In den 80er Jahren kamen mehrere populäre Syntheseformen auf, die auf dem Prinzip der Modulation von Digitaloszillatoren untereinander beruhten. Sie lösten die klassische subtraktive Synthese der Analogsynthesizer weitgehend ab, wurden ihrerseits aber gegen Ende des Jahrzehnts, als Sample-ROM in ausreichender Menge bezahlbarer wurde, von Romplern abgelöst.
Frequenzmodulations-Synthese (FM-Synthese)[]
Die Geschichte der FM-Synthese läßt sich zurückverfolgen bis ins Jahr 1967, als Prof. Dr. John Chowning an der Stanford University in der Pionierzeit der Synthesizer ein Klangsyntheseverfahren entwickelte, das ausschließlich auf Frequenzmodulation von Oszillatoren beruhte. Die Stanford University ließ sich das Verfahren patentieren. Yamaha erwarb 1974 Lizenzen zur kommerziellen Verwendung und ließ sich wiederum den Einsatz der FM-Synthese in Synthesizern patentieren. Erst 1980 sollte sie allerdings (Klein-)Serienreife haben; in den 70ern wurde nur ein einziger Prototyp von der Größe zweier Kühlschränke gebaut.
Frequenzmodulation ist eine Modulationsart, die seinerzeit schon viele Analogsynthesizer beherrschten: Ein im Audiobereich schwingender Oszillator moduliert die Schwingungsfrequenz eines zweiten. An der FM-Synthese war nun neu, daß sie nichts anderes mehr verwendete.
Trotzdem ist die FM-Synthese schon in ihren früheren Ausführungen sehr flexibel. Die Oszillatoren erzeugen nur Sinuswellen, aber es gibt nicht nur zwei, sondern vier, die sich außerdem Operatoren nennen. Diese Operatoren haben jeweils eine eigene Hüllkurve für die Lautstärke, und ihre Frequenz kann individuell gewählt werden. Vor allem aber können sie variabel verschaltet und entweder als Träger (dessen Frequenz moduliert wird) oder Modulator (der die Frequenz des nächsten Operators moduliert) verwendet werden. Ein Operator ist dabei immer Träger und am Mixer angeschlossen, während die Verwendung der anderen drei Operatoren unterschiedlich sein kann. Alle vier können beispielsweise als unmodulierte Träger direkt in den Mixer laufen für orgelartige Klänge; das andere Extrem wäre eine Kette, in der drei der Operatoren als Modulatoren geschaltet sind und den jeweils nächsten Operator modulieren, so daß schon die Wellenform, mit der der dritte Operator moduliert wird, kein Sinus mehr ist.
Um die FM-Synthese über große Frequenz- bzw. Notenbereiche musikalisch nutzbar zu machen, ohne daß sie zu sehr ins Geräuschhafte abdriftet, müssen die Oszillatoren sehr präzise gestimmt und ihre Phasen sehr präzise aufeinander ausgerichtet sein. Dies ist nur mit Digitaloszillatoren möglich, selbst digital gesteuerte Analogoszillatoren schwingen nicht genau genug. Außerdem ist die Frequenz der Oszillatoren nicht frei, sondern in Stufen relativ zur Grundfrequenz des Tons wählbar.
Nur wenige Yamaha-Geräte setzen tatsächlich die patentgeschützte FM-Synthese ein. Der erste kommerziell erhältliche FM-Synthesizer war 1980 der Yamaha GS1, der mit seinen 88 Tasten und dem stutzflügelartigen Gehäuse eher ein frühes Digitalpiano, aber tatsächlich programmierbar war. Er ist duotimbral mit 16 Stimmen und zwei separaten 4-Operatoren-FM-Klangerzeugungsblöcken. Ihm zur Seite gestellt wurde 1981 der leichtere, monotimbrale GS2. Außerdem kam die FM-Synthese zum Einsatz bei zwei Arranger-Keyboards CE20 (1982) und CE25 (1983), bevor Yamaha auf Phasenmodulation umschwenkte.
Phasenmodulations-Synthese (PM-Synthese, VPM)[]
Die FM-Synthese erwies sich als an sich erfolgreich, aber auch als technisch zu aufwendig. Noch 1983 folgte ihr die Phasenmodulations-Synthese. Sie beruht auf ähnlichen Prinzipien wie die FM-Synthese, ist aber weniger anspruchsvoll. Klassische Digitaloszillatoren erzeugen ja keine Schwingungen in dem Sinne, sondern durchfahren zyklisch eine Liste von Werten, was auch ungewöhnliche Wellenformen möglich macht. Es erwies sich nun als erheblich einfacher, die Stelle in der Liste zu modulieren, an der ein Oszillator gerade ist, also die Phasenlage, als die Geschwindigkeit zu modulieren, mit der er die Liste abfährt, also die Frequenz. Der Rechenaufwand für die damals noch relativ leistungsschwachen Prozessoren wurde reduziert, was Synthesizer ermöglichte, die für weniger Geld mehr konnten. Überdies klingt die PM-Synthese im Gegensatz zur echten FM-Synthese über den gesamten Frequenzbereich immer gleich und ermöglicht auch drastischere Wertesprünge. Bei Verwendung von Sinuswellen ist die PM-Synthese wiederum der FM-Synthese funktional und klanglich sehr ähnlich.
Die Verschaltungsprinzipien blieben im wesentlichen wie bei der FM-Synthese, wurden aber erweitert. Je nach Synthesizer gab es nun nicht nur vier, sondern teilweise sechs Operatoren mit noch mehr Verschaltungsmöglichkeiten – aufgrund der vielen möglichen Verschaltungen wurden diese als „Algorithmen“ voreingestellt und als Ganzes aufrufbar. Einer der Operatoren – immer ein Modulator, außer wenn alle sechs Operatoren in den Mixer liefen – hatte in vielen Geräten in jedem Algorithmus eine regelbare Feedbackschleife, über die er sich selbst modulieren konnte.
Yamaha selbst vermarktete auch Synthesizer mit Phasenmodulations-Synthese als FM-Synthesizer, für die sie ja die Exklusivrechte hatten. Außerdem hatte sich FM schon als eine Art Syntheseform der Zukunft eingebürgert.
Erste Generation der PM-Synthesizer[]
Die erste Generation der als FM-Synthesizer verkauften PM-Synthesizer läutete Yamaha 1983 mit dem DX7 ein – und gleichzeitig auch eine neue Ära im Synthesizerbau. Technisch war der DX7 in vielerlei Hinsicht revolutionär neu. Er hatte MIDI ab Werk, 32 überschreibbare interne Speicherplätze sowie zusätzlichen Speicher auf ROM- oder RAM-Karten, die fast nur aus Tastern bestehende, sehr aufgeräumte Bedienoberfläche läutete einen neuen Trend ein, und weil er weder den Rechenaufwand eines FM-Synthesizers noch den Speicherbedarf eines Wavetable-Synthesizers hatte, konnte Yamaha mit ihm einen 6-Operatoren-PM-Synthesizer mit für Analogverhältnisse unerreichbaren 16 Stimmen für gerade mal DM 5.000 auf den Markt bringen. So wurde er nicht nur der erste kommerziell erfolgreiche Digitalsynthesizer überhaupt, sondern mit (DX7II und DX7S inklusive) 160.000 verkauften Exemplaren zum zweitmeistverkauften Synthesizer überhaupt.
Klanglich erwiesen sich die PM-Synthesizer als sehr flexibel, wenn man die Synthese richtig zu beherrschen wußte. Schon Yamahas Werksprogrammierer entlockten ihr eine große Vielfalt an damals sehr brauchbaren bis auffallend guten Klängen aus vielen Bereichen. Beispielsweise waren DX7 und seine beiden großen Brüder DX5 und DX1 von Mitte der 80er bis weit in die 90er Jahre klanglich der Inbegriff des E-Piano.
Zweite Generation der PM-Synthesizer[]
Ab 1986 folgte eine zweite Generation PM-Synthesizer mit einigen Verbesserungen. Die 10-Bit-Wandler der ersten Generation wurden ersetzt durch klarere, rauschärmere, aber auch charakterärmere 16-Bit-Wandler. Einige Synthesizer dieser Zeit waren schon multitimbral, viele waren kostengünstige 4-Operatoren-Synthesizer, die trotzdem nicht wesentlich weniger konnten als amerikanische Analogsynthesizer zu einem Vielfachen ihres Preises. Ebenso war der Sinus bei den 4OP-Modellen nicht länger die einzige Wellenform, die in der PM-Synthese verwendet wurde.
Dritte Generation der PM-Synthesizer[]
Der Yamaha SY77 läutete 1990 die dritte Generation der Phasenmodulations-Synthese ein, genannt AFM (Advanced FM), die im Zeitalter kostengünstiger werdender Rompler nurmehr eine Zugabe zu samplebasierten Synthesizern war, dies aber mit einem nie zuvor dagewesenenen Funktionsumfang. Die durchweg sechs Operatoren beherrschen nun 16 Wellenformen, können mittels Realtime Convolution and Modulation (RCM) sogar Samples abspielen. Außerdem können dem PM-Block nun auch Filter nachgeschaltet werden, was gerade bei Verzicht auf Phasenmodulation die Verwendung als eine Art virtuell-analoger Synthesizer möglich macht.
Andere PM-Anwendungen[]
Yamaha hatte zwar das Patent auf und somit die Exklusivrechte für den Bau von FM-Klangerzeugern, verkaufte aber fertig einsetzbare Klangerzeugerchips mit Phasenmodulationssynthese – durchweg mit nur vier Operatoren und gegenüber den eigenen 4-Operatoren-Chips funktionsreduziert – auch an Dritthersteller. KORG, die Yamahas PM-Synthesizerflut nichts entgegenzusetzen hatten, bauten um diese Chips herum den DS-8 und den 707, und Elka setzte bei seiner letzten Orgelgeneration auf PM-Chips von Yamaha. Etliche Modelle der SoundBlaster-Audiokarten besaßen Yamaha-Chips als Onboard-Synthesizer und prägten so über Jahre den Klang von PC-Spielen.
Mit dem KORG Prophecy ging 1995 KORGs Multiple Oscillator Synthesis System (MOSS) in Serie, das unter seinen Modi auch einen 6-Operatoren-FM-Modus namens „VPM“ hat. Neben Erweiterungsboards für Trinity und Triton wurde sie auch im KORG Z1 verbaut. Die VPM-Inkarnation in KRONOS ist sogar in der Lage, Yamaha-DX7-Patches zu importieren.
Auch die Alesis Fusion kann mit ihrem „FM“-Generator DX7-Patches verwenden, ebenso ein dediziertes „FM“-Modul im Clavia Nord Modular G2.
Das Waldorf Zarenbourg hat eine 6OP-Engine, um die für den DX7 typischen E-Piano-Sounds zu erzeugen.
Phase Distortion-Synthese (PD-Synthese)[]
Als sich 1983 die Ausbreitung der FM-Synthese abzeichnete, reagierte auch Casio. Da Yamaha die Patente an FM-Synthesizern hielt, entwickelten sie eine Syntheseform, die ähnlich funktionierte, aber kaum etwas mit der FM-Synthese gemeinsam hatte: die Phase Distortion-Synthese. Grundsätzlich arbeitet diese wie die Phasenmodulations-Synthese, also mittels Modulation der Phasenlage statt der Frequenz. Einer der auffallendsten Unterschiede ist aber, daß Casio von vornherein acht Wellenformen in die Oszillatoren einbaute, die obendrein jeweils paarweise gekoppelt und zyklisch nacheinander abgespielt werden können. Auch die Auswahl vorgegebener Verschaltungsalgorithmen fehlt.
Erste Generation: CZ-Synthesizer[]
Die erste Generation von Casios PD-Synthesizern ist noch relativ einfach geschaltet. Es gibt zwei „Lines“, die jeweils aus einem irreführenderweise als „DCO“ bezeichneten Digitaloszillator als Träger, einem als „DCW“ (W für Waveform Generator) bezeichneten zweiten Digitaloszillator als Modulator und der Lautstärkeregelung in Form eines als „DCA“ bezeichneten Digitalverstärkers bestehen. Somit hat die PD-Synthese vier Operatoren. Die beiden Lines werden nun gemischt, das Signal kann nun mit einem Ringmodulator und/oder mit einer auf Noise basierenden Modulation bearbeitet werden. Die Oszillatoren und Verstärker haben jeweils eine eigene Hüllkurve, bei den DCWs und DCAs kann außerdem Keyfollow eingestellt werden, das bei den DCOs fest ist.
Zweite Generation: iPD, VZ-Synthesizer[]
Die iPD (interactive Phase Distortion) fällt deutlich komplizierter aus. Den Lines fehlt der „DCW“, dafür gibt es nun acht, die sich nun Module nennen und einander modulieren können, und somit acht Oszillatoren pro Stimme — Yamaha hatte erst viele Jahre einen echten 8-Operatoren-Synthesizer. Die ungeraden Module können entweder zum jeweils höheren geraden Modul gemischt werden, mit diesem ringmoduliert werden oder dessen Phase verzerren. Das entstehende Signal wiederum kann entweder in den Mixer gespeist werden oder die Phase des nächsthöheren geraden Moduls verzerren. Die längste mögliche Kette wäre: Modul 1 verzerrt die Phase von Modul 2, das wiederum (wahlweise zusammen mit Modul 3) die Phase von Modul 4 verzerrt, das wiederum (wahlweise zusammen mit Modul 5) die Phase von Modul 6 verzerrt, das wiederum (wahlweise zusammen mit Modul 7) die Phase von Modul 8 verzerrt, das dann in den Mixer geht. Auch hier ist es allerdings möglich, alle acht Oszillatoren unverzerrt in den Mixer laufen zu lassen.