我不曉得大家到現在還會不會聽廣播電台？我自己是已經很久很久沒有用過收音機這種東西了啦！但如果你還有印象的話，應該會記得大部分的收音機上面都有 AM 和 FM 的字樣。AM 和 FM 到底是什麼意思啊？
AM 和 FM 是指兩種不同的、用電磁波來傳遞資訊的方法。AM 大約在 20 世紀初被發明，FM 則是在三十幾年後的 1933 年才出現：
- AM 是 Amplitude Modulation（振幅調變）的縮寫，意思是拿一個電磁波，利用改變它的「振幅」來傳遞資訊。
- FM 是 Frequency Modulation（頻率調變）的縮寫，意思是拿一個電磁波，利用改變它的「頻率」來傳遞資訊。
我在這邊一直講「電磁波」這個字，好像感覺很複雜，但如果把電磁波想成是聲音，其實就很好理解了。
用聲音來理解 AM 和 FM
例如說我現在有一個像這樣的，頻率和音量都固定的聲音：
然後我想要透過這個聲音的變化，把一些訊息傳遞給你。比如說我想傳遞以下這個波浪形狀的訊號好了。那我可以怎麼改變這個聲音，讓你光是聽到聲音就能知道我要傳什麼呢？
AM 的做法是：根據我要傳遞的訊息，來調整原始聲音的「大小聲」。你可以把圖表的縱軸直接當成音量來理解──訊息往上，聲音就大聲；訊息往下，聲音就小聲。接收的人聽到之後，只要測量音量的變化，就可以反推出原始訊息是什麼。
FM 的做法是：根據我要傳遞的訊息，來調整原始聲音的「音高」。這次把縱軸當成音高來理解──訊息往上，音高就上升；訊息往下，音高就下降。接收端只要測量音高的變化，同樣可以還原出我傳的訊息。
AM 和 FM 的原理基本上就是這麼簡單！
史丹佛宅男的聲音實驗
時間快轉到 1967 年。有一個剛從史丹佛大學音樂系拿到博士學位，然後就繼續直接在史丹佛大學工作的宅男，叫做 John Chowning。他在想：這個原本運用在廣播電台傳遞資訊的 FM 技術，如果拿來當作聲音合成器，會怎麼樣？
結果他發現了很酷炫的事情。
你看喔，剛才我示範 FM 原理的片段，就是一個原本頻率固定的聲音，照著要傳送的訊息上下抖動而已嘛！上下抖的速度很慢、幅度也不大，所以聽起來就只是一個簡單的抖音效果。
但是如果我讓上下抖動的幅度大一點，然後越抖越快，抖到超級快的話，會怎麼樣呢？
首先我們來用一個 440 Hz 的正弦波來當作原始聲音好了：
然後我設定讓他上下抖動的範圍是 1000 Hz，也就是抖得超級大。如果一秒來回抖一次，聽起來就會像是這樣子：
然後我讓它抖得越來越快，快到超級快呢？試試看：
很酷炫對不對？這只是單純一個正弦波上下抖動而已耶，沒想到只要抖得夠快、夠大，就可以憑空生出一大堆原本不存在的頻率成分。
你要知道，1967 年當時的合成器，只能產生很基本的聲波──三角波、鋸齒波、方波之類的波形，頂多再用濾波器過濾一下，就這樣了。從來沒有人想過，只用兩個振盪器，一個當原始聲波、一個當控制訊號讓它抖動，就可以產生出這麼複雜的聲音。
John Chowning 在史丹佛大學又花了好多年的時間，研究 FM 技術在音樂上的應用，同時也研究出了可以用電腦實作 FM 合成器的演算法。他後來的技術已經厲害到能用 FM 模擬幾乎所有樂器的聲音了，1974 年，史丹佛大學把 FM 合成器技術授權給了 Yamaha，隔年也在美國註冊了專利。
Yamaha DX7
Yamaha 拿到技術之後，開始嘗試開發 FM 合成器產品。經過了早期幾個不算非常成功的嘗試，到了 1983 年，Yamaha 推出了一台可能是音樂歷史上最重要的電子樂器之一──Yamaha DX7。
這個 Yamaha DX7 非常的厲害，它是一個可以同時發出 16 個音，然後每個音都可以有 6 個振盪器的 FM 合成器。
每個音有六個振盪器是什麼概念阿？你看喔，例如說我有一個振盪器，我可以把它直接接到聲音輸出，來直接聽到這個振盪器的聲音：
然後，我們可以拿第二個振盪器當作控制訊號，來調整第一個振盪器的頻率──這就是我們前面說的 FM 原理。在 FM 合成器的術語裡，直接發出聲音的振盪器叫做「carrier」，用來調整別的振盪器頻率的叫做「modulator」。
剛才這樣子才用了兩個振盪器而已嘛！所以我們還可以加上第三個振盪器來當作聲音，把它跟剛才的抖抖聲音疊在一起：
然後我可以用第四個振盪器去調整第三個的頻率：
我還可以用第五個振盪器去調整第四個振盪器的頻率：
用第六個振盪器去調整那個「調整調整別人頻率的振盪器」的頻率；甚至還可以把振盪器的輸出接回給自己，讓它自己調整自己的頻率。
看到這邊如果你覺得頭腦已經爆炸了，沒關係，我也是跟你一樣的感覺。FM 合成器就是這麼難懂、這麼不直覺，我直到現在也還是沒有辦法在頭腦裡面想像一個聲音，就直接在 FM 合成器上面做出來。
以上你看到的這個振盪器排列方式，就是 Yamaha DX7 內建的排列方式 1 號。Yamaha DX7 總共有 32 種不同的振盪器排列方式可以選擇，六個振盪器要拿來當 carrier 還是 modulator，基本上是完全自由的。
無所不在的 DX7
DX7 另一個厲害的地方是它的價格：只要 1,999 美金。我知道還是很貴啦，但已經比當時其他知名的合成器便宜很多，算是落在一般音樂人可以買得起的範圍了。
據說 Yamaha 原本期望 DX7 可以賣個兩萬台，但結果它賣得超好──三年內就賣出了二十萬台。根據 statista.com 的統計，2021 年整個美國的鍵盤合成器市場年銷量也大約只有十三、四萬台，所以 DX7 三年賣出二十萬台的數字是超級驚人的。
DX7 推出之後，整個 1980 跟 1990 年代，可能有八百萬張專輯都有用到 DX7 的音色吧！其中最具代表性的，大概就是它的 E.PIANO 1（電鋼琴 1 號）──那個帶著清脆金屬感、在無數流行金曲裡都能聽到的經典聲音。如果你聽過 80 年代的流行音樂，幾乎不可能沒聽過這個音色。
有什麼專輯有用到它呢，以下是其中幾個（都是 YouTube 連結）：
- Chicago – Hard Habit to Break
- Céline Dion, Peabo Bryson - Beauty and the Beast
- Whitney Houston - Saving All My Love For You
- Whitney Houston - Greatest Love Of All
- Al Jarreau - After All
我的 FM 合成器 Cover
Yamaha 在 2015 年推出了 Reface 系列，其中的 Reface DX 就是一台迷你鍵盤版的 FM 合成器。最後我要用這個小鍵盤合成器，彈這一首古老的 Windows 內建音樂「PASSPORT.MID」給你聽。以下影片裡面全部的聲音都是來自 Yamaha Reface DX 合成器，也就是全部的聲音都是由 FM 的方式產生的喔！（這不是 Yamaha 的業配）
想了解更多關於 PASSPORT.MID，請看我的這篇部落格文章。
想自己玩玩看？
以上就是今天的 FM 合成器課程，如果你也想體驗 FM 合成器的威力，可以去下載一個叫做 Dexed 的自由軟體：
它是 Yamaha DX7 的軟體模擬器，在 macOS、Linux 和 Windows 上都可以使用，而且完全免費。去把六個振盪器接來接去，親自感受一下「抖得夠快就能創造任何音色」是什麼感覺吧。
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