz, de la velocidad, de una envolvente, de combinación de los anteriores, etc.) puede recrear ese aspecto de variación o inestabilidad de la ‘forma’ que se da en los VCO. No será quizá el mismo tipo de variación, pero sí una variación que anima el resultado en forma convincente y válida como sustitución de un VCO puro.

Fijaos por ejemplo cómo es, tomándolo de un sinte analógico con control de ‘waveshape’ sobre todas las formas, un punto cualquier de los que pueden corresponder a un diente deformado mediante esos controles de tipo PWM / waveshape. Realmente cuesta reconocer ahí un diente.

En algunos sintes con osciladores look-up, las variaciones de ‘shape’ son más bien de tipo ‘modulación de fase’: se realiza una lectura apresurada de una parte del ciclo y más lenta del resto con lo que se consiguen otras formas de variación:

Pero más allá de la forma detallada de la variación, casi importa más el hecho en sí de la existencia de la variación. Capaz por sí misma de engatusar al oído ofreciéndole una señal que varía, que no aburre repitiéndose idéntica a sí misma.

Por ridículo que pueda parecer si atendemos a las cifras, introducir un pequeño porcentaje (3%, 5%) de actuación tipo PWM/shape para animar una onda que de otra forma sería estática, hacerlo teniendo cuidado de que sea un recurso aplicado por cada nota y no global (por ejemplo la velocidad, una envolvente, o un LFO ‘por voz’ y no ‘por patch’, etc.), debería ser casi un mandato que hay que sumar al tan manido recurso de aleatorizar tan sólo la afinación.

La afinación importa, sí, pero hay muchos más elementos que varían cuando suena, con su controlado descontrol, un VCO.

Los competidores digitales de los VCO: VCOs virtuales

La competición real, desde una solución enteramente digital, viene de usar un modelado profundo del circuito VCO, construyendo un programa que simula las tripas de una solución VCO y por tanto sí puede generar una señal con esa ‘vida propia’ de un VCO hasta el último detalle. Pero ese tipo de oscilador, si queremos que sea realmente fino en la simulación, consume muchos más recursos de CPU que el más evolucionado de los ‘wavetables’. Esos osciladores modelados en base a un VCO existen, pero son atípicos en productos comerciales.

Hasta qué punto es algo de esto lo que hay realmente dentro de los muchos sintes virtualmente analógicos que reclaman para sí estar en esta categoría lo desconocemos. El Modulus 002 viene a la cabeza. No lo he probado en persona. Lo que está claro por sus especificaciones es que es enteramente digital en sus osciladores pero muchos defienden que es también enteramente VCO en su carácter. Con la misma falta de detalles, es algo que también nos dice estar realizando Roland con su System-1 de la serie Aira y los plug-out que ha recibido hasta ahora (SH-101, SH-2 o el recientemente anunciado Pro-Mars). Y no son los únicos.

Pero más que hasta qué punto es esa la estrategia que implementan, nos ha de interesar si es ese el resultado que consiguen. Si llegan a generar el tipo de sensación de riqueza que de forma natural se obtiene en muchos VCOs. Y muchos hoy lo logran sin acudir a una mimética reproducción de un circuito determinado.

Recapitulando

Las soluciones para conseguir estabilidad en un VCO ‘tradicional’ basadas en mantener un control todavía ‘en tensión’ (los que hemos llamado DCVCOs) existen hoy en día y permiten, al menos las más avanzadas, incluso la corrección permanente y sobre la marcha. Lo tenemos disponible ya comercialmente y los resultados están convenciendo sobre lo acertado de esa forma de actuación. Afinación estabilizada en el grado que deseemos, sin renunciar a las otras peculiaridades que el comportamiento de un sistema de oscilación analógico presenta.

La estrategia que merecería llamarse en rigor DCO, es también muy válida forma de estabilizar un VCO, aunque el control venga expresado en forma de una señal de reinicio de ciclo. Muchas opiniones son menos favorables a esta estrategia, pero a mi modo de ver es un problema de asociar esa estrategia a un exceso de estabilización que se aplicó inicialmente y que es hoy día considerado como indeseable. Esos DCOs, una vez dotados de mecanismos para controlar la reintroducción de aleatoriedad en los disparos, funcionan razonablemente.

El abuso del término DCO permanece y se aplica mal para referirse a osciladores digitales basados en variantes de look-up tables y wavetables. En ellos la esencia de reproducir en bucle una onda siempre idéntica a sí misma puede intentar animarse con algún recurso (wavetables, controles tipo shape/PWM,…) pero queda en las manos del programador del sintetizador aprovechar esos recursos con intención y mimo suficiente para aproximar el ‘sonido VCO’, realizando variaciones muy sutiles, inapreciables en sí mismas y sólo sentidas como un efecto en el conjunto de la presencia y contraste con otros sonidos y/o a lo largo del tiempo.

Los sistemas basados en modelado íntimo de las técnicas VCO en una implementación programada digital sí están llamados a llenar del venerado ‘calor analógico’ los sintetizadores basados estrictamente en técnicas digitales, pero con un elevado coste de computación.

La teoría y los papeles (como este propio artículo mío) lo aguantan todo. Espero al menos haberos aportado alguna información para entender mejor porqué es cierto que apreciamos diferencias entre toda esta variedad de osciladores que hoy tenemos al alcance en propuestas comerciales recientes. Y sobre todo espero haberos animado a poner en uso los recursos que muchas veces ofrecen nuestros sintes digitales y virtual-analógicos para conseguir (si ese es vuestro deseo) aproximar mejor el sonido ‘VCO’ que tan caro es si queremos comprar el original. Manos a la obra, y a estrujar vuestros sintes más allá de los presets.

Pablo Fernández-Cid
EL AUTOR

Pablo no puede callar cuando se habla de tecnologías audio/música. Doctor en teleco. Ha creado diversos dispositivos hard y soft y realizado programaciones para músicos y audiovisuales. Toca ocasionalmente en grupo por Madrid (teclados, claro).

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