IMA5 2018/2019 P43

Présentation générale

• Titre : Conception d'un synthétiseur

Description

Afin de compléter ma formation d'ingénieur en option IMA-SC j'ai décidé de me lancer dans la réalisation d'un synthétiseur. En effet, ce PFE s'inscrit dans une volonté de poursuite de mon projet professionnel. Voulant travailler dans l'industrie de la musique, il me permettra d'avoir un premier contact avec les notions techniques qu'elle implique.

Fort heureusement, mon sujet à été accepté en me laissant une grande liberté. Le synthétiseur pourra alors évoluer assez librement lors de l'année. Il me faut cependant réfléchir à toutes les étapes, afin de passer des premières idées sur papier au produit final. Cela n'est pas tout le temps évident, nous le verrons.

Le projet mêle électronique analogique et numérique, leur proportion pourra évoluer selon les idées ou les difficultés rencontrées en cours de route. Mon premier choix de microcontrôleur se porte sur la famille Atmega qui, par sa simplification de codage, permet de réaliser de la DSP assez efficacement.

Un travail très important de recherche devra être réalisé en amont afin d'assurer une base de connaissances suffisante et nécessaire au bon déroulement du projet.

Objectif principal

Concevoir et réaliser un instrument de musique électronique (Synthétiseur) mélodieux et comportant un ensemble de fonctionalités accessible à l'utilisateur.

Préparation du projet

Choix techniques : matériel et logiciel

Le matériel utilisé pour ce projet n'est pas strictement fixé et est amené à évoluer durant toute la durée de celui-ci. Je tâcherai cependant d'actualiser au fur et à mesure de l'avancement de mes recherches le descriptif suivant :

Partie matériel

La description du matériel nécessaire se fait en séparant le projet en blocs fonctionnels :

DSP:

• 1 microcontrôleur Atmega

Partie logiciel

• Arduino IDE
• Altium Designer

Liste des tâches à effectuer

Ce projet peut se découper en une multitudes de taches à effectuer :

1. Définition des fonctionnalités de l'instrument
2. Recherches bibliographiques
3. Réalisation du VCO
4. Codage de la DSP numérique (ADSR)
5. Réalisation d'un filtre
6. Réalisation du VCA
7. Réalisation de différents effets intégrés
8. Gestion du MIDI
9. Ajout de fonctionnalités (en fonction du temps restant)
10. Réalisation du boîtier et mise en place du circuit

Réalisation du Projet

Semaine 1

Lorsque j'ai commencé à réfléchir à quoi mon synthétiseur allait ressembler, je dois avouer que j'étais légèrement perdu dans la multitude de possibilités. Les idées venaient par centaines les unes au dessus des autres, toutes plus motivantes les unes que les autres, mais souvent bien incompatibles..

Il me fallait trouver une méthodologie de gestion de projet et découper mon objectifs en sous-catégories. D'une autre part il me fallait des gardes fous afin de ne pas m'emballer et partir sur des idées interminables. J'ai décidé de contacter mon tuteur de stage à Montréal qui travaille dans l'industrie des synthés modulaires. Après plusieurs heures de discussion, voici les principales questions que je me suis posées et auxquelles je me suis appliqué à répondre :

Desktop Synth VS Keyboard

Le légendaire Juno 106 (en haut) et sa version desktop (en dessous)

Voici la première question : A quoi va ressembler le synthétiseur ? Il a plusieurs types de synthétiseur et parmi eux les Keyboards et les Desktop synths. Alors que le premier incorpore les touches à son boîtier, l'autre et une version plus petite et compact. C'est vers cela que je vais me tourner.

Quels sont les avantages ?

• Dans le commerce, les synthétiseurs Desktop sont généralement moins cher. Ici, la conception étant entièrement réalisée par mes soins, cela me permet d'oublier la gestion des touches et d'éviter leur achat.

• La taille : Mon but, au delà du projet scolaire, est de garder le synthétiseur et de pouvoir l'utiliser pour mes projet musicaux personnels. Un synthétiseur ainsi réalisé permet de gagner de la place lorsque qu'il est installé dans une configuration d'instruments.

• Facilement séquençable : Un séquenceur est un outil capable d'enregistrer et exécuter une séquence de commandes permettant de piloter des instruments de musique électronique. Il ne produit aucun son par lui-même, mais sert à automatiser l’exécution d'une séquence musicale.

Qu'est ce que cela implique ?

Le synthétiseur comporte un ou plusieurs VCO qui vont générer les notes. Cependant, sans clavier il faut ajouter au synthétiseur Desktop un moyen de contrôle des notes. Ceci se fera grâce à l'ajout d'un port MIDI IN. Cela implique un code de gestion des messages midi et de conversion de ces derniers en tension pour la commande du/des VCO.

Analogique ou Digital ? / Monophonique ou Polyphonique ?

Lors de l'apparition des premiers synthétiseurs, ces derniers se ressemblaient beaucoup. Tout les sons étaient générés analogiquement, c'est à dire qu'il reposaient tous sur un signal électrique analogique. Les circuits étaient complexes et en résultait principalement des synthétiseurs monophoniques (ne pouvant jouer qu'une note à la fois).

Avec l'arrivée du digital la polyphonie s'est grandement développée. Les synthétiseurs digitaux ont permis une approche simplifiée de la polyphonie (Réduction de la complexité et du coût). En effet, un synthétiseur analogique doit, pour être polyphonique, ajouter chaque voix individuellement à la chaîne du signal et dans l'ordre pour créer le son de l'accord joué.

Dans la mesure où je voulais réaliser un synthétiseur analogique (par envie d'étendre mes connaissance en électronique analogique et par amour du son analogique), mon choix s'est naturellement porté vers la monophonie.

Je précise que l'aspect analogique du synthétiseur que j’entreprends de réaliser concerne la génération du son (VCO) et d'autres blocs tels que le VCA ou le filtre par exemple. Une partie digitale sera en effet présente pour la gestion de différents éléments (ADSR, MIDI IN).

Quelles seront les fonctionnalités ?

Une fois le type de synthétiseur défini il m'a fallu réfléchir aux fonctionnalités qu'il apportera. En effet jusqu'ici, si l'on suppose avoir un VCO et un VCA, on a simplement le son d'un oscillateur que l'on contrôle de manière externe via un port MIDI.

Que peux-ton faire pour modifier ce signal et offrir à l'utilisateur un minimum d’interaction ? Les idées et possibilités sont infinies. C'est pour cela que la réponse à cette question risque de changer tout au long de l'année. Pour le moment j'aimerai pouvoir :

• Coder une enveloppe ADSR sur le microcontrôleur
• Concevoir un filtre analogique
• Ajouter des effets analogiques (Delay, Reverb, Chorus)
• Réaliser un LFO assignable à plusieurs paramètres (Fréquence de coupure du filtre, paramètres d'effets etc..)
• (Dépendra du temps) Rendre le synthétiseur semi-modulaire

J'expliquerai plus en détail chacune de ces parties dans des paragraphes dédiés.

Semaine 2

Une fois les bases du projet posées, il m'a fallu découper le synthétiseur en blocs fonctionnels. Cela me permet de travailler sur chacun d'eux séparément, tout en réfléchissant à comment les rassembler en terme de niveaux de signal et de contrôle. Le microcontrôleur sera alors le cerveau sous-jacent qui contrôlera l'ensemble :

fig 1. Vue d'ensemble des blocs fonctionnels du synthétiseur.

Un VCO, c'est quoi ?

L'oscillateur est un circuit qui produit un signal périodique. En réglant la fréquence dans le domaine de l'audible (20 Hz - 20 kHz), on peut générer un signal utilisable pour le synthétiseur. Ce signal peut prendre plusieurs formes (rectangulaire, triangulaire, sinusoïdale, dent de scie), impactant alors le timbre du son.

• Exemple d'un oscillateur simple

fig 2. Oscillateur simple.

Ce qu'on appelle un oscillateur simple est un circuit qui génère un signal périodique à une fréquence fixe. Dans ce circuit que j'ai utilisé pour mon projet de 4ème année, un transistor placé dans sa zone d'avalanche produit un signal en dent de scie dont la fréquence est variable grâce au potentiomètre.

Pour un synthétiseur cela n'est pas très pratique. Il est nécessaire d'obtenir des fréquences précises correspondantes aux notes jouées; Par exemple, le LA3 se trouvant au centre d'un piano, correspond à une fréquence fondamentale de 440 Hz. Pour jouer un LA3 il faudrait un oscillateur produisant cette fréquence. On ne va ainsi pas créer un oscillateur pour chaque note, il suffit de rendre cet oscillateur ajustable.

• Le VCO (Voltage Controlled Oscillator)

Un VCO est un oscillateur dont la fréquence du signal dépend d'une tension continue. Cela permet principalement de jouer l'intégralité des notes du clavier avec un seul oscillateur (dans un mode monophonique). La tension contrôlant l'oscillateur dépendra alors de la note jouée, et sera produite par le microcontrôleur.

Avoir une tension qui défini la fréquence présente d'autres avantages comme par exemple :

• Possibilité d'ajouter un effet vibrato : On ajoute à la tension de contrôle une composante alternative de faible amplitude.
• Glissando/Portamento : Si l'on peut gérer la vitesse de changement de tension d'une note à l'autre on peut ajouter un effet de Portamento (imaginez un slide sur une corde de guitare par exemple).

Et ce n'est que quelques idées qui m'ont traversées l'esprit, les possibilités sont nombreuses.

Korg MS-10

Choix du VCO : Le Korg MS-10

Après avoir passé beaucoup de temps à lire des documentations techniques et des articles sur les différentes marques/modèles de synthétiseurs j'ai décidé d'essayer de reproduire le VCO du Korg MS-10.

Le Korg MS-10 est un synthétiseur analogique monophonique semi-modulaire sorti à la fin des années 70. Ce synthétiseur est un classique utilisé par de nombreux artistes. J'ai toujours été admiratif du son de ce synthétiseur et voulu le posséder. Le circuit est complexe en apparence, mais ma motivation d'avoir le son original Korg dépasse la peur de l'incompréhension.

En fouillant les archives de Korg et des manuels techniques j'ai trouvé plusieurs schémas qu'il m'a fallu déchiffrer afin d'en comprendre le fonctionnement.