VOCODER ANALOGICO a 12 canali

23/02/2015

Ovvero: come riesumare un reperto sperimentale di trent'anni fa

In questi giorni, facendo pulizia nei recessi nascosti del mio lab ho trovato in uno stagionato scatolone un oggetto che risale alla preistoria della mia attivita' di sperimentatore elettronico amatoriale.  L'ho infatti costruito nel lontano 1978, cioè 33 anni fa! 

Non credevo neppure di possederlo più, dopo tanti anni pensavo fosse sublimato in molecole rugginose e dunque non esistesse più traccia di questo glorioso strumento cui ho dedicato mesi e mesi di studi, prove e modifiche.

Invece eccolo qui:






Si tratta del prototipo di un VOCODER ANALOGICO A 12 CANALI e per chi non ne avesse mai sentito parlare, spiego meglio di che si tratta.

E' una sorta di strumento musicale che ha lo scopo di modulare una portante audio (ad esempio generata da un sintetizzatore) con un secondo segnale audio, di solito vocale.
Il risultato e' la voce simil-metallica tipica dei robot, ma decisamente particolare ed espressiva, certamente innovativa a quei tempi. In sostanza si fanno "parlare" le note musicali generate dagli strumenti.

In passato il vocoder andava molto di moda per l'originalità della timbrica e numerosi gruppi musicali l'hanno usato con successo.

Voglio ricordarne alcuni:

I Rockets (probabilmente il gruppo che l'ha sfruttato al meglio)
Giorgio Moroder
I Kraftwerk
e molti altri che non cito.

Oggi, con la disponibilità di sintetizzatori e campionatori digitali ad alte prestazioni e basso costo, il vocoder analogico è diventato un pezzo da museo, se non proprio da "raccolta differenziata".

Il mio esemplare (prototipo rimasto un pezzo unico) è incredibilmente ancor ben conservato e con quasi tutti i componenti al loro posto, con una bella ripulita e verifica probabilmente potrebbe funzionare ancora.

Una volta aperto si sentiva ancora l'odore della colofonia usata come disossidante per le saldature (!)

Forse gli elettrolitici saranno ormai da sostituire e i potenziometri da disossidare, qualche componente era stato cannibalizzato ma per il resto sembrava a posto.
Nella foto si può notare il pannello anteriore serigrafato in casa con gli strumenti a disposizione in quella lontana epoca, in cui non esistevano stampanti laser o inkjet e a pensarci bene i primi computer dovevano nascere circa dieci anni dopo.

Ad ogni modo anche i circuti stampati furono realizzati a mano (con i trasferibili della 3M se ricordo bene), perciò per favore non criticatemi se non pubblico i file in formato Eagle.

In compenso nel rack ho trovato un foglietto di block notes con abbozzato un pezzo di schema, che pubblico qui:

ORIGINALE DELLO SCHEMA DEL VOCODER (ELEMENTO REPLICATO IN 12 CIRCUITI SIMILI)

Si tratta di uno dei dodici stadi di elaborazione audio che compongono il vocoder, stadi identici tra di loro salvo i valori di alcune capacità, come vedremo in seguito.

Ma come funziona un Vocoder?

Il principio originale si deve ad un altro strumento, il cosiddetto "ring modulator" ovvero "modulatore ad anello" di antica memoria.

E' un dispositivo che combina due segnali audio e che presenta in uscita un segnale contenente la somma o la differenza delle frequenze dei segnali in ingresso.

Supponiamo di impiegare una sinusoide a 1000 Hz e una a 600 Hz: in uscita avremo una frequenza di 1600 oppure 400 Hz.

Con questa tecnica il suono in uscita risulta non del tutto "melodioso", piuttosto è un rumore adatto agli effetti speciali.

Per questo motivo si usava miscelare il segnale originale con una percentuale del segnale modificato, in modo da arricchirlo di armoniche e renderlo così molto particolare.

A differenza del Ring Modulator, il Vocoder attribuisce ad una portante musicale (ad esempio una nota fissa generata da un organo elettronico) inserita sull'ingresso "carrier", l'inviluppo in ampiezza del secondo segnale inserito sull'ingresso "modulation".

Se il secondo segnale è una voce, il suo inviluppo modellerà il segnale carrier con il risultato di far "parlare" l'organo.

Un esempio di tale risultato è ottenibile con questo semplice programma che emula un vocoder monocanale, che potete scaricare qui:

www.analogx.com/contents/download/Audio/vocoder/Freeware.htm

Come si puo' sentire, l'effetto è piuttosto originale e questo giustifica il successo del Vocoder ai suoi albori.


A livello circuitale lo schema a blocchi e' il seguente:





Il segnale "carrier" viene iniettato in un amplificatore controllato in tensione, un classico VCA (per quelli che ricordano ancora come funzionavano i primi sintetizzatori analogici).

Il segnale modulante, dopo adeguata filtratura, è invece elaborato con opportuno raddrizzamento per eliminare la frequenza audio dal suo spettro e viene conservato solo l'inviluppo (in sostanza il valore del suo volume istantaneo).

Questo segnale pilota il citato VCA in modo da dare la forma del suo inviluppo alla portante.

In realtà, per aumentare la versatilità e ottenere così la possibilità di effetti particolari, l'elaborazione non viene effettuata sull'intero segnale, ma su diverse bande delle stesso.

Il numero di bande in cui i segnali vengono suddivisi sono definiti "canali" e il mio vocoder ne aveva ben dodici.

In sostanza sia il "carrier" che il "modulation" vengono splittati attraverso 12 filtri bassa-banda con le seguenti frequenze centrali: 142, 200, 282, 400, 565, 800, 1130, 1600, 2260, 3200, 4520, 6400 Hz

Il Fattore di merito di ogni filtro era calcolato per non lasciare buchi sullo spettro e per sovrapporre adeguatamente le frequenze periferiche.

La banda totale da 142 a 6400 Hz era più che sufficiente a coprire lo spettro di frequenza tipico della voce umana, di più non serviva.

Oltre a questa serie di filtri e di VCA, il prototipo era dotato di una coppia di preamplificatori in ingresso (con led di overload), un mixer in uscita, una specie di analizzatore di spettro a led e di un generatore interno di portante (onda quadra regolabile in frequenza).

Ma una vera "chicca" era il "Cross Point Matrix Board" che aveva lo scopo di rendere "presettabile" lo strumento per ottenere rapidamente particolari configurazioni di effetti.

I segnali di INPUT-OUTPUT dei 12 canali venivano trasferiti al connettore da 12+12 poli installato sul pannello anteriore. Inserendo un circuito stampato appositamente predisposto nel connettore a "pettine", i segnali potevano essere accoppiati al loro rispettivo filtro (accoppiamento diretto) oppure mixati tra filtri diversi a scelta.

Bastava inserire un'altro CS ponticellato in modo diverso.

Ad esempio il filtro a 200 Hz poteva pilotare il VCA dei 1600 Hz e cosi' via, oppure eliminare determinate bande o rinforzarne altre.

In quell'epoca, dove l'elettronica digitale era agli inizi, questa era una grande innovazione, anche se ottenuta con mezzi semi-meccanici.

Essendo un circuito piuttosto ingombrante, è stato realizzato su due stampati sovrapposti, collegati da piattine intestate con connettori, oltre ad un "bus" in filo flessibile.

Gli operazionali che formavano i filtri passabanda erano dei TL084CN, mentre lo stadio VCA era realizzato con dei CA3080.

I valori dei condensatori dei filtri bassa banda (marcati nell schema con "C") sono rilevabili dalle note a margine dello schema.

L'alimentatore duale forniva +15 e -15V 1 A con massa centrale.

Purtroppo non dispongo dello schema delle schede ausiliarie come i mixer e il display a led.


Vediamo altre foto dello strumento:












 Sono certo di aver presentato un progetto piuttosto originale, anche se datato e realizzato con le poche risorse di cui disponevo allora.