デジタルシンセサイザー

デジタルシンセサイザーは、音声を生成・加工するためにデジタル信号処理（DSP）技術を応用した電子楽器です。アナログシンセサイザーが電気的な回路を用いて音作りを行うのに対し、デジタルシンセサイザーは数値計算によって音の波形を作り出したり、加工したりします。生成されたデジタル信号は、最終的にデジタル/アナログ変換回路（DAC）を経てアナログ信号として出力され、スピーカーなどから音として聞こえるようになります。

初期のデジタルシンセサイザーでは、効率的な合成演算のために、波形の1周期分を数値データとしてテーブル化し、それを読み出して計算に用いる方式が採用されました。この手法はウェーブテーブルシンセシスやFM音源などに活用され、後のPCM音源の普及に至るまで広く使われます。特に、ビデオゲーム機の音源チップなどでは「波形メモリ音源」とも呼ばれ、親しまれました。

また、音色の加工に不可欠なフィルター処理においても、デジタルシンセサイザーではFIRフィルターやIIRフィルターといったデジタル処理に特化したアルゴリズムが用いられます。これは、コンデンサーや抵抗で構成されるアナログフィルターの特性をデジタルで高精度に再現するには、非常に高い処理能力が要求されるためです。

歴史

デジタル技術を用いた音源の歴史は古く、1957年にコンピュータ上で動作するソフトウェア音源「MUSIC」が誕生したことに遡ります。その後、1969年には初のサンプリング音源とされるEMS Musys systemが登場しました。

専用ハードウェアによる初期のデジタル楽器としては、以下のようなものが開発されました。

1972年：アーレン・オルガンのアーレン・コンピュータ・オルガン
1973年：ダートマス大学のダートマス・ディジタル・シンセサイザー（後のシンクラヴィア）
1974年：RMIのハーモニック・シンセサイザー

アーレン・コンピュータ・オルガンは、ロックウェル社とアーレン・オルガン社が共同開発し、その技術はオルガン社に引き継がれました。

主要な音源方式

デジタルシンセサイザーには、様々な音源方式が存在します。

ハイブリッド・シンセサイザー

特定の合成方式（典型的には加算合成）で生成した波形を波形メモリに格納しておき、それを再生しつつフィルターで音作りを行う方式です。初期のデジタルオルガン技術を発展させる形で登場しました。

RMI ハーモニック・シンセサイザー (1974)
PPG 1003 Sonic Carrier (1976)
KORG DW-6000 (1984) / DW-8000 (1985)

アディティブ・シンセシス（加算合成）

音の要素である倍音に着目し、個々の倍音成分の強さの時間変化を細かく設定することで音色を合成する方式です。河合楽器製作所のK5シリーズやK5000シリーズなどがこの方式を採用しています。これらの機種は倍音を減らすフィルターも内蔵しており、純粋な加算合成だけでなく多様な音作りが可能です。音のスペクトログラムを逆変換する一例とも考えられ、ソフトウェアシンセサイザーでの実装も多く見られます。

ウェーブテーブル・シンセシス

複数の異なる1周期波形を波形テーブル上に並べ、鍵盤のタッチや時間経過に応じて読み出す波形を連続的に切り替えることで、滑らかな音色変化を実現する方式です。1980年にPPGが初めて採用し、後にWaldorfへと引き継がれました。PC用のサウンドカードなどで「ウェーブテーブル音源」と呼ばれるものがありますが、これはサンプリング音源/PCM音源の別名であり、PPG/Waldorfのウェーブテーブル・シンセシス方式とは原理が異なります。

PPG Wavecomputer 360 (1980)
Waldorf microwave (1989)

ベクトル・シンセシス / ウェーブ・シーケンス

2次元平面上に複数の波形を配置し、ジョイスティックやエンベロープなどを使って平面上の座標を移動させることで、配置された波形の混合比を連続的に変化させる方式です。一種の加算合成とも言えます。SCI、KORG、YAMAHA、KAWAIなどがこの方式を採用した製品を開発しました。ウェーブテーブル・シンセシスが1次元的な波形変化と捉えられるのに対し、ベクトル・シンセシスはより多次元的な変化が可能になります。

SCI Prophet VS (1986)
KORG WAVESTATIONシリーズ (1990)
YAMAHA SY-22 (1990) / TG-33 (1990)

サンプラー / PCM音源

1980年前後、半導体メモリの低価格化に伴い、波形の1周期だけでなく数十ミリ秒から秒単位の「サンプル」を丸ごと録音・再生する方式が登場しました。これがサンプリング音源、またはPCM音源と呼ばれるものです。初期の製品には表現力に限界がありましたが、メモリ容量の増加や、サンプルに加えて減算合成方式を組み合わせることで、楽器としての表現力は飛躍的に向上しました。Roland D-50に搭載されたLA音源などがこの流れを汲んでいます。1990年代半ば以降、PCサウンドカードで主流となった「ウェーブテーブル音源」という呼称は、このサンプリング音源/PCM音源を指すことが一般的です。

フェアライトCMI (1979)
E-mu Emulator (1982)
Kurzweil K250 (1983)
Roland D-50 (1987)

FMシンセシス

1980年代にYAMAHAの製品（DX7など）で広く普及した方式です。基本的には、一つの波形（キャリア）の周波数を別の波形（モジュレーター）で変化させる（周波数変調）ことで複雑な倍音構成を持つ音色を作り出します。YAMAHAの実装では、波形メモリの読み出し速度を制御することで実現されました。一般的には正弦波を基本波形として使用しますが、後期には他の波形も選択可能になりました。

YAMAHA TX81Z (1986)
YAMAHA SY77 (1989) / TG77 (1990)

PDシンセシス

1980年代にカシオが開発した方式です。波形メモリから波形を読み出す際の「位相角」を周期内で変化させることで、波形を変形させ、倍音構成を変化させます。アナログシンセのオシレータシンクに類似した処理と言えます。

ソフトウェア・シンセサイザー

専用ハードウェアではなく、コンピュータやスマートフォン上で動作するソフトウェアによって音を生成するデジタルシンセサイザーです。様々な合成方式をソフトウェアで実装できます。

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