Modularer Synthesizer

Steve Porcaro von „Toto“ mit einem modularen Synthesizer

Modulare Synthesizer sind elektronische Musikinstrumente, die aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Komponenten (Module) bestehen, welche im Zusammenhang der Erzeugung elektronischer Klänge dienen.

Aufbau und Technik

Es gibt Module zur Klangerzeugung (etwa VCO), Module zur Klangveränderung (etwa VCF) und solche zur Steuerung (etwa ADSR). Die einzelnen Module werden über Kabel (Patchkabel) oder Schalter, manchmal auch Schieberegler und Steckfelder, miteinander verbunden. Somit ist bei einer gegebenen Anzahl von Modulen mit Aus- und Eingängen eine Vielzahl von Verbindungsmöglichkeiten vorhanden. Das endgültige Signal wird meist über einen Lautsprecher ausgegeben oder an ein Aufnahmegerät weitergegeben.

Wesentliches Merkmal analoger modularer Synthesizer ist die Spannungssteuerung einzelner Parameter eines Moduls. Die Steuerspannung (CV für engl. „Control Voltage“) kann – beispielsweise von einem Keyboard oder einem Sequenzer erzeugt – auf den CV-Eingang des VCO gelegt werden, wobei eine Änderung der Spannung eine Änderung der erzeugten Frequenz zur Folge hat. Weitere essenzielle Parameter sind die Filtereckfrequenz des VCF oder die Verstärkung des VCA, die in konventionellen Patches zumeist von den ADSR (oft auch als EG für engl. „Envelope Generator“ bezeichnet) angesteuert werden. Als Industriestandard hat sich der von Moog eingeführte Steuerspannungsbereich 0 bis 10 Volt etabliert. Für die Ansteuerung der VCO und VCF wurde darüber hinaus eine exponentielle Kennlinie der Steuerspannung zugrunde gelegt, was in einer Frequenzverdopplung pro Volt resultiert. Es gibt auch abweichende Steuerspannungsstandards, wie z. B. bei KORG (MS-10, MS-20, MS-50 etc.) oder Yamaha. Bei Eurorack gibt es auch Module, die im Bereich von -5V bis +5V arbeiten, sowohl bei der Ausgabe wie auch am Eingang. Bei manchen dieser Module kann man den Spannungsbereich ändern zwischen -5V bis +5V und 0 bis +10V, meist über Steckbrücken auf der Rückseite, viele Module auch über die digitale Konfiguration wie z. B. im Fall einiger MIDI-zu-CV/Gate-Module.

Weitere Steuerspannungen werden als „Gate“ und „Trigger“ bezeichnet und haben keine kontinuierliche Parameteränderung zur Folge, sondern dienen zum Schalten von Ereignissen. Das Gate-Signal beeinflusst die zeitliche Dauer des Ereignisses, indem es für eine bestimmte Dauer den Parameter geschaltet hält. Diese Dauer kann z. B. die Zeit sein, während der eine Taste des Keyboards gedrückt wird. Das Trigger-Signal ist ein zeitlich immer gleich langer Impuls, der ein Signal einmalig auslöst, ohne auf den weiteren Verlauf Einfluss zu nehmen. Dies kann z. B. der Startparameter eines Sequencers sein, der nach einmaligem „antriggern“ eigenständig seine Funktion aufnimmt. Diese Steuerspannungen werden zumeist durch einen Wechsel von 0 Volt nach 5 Volt erzeugt.

Module

Grundelemente eines Modularsynthesizers sind unter anderem:

• VCO – (engl. Abk.: voltage controlled oscillator) – spannungsgesteuerter Schwingungsgenerator
• VCA – (engl. Abk.: voltage controlled amplifier) – spannungsgesteuerter Verstärker
• VCF – (engl. Abk.: Voltage Controlled Filter) – spannungsgesteuertes Filter
• VCP – (engl. Abk.: Voltage Controlled Phaser) – spannungsgesteuerter Phaser
• LFO (engl. Abk.: low frequency oscillator) – Niedrigfrequenzoszillator
• ADSR – Hüllkurvengenerator (Attack Time, Decay Time, Sustain Level, Release Time)
• Sample and Hold (S&H) – regelmäßige Abtastung (z. B. eines Rauschsignals zur Erzeugung von Zufallssequenzen)
• Rauschgenerator (engl. Noise Generator) – erzeugt Farbiges Rauschen, zumeist weißes Rauschen
• Mischer-Modul (engl. Mixer) – zur Abmischung verschiedener Steuerspannungen oder Audio-Signale
• Crossfader – zum Wechsel zwischen Audiosignalen
• Sequenzer – zur Generierung einer Reihe musikalischer Noten in einer vorgegebenen oder zufälligen Reihenfolge
• Wellenfaltungsmodul (engl. Wave Folder) – faltet ein übersteuertes Signal zum Nullpunkt, anstatt dieses abzuschneiden, und erzeugt dabei harmonische Noten
• Modulatoren
  • Amplitude
  • Frequenz
  • Pulsweite (engl. PWM)
• DIV (engl. Clock divider) – zum Teilen einer Eingangsfrequenz
• Wavetable-Synthesizer – zum Wiedergeben gespeicherter Tonfolgen
• DRC (engl. Dynamic range compressor) – macht große Amplituden kleiner und kleine Amplituden größer

Jedes elektronische Modul, das Spannungen verarbeitet, kann theoretisch (entsprechende Modifikationen vorausgesetzt) in einem modularen Synthesizer eingesetzt werden. Modulare Synthesizer eignen sich, je nach Qualität, sogar für den Aufbau von Analogrechnern.

In der Praxis werden die einzelnen Module oft in Racks montiert. Die äußere Abmessung der Module entspricht dann meist dem 19″-Standard.

Berühmte Modular-Synthesizer

Modulsystem von synthesizers.com

Neben dem Moog Modular, der beispielsweise u. a. von Emerson, Lake and Palmer genutzt wurde, wurden die Systeme Roland System 100M, System 700, E-Mu Modular, ARP 2500, EMS Synthi 100, Synthi AKS, Synthi A sowie die Buchla-Module bekannt. Populär wurde auch der Modular-Synthesizer namens „Formant“, dessen Bauanleitung – von Cyril Chapman verfasst – in mehreren Folgeartikeln in dem Elektronik-Magazin „Elektor“ in den 1970er Jahren veröffentlicht wurde. Diese Popularität war dem Umstand geschuldet, dass die kommerziellen Systeme seinerzeit für Hobbymusiker und Einsteiger fast unerschwinglich waren und ein Selbstbau einige Kostenersparnis versprach, auch wenn bei der Qualität Abstriche hingenommen werden mussten.

Eine revidierte Bauanleitung des Formant-Synthesizers mit der Bezeichnung „Formant-pro MSS2000“ aus der Feder von Hans-Joachim Helmstedt erschien 2000. Da viele Bauteile mittlerweile nicht mehr erhältlich waren, enthielt sie diverse Anpassungen. Diesem Projekt war jedoch nur geringer Erfolg beschieden, da die Publikation vom „Elektor“-Verlag mit sehr vielen Fehlern abgedruckt wurde, was einen fehlerfreien Aufbau der Schaltungen für Elektronikanfänger nahezu unmöglich machte. Das Projekt wurde daher mittlerweile eingestellt.

Selbstbau

Kompletter Selbstbau

Der Selbstbau von modularen Synthesizern nach Bausätzen oder Anleitung ist mittlerweile sowohl unter Laien als auch unter professionellen Musikern gängig geworden. Im Internet existieren zahlreiche Seiten, die Anleitungen und Unterstützung bieten. Teilweise werden von den Belichtungs-Vorlagen für die Platinen-Layouts über Verdrahtungspläne bis hin zur Stückliste alle zum Nachbau benötigten Unterlagen bereitgestellt. Häufig wird dieses Hobby S-DIY oder Synth-DIY (DIY steht hierbei für Do-It-Yourself) abgekürzt. Einige Hersteller von Modulen stellen die Daten zu ihren Produkten als Open Source zur Verfügung, d. h. das Platinenlayout, die CAD-Daten zu den Frontplatten, ggf. Quellcode für Microcontroller, sowie die Bauteillisten stehen kostenfrei zum Download bereit und dürfen unter Einhaltung ihrer Lizenzbedingungen (meist Creative Commons) reproduziert werden. Je nach Lizenzbedingungen dürfen die Module sogar abgewandelt und das daraus resultierende Produkt verkauft werden, ggf. unter Namensnennung des ursprünglichen Lizenzgebers.

Teilweiser Selbstbau auf Basis fertiger Platinen und Frontplatten

Da die eigene Herstellung von Platinen (engl. PCB) und Frontplatten (engl. Panel) relativ aufwändig ist, bieten einige Hersteller die fertigen Platinen und/oder die passenden Frontplatten in professioneller Qualität zum Kauf an. Der Käufer muss dann nur noch anhand von Bauteillisten die nötigen Komponenten (z. B. Widerstände, Kondensatoren, Buchsen, Potis, Steckleisten, LEDs, ICs, Microcontroller) kaufen, sofern diese nicht schon im heimischen Materiallager vorrätig sind.

Selbstbau auf Basis von Komplettbausätzen

Eine andere Variante sind komplette Bausätze, sogenannte DIY Kits (teilweise auch als "Full DIY Kit" bezeichnet). Es gibt einige Hersteller von Synthesizer-Modulen (meist für das Eurorack-System), die ihre Produkte nur als DIY Kit anbieten. Andere Hersteller bieten sowohl fertig aufgebaute Module an, wie auch die identischen, oder leicht abgewandelte Versionen als DIY Kit. Die DIY Kits sind teilweise deutlich günstiger als die fertig aufgebaute Version. DIY Kits sind normalerweise nur bei den Herstellern direkt, oder bei darauf spezialisierten Händlern zu kaufen. In Deutschland sind derzeit (Stand 2019) nur sehr wenige solcher Händlern zu finden. Bestimmte Bausätze sind nur im Ausland zu beziehen. Diese Variante des Selbstbaus bietet sich für Anfänger bis Fortgeschrittene an, denn die Bausätze sind in allen Schwierigkeitsgraden erhältlich. Das beginnt bei Modulen, an denen nur wenige Bauteile aufgelötet werden müssen, und geht hin bis zu sehr komplexen Modulen mit mehreren Hundert Bauteilen und anschließend notwendiger Kalibrierung.

Selbstbau von Gehäusen

Für alle modulare Synthesizer werden Gehäuse benötigt, wenn man die Module nicht nur lose und ungeschützt herumliegen lassen will. Diese Gehäuse werden von vielen Nutzern selbst gebaut. Gründe hierfür liegen einerseits am teils hohen Preis für fertige Gehäuse, oder an der geringen Auswahl an speziellen Abmessungen. Gerade Einsteiger schrecken oftmals wegen der teils hohen Kosten für ein Gehäuse zurück.

Der Selbstbau umfasst meist nur das Gehäuse selbst, das dann durch fertige Netzteile ergänzt wird. Es gibt aber auch Bausätze für die Netzteile zu kaufen, bzw. Bauanleitungen für den kompletten Selbstbau. Hierbei ist aber zu beachten, dass je nach Konstruktionsweise des Netzteiles 230V Spannung anliegen. Laien sollten aus Sicherheitsgründen deshalb auf fertige Netzteile mit entsprechenden Schutzeinrichtungen zurückgreifen, oder auf Varianten, die ein geschlossenes Steckernetzteil enthalten und im Gehäuse nur ungefährliche Spannungen anliegen. Meist sind dies weniger als 20V.

Zusätzlich zum Netzteil wird immer auch noch ein spezielles Bauteil benötigt, das den Anschluss mehrerer Module an das Netzteil ermöglicht. Hier kommen entweder Platinen oder Flachbandkabel mit mehreren Steckverbindern zum Einsatz. Die Variante mit Bus-Flachbandkabel wird im englischen Sprachraum bezeichnet als "bus cable" oder "flying bus cable" (weil es meist locker im Gehäuse "herumfliegt"). Bus-Flachbandkabel werden üblicherweise nur in kleinen Gehäusen ("Skiff") verwendet. In größeren Gehäusen werden meist nur Busplatinen (engl. "Busboard") verwendet. Der Vorteil der Busplatinen ist die feste Fixierung mittels Schrauben am Gehäuse (meist an der Gehäuserückwand), und die leichtere Handhabung später bei der Bestückung mit Modulen. Ebenso sind darüber größere Ströme möglich. Je nach Leistungsfähigkeit des Netzteils können mehrere Busplatinen daran angeschlossen werden. Üblicherweise sind dies ein bis drei Busplatinen.

Im Bereich Eurorack ist die Art und Belegung der Steckverbindungen standardisiert und bei allen Herstellern identisch. Es müssen immer +12, -12V und Masse (engl. GND) anliegen. +5V sind optional, weil +5V nur von wenigen Modulen benötigt wird. Sollte das Netzteil keine +5V zur Verfügung stellen, kann mittels einem kleinen Adapter, der auf eine freie Buchse aufgesteckt wird, die +5V erzeugt werden. Die Busplatinen (aber auch die Bus-Flachbandkabel) ermöglichen auch die Verteilung von CV und Gate zwischen den Modulen, sofern die Module dies unterstützen. Auf diese Weise spart man die Verbindung der entsprechenden Module vorne über die Buchsen auf der Frontplatte und hat somit weniger Patchkabel im Einsatz.

Mittlerweile verwenden die meisten Hersteller auf den Busplatinen spezielle Buchsenleisten mit Pfostenwanne, die auf einer Seite eine Aussparung hat, der passende Stecker an dieser Stelle eine "Nase". Hierdurch wird ein falsches Einstecken verhindert. Einige wenige Hersteller von Busplatinen nutzen jedoch nur einfache Steckverbinder ohne Wanne, bei denen die Gefahr besteht, die Stecker falsch aufzustecken: Entweder versetzt, oder um 180° verdreht. Im schlimmsten Fall kann dadurch das soeben angeschlossenen Modul oder weitere Module oder das Netzteil zerstört werden. Deshalb ist immer auf eine korrekte Verbindung zu achten. Meist sind entsprechende Hinweise und Markierungen auf den Modulen und auf den Busboards vorhanden. Bei den Bus-Flachbandkabeln sind immer Pfostenwannen montiert, hier besteht keine Gefahr.

Der Selbstbau eines Gehäuses kann einen beliebigen Komplexitätsgrad erreichen:

• Fertige, neue oder alte Koffer (z. B. professionelle 19"-Rack-Koffer oder Mixercases, aber auch alte Akten- oder Reisekoffer), Kisten (teils wurden alte Weinkisten umgebaut), oder Schränke (z. B. alte CD-Schränke), in die nur noch die Montageschienen für die Module plus die Stromversorgung eingebaut werden müssen.
• Komplette Neubauten aus alten oder neuen Materialien, meist aus Holzplatten, aber auch aus Kunststoff oder Metall. Es gibt solche Gehäuse aus per Lasercutter oder CNC-Fräse geschnittenen Materialien, die teilweise nur noch im Baukastensystem zusammengesteckt werden müssen. Weiter verbreitet ist jedoch die Herstellung aus gesägten Holzplatten, die verschraubt oder verleimt werden.
• Selbstbau aus fertigen Komponenten. In dem Fall aus fertigen Gehäusen, meist Eurorack-kompatibel, in die nur noch das gewünschte Netzteil und Busplatine oder Bus-Flachbandkabel eingebaut werden muss.

Modulare Software-Synthesizer

Als kostengünstige Alternative können auch modulare Software-Synthesizer zum Einsatz kommen. Diese simulieren in Hardware implementierte Synthesizer-Module. Beispiele umfassen:

• Reaktor Blocks von Native Instruments
• Max/MSP von Cycling '74

Literatur

• Cyril Chapman, Markus F. P. Aigner: Formant Musik-Synthesizer. 2. Auflage. Elektor-Verlag, Gangelt 1978, ISBN 3-921608-10-4.
• Markus F. P. Aigner: Formant-Musik-Synthesizer-Erweiterungen. Beschreibung, Bau- u. Spielanleitung erweitert und neuer Formant-Moduln.Elektor-Verlag, Gangelt 1981, ISBN 3-921608-19-8.
• Bernd Enders: Die Klangwelt des Musiksynthesizers. Die Einführung in die Funktions- und Wirkungsweise eines Modulsynthesizers. Franzis-Verlag, München 1985, ISBN 3-7723-7761-0.
• Hans-Jochen Schulze, Georg Engel: Moderne Musikelektronik. Praxisorientierte Elektroakustik und Geräte zur elektronischen Klangerzeugung. Militärverlag der Deutschen Demokratischen Republik (VEB), Berlin 1989, ISBN 3-327-00772-1.
• André Ruschkowski: Elektronische Klänge und musikalische Entdeckungen (= Universal-Bibliothek 9663 Reclam-Wissen). Überarbeitete und erweiterte Ausgabe von „Soundscapes“. Reclam Verlag, Stuttgart 1998, ISBN 3-15-009663-4.
• Hans-Joachim Helmstedt: FORMANT-Pro. Modulares Sound-System MSS 2000. Elektor-Verlag, Aachen 2000, ISBN 3-89576-099-4.
• Peter Gorges: Synthesizer Programming. 4., unveränderte Auflage. Wizoo, Bremen 2009, ISBN 978-3-934903-64-7.
• Florian Anwander: Synthesizer. So funktioniert elektronische Klangerzeugung. 8. Auflage. PPVMedien, Bergkirchen 2015, ISBN 978-3-941531-70-3.
• Kim Bjørn, Chris Meyer: Patch & Tweak – Exploring Modular Synthesis. Bjooks, Dänemark 2018, ISBN 978-87-999995-1-4.
• Rolf-Dieter Lieb, Ulf Kaiser: SynMag - A Guide To Modular Worlds. SynMag Verlag, Rellingen 2019, ISBN 978-3-00-064145-9.

Weblinks

• Modular Synthesizer Database auf sequencer.de
• http://www.aliens-project.de/studio.html Bilder, Klangbeispiele und Infos von großen Modularsystemen
• Simple Synthesis. Keith McMillen, abgerufen am 6. Februar 2018 (englisch). 
• ModularGrid - Datenbank und Planungstool für Modularsynthesizer