FM 음원

1. 설명

2. 사운드 칩의 종류 및 대표적 사용처

2.1. FM Operator Type-S 계열

2.2. FM Operator Type-M, P, Z

• OPM (YM2151)은 OPS가 매우 비쌌던 관계로 디지털 신디사이저의 보급을 위해 좀 더 저렴하게 만든 것이다. 그러나 초기 목적과는 달리 아케이드 게임 음원 재생용으로 큰 인기를 얻었다.
• OPP (YM2164)는 기능상 OPM과 같지만 전체적인 구성이 조금 다르다.
• OPZ (YM2414)는 OPM에 비해 오실레이터 파형을 7개 추가했다.
• OPM, OPP, OPZ는 DAC가 없다. 그래서 YM3012 (스테레오 DAC), YM3014 (모노 DAC) 중 하나와 항상 짝을 이룬다.

2.3. FM Operator Type-N 계열

• OPN (YM2203)은 야마하가 FM 칩을 대중화하기 위해 OPM을 아주 간략화하고 저렴하게 만든 것이다. 스테레오를 모노로, 채널 역시 8채널에서 3채널로 (따라서 FM 오퍼레이터도 32개에서 12개로), LFO 기능과 노이즈 생성기도 제거했다. 다만 당시 PSG 음원이 유행했던 관계로 제너럴 인스트루먼트와 라이선스 계약을 맺어 AY-3-8910와 호환하는 SSG (YM2149)[6]와 관련 ADSR 엔벨로프 기능들을 넣었다.
• OPNA (YM2608)는 스테레오 출력 기능을 지원하기 위해 OPN에 비해 FM 채널을 2배로 늘린 것이다. 그리고 ADPCM 채널을 추가하였으나, 이 채널들 중 ADPCM-A는 내장되어 있는 샘플 주파수 18.5kHz의 드럼 샘플 6개 ( 베이스드럼, 스네어드럼, 톰톰, 하이햇 심벌즈, 탑 심벌즈, 림샷)로만 연주할 수 있었고, 그마저도 소리가 좀 많이 빈약한 탓에(...) 그다지 잘 쓰이지는 않았다.[7] 한편 ADPCM-B는 샘플 주파수를 1.8~55.5kHz로 자유롭게 조정해 재생할 수 있는 1채널 뿐으로, 샘플 주파수를 전부 사용하는 경우는 없다시피 했고, 20Hz~20kHz의 가청 주파수와 나이퀴스트 샘플링 이론에 따라 게임 회사들이 적절한 효과음 샘플이나 음악을 만들어 적절한 주파수를 설정해 재생했다.
• OPNB (YM2610)는 OPNA 구조에서 ADPCM-A를 내장된 6개의 드럼 샘플이 아닌 게임 회사들이 자유롭게 샘플을 구성해 반주할 수 있도록 저장 장치에서 램에 읽어들여 처리하는 방식으로 개선되었다. 다만 칩 가격을 위해 채널 수를 줄였다. 그러나 타이토의 주문에 따라 FM 채널을 다시 늘린 OPNB2 (YM2610B)도 나왔다.
• OPN2 (YM2612)는 마치 후속작인 것같은 형번과는 달리 OPNA의 저가형으로 개발되었다.
• SSG가 빠졌으나 SSG용 ADSR 엔벨로프 생성기는 남아 있었다.
• ADPCM 코덱을 비롯해 관련 기능을 전부 제거했으나, 1채널이 DAC에 직접 접근할 수 있어 PCM 음원을 재생할 수 있게 만들었다. 그래서 커뮤니티에서는 주로 DAC 모드로 알려져 있다. 이론상으로는 8비트 샘플로 최대 1411kbps의 처리 성능을 냈지만, 이 기능을 제일 잘 활용한 메가 드라이브의 경우 본체 설계의 한계 상 샘플링 주파수 10kHz에 8비트 PCM 음원(80kbps)을 사용했으며, 카트리지 롬과 메인, 사운드 램의 용량 절감을 위해 손실 압축 코덱인 DPCM 4비트 샘플로 압축하는 경우가 부지기수였다. 게다가 메가 드라이브의 시스템 특징 상 모토로라 68000 CPU가 사운드 메모리에 데이터를 저장하면 Z80 사운드 CPU가 잠시 읽어들이지 못해 재생이 중단되기 때문에 샘플 주파수보다 좀 더 '가래 낀' 소리를 낼 수밖에 없었다. 또한 고작 8KB의 사운드 메모리에 스트리밍을 하기에는 제약이 많았기 때문에, 그래서 주로 상대적으로 샘플음이 짧은 드럼 트랙으로 사용했다. 그러나 메가 드라이브판 토이 스토리 게임의 경우 사운드 드라이버, 악보 데이터, 효과음을 올려놓고 남은 용량을 더블 버퍼링으로 구성하는 극한의 꼼수를 통해 이런 한계를 극복하고 4화음 모듈 음악을 재생하기도 했다. #
• OPN2C (YM3438)은 OPN2의 DAC에 문제가 있었던 것을 수정해 선형성(linearity)을 개선한 것이며, OPN2L (YMF276)은 OPN2C의 저전력형이다.
• OPN2 계열 칩은 DAC가 내장되었다. 나머지 OPN 계열 칩들은 반드시 다른 DAC와 항상 짝을 이룬다.[8]
• OPN3 (YMF288)는 마치 후속작인 것같은 형번과는 달리 OPNA를 저전력으로 만들고 ADPCM-B 기능을 제거한 것이다.
• OPN4 (YMF297)는 OPN3와 OPL3를 같이 넣은 물건인데, 둘을 동시에 사용할 수는 없다.
• OPN 계열 칩은 음성 출력을 위한 Composite Sine-Wave Speech Synthesis Mode가 있었으나, ADPCM 채널이 없는 메가 드라이브에만 주로 활용되었다.

2.4. FM Operator Type-L 계열

• OPL (YM3526)은 OPNA를 간략화해 만든 것이다. 스테레오 출력을 모노로 간략화했으며, ADPCM 채널과 SSG 및 이들에 관련된 기능을 전부 제거했다. FM 오퍼레이터들을 다시 배치해 채널을 6개에서 9개로 늘렸으나, 채널당 FM 오퍼레이터를 4개에서 2개로 간략화했다.
• OPL은 타악기 샘플을 내장하는 방식 대신 프리셋을 내장해 FM 오퍼레이터로 베이스드럼, 스네어드럼, 톰톰, 하이햇 심벌즈, 탑 심벌즈 5종류의 타악기를 연주할 수 있었다. 9개의 채널 중 3개의 채널 대신 저 5종류의 타악기 세트로 연주할 수 있었다. 채널 6은 베이스드럼을, 채널 7은 하이햇 심벌즈와 스네어드럼을, 채널 8은 톰톰과 탑 심벌즈를 연주할 수 있었다. 그래서 채널을 6개에서 9개로 늘린 것이다.
• MSX-Audio (Y8950)는 OPL에 ADPCM 1채널을 추가한 버전으로, 이름 그대로 MSX 컴퓨터에만 사용된 음원이다. 그러나 가격이 비싸서 묻혔고, 이후 가격을 낮춘 MSX-Music이 대박을 쳤다.
• OPL2 (YM3812)는 OPL에서 연산할 수 있는 오실레이터 파형을 3개를 추가했으며, 기존 OPL과 하위 호환성을 갖추었다.
• OPLL (YM2413)은 OPL2의 저가형으로, 기본적으로는 OPL2와 비슷하지만 기본 파형을 4개에서 2개로 줄였고 리듬 생성 프리셋 대신 15종류의 악기 파형과 리듬 파형이 내장됐으며, 추가로 1종류의 악기 파형을 프로그래밍해 연주할 수 있었다. MSX의 최후기 규격인 MSXturboR에서 'MSX-Music'으로 표준화되었다.
• 코나미 VRC7은 FM 사운드 컨트롤러와 뱅크 스위치 컨트롤러가 같이 있는 칩이다. VRC7의 FM 음원 기능은 패밀리 컴퓨터용 RPG인 ' 라그랑주 포인트'에서만 사용했다. 15종류의 악기 샘플이 들어갔고 1종류의 악기 샘플을 프로그래밍해 연주할 수 있었다는 점에서는 OPLL과 같지만, 코나미의 요구에 따라 제작되었기 때문에 내장된 15종류의 음향 샘플이 약간 다르다.[12] 리듬 샘플도 일단은 내장되어 있으나 레지스터를 제거해 연주할 수 없으며, 그나마도 원래 OPLL의 리듬 샘플과 1비트씩 다르다. 이렇게 된 이유는 알려져 있지 않다. 그런 이유에서인지 OPLL에 비해 3개의 채널을 제거해 6개의 채널만 있었다. 타이니 툰 어드벤처 2에도 해당 칩이 있으나 믹서 회로가 제거되어 있어 오디오 기능은 사용할 수 없다.
• OPL3 (YMF262)는 스테레오 이상의 출력을 지원하기 위해 OPL2에 비해 FM 채널을 2배 증가시켰으며, 연산할 수 있는 오실레이터 파형을 4개 추가했다. 또한 18개 중 12개의 채널은 동적으로 설정해 2개의 채널에 있는 4개의 오퍼레이터가 신호를 가산해 1개의 채널로 출력할 수 있었다. 웬만한 기능은 모두 OPL2와 하위 호환성을 가지지만, 음성 출력을 위한 Composite Sine-Wave Speech Synthesis Mode를 제거했기 때문에 이 부분만큼은 OPL2와의 호환성이 없다.
• OPL4 (YMF278)는 마치 후속작인 것같은 형번과는 달리 FM 성능은 OPL3 그대로이고, 여기에 24채널 16비트 PCM 신디사이저를 탑재한 것이다.
• OPL3L (YMF289B)은 OPL3를 저전력으로 만들고 4채널 출력을 스테레오 출력으로 축소해 만들었다.
• OPL 계열 칩들은 DAC가 없어 전용 DAC칩들과 항상 짝을 이룬다.

2.5. 그 외

• YMF271 (OPX) - 48슬롯. 2, 3, 4 FM 오퍼레이터 모드 혹은 PCM 음원을 재생할 수 있으며, 2 FM 오퍼레이터 모드의 경우 채널 별 2슬롯, 나머지 모드는 4슬롯 사용. 모드에 따라 12~24채널을 사용할 수 있다.
• YMF292 (SCSP: Saturn Custom Sound Processor) - 32슬롯. FM 모드의 경우 32슬롯 (주로 4오퍼레이터 8채널)[13], PCM 모드의 경우 1슬롯(32채널) 사용. / 세가 새턴, 일부 세가 MODEL2, MODEL3 기판
• SCSP는 다른 야마하 FM 칩들과 다르게 기본 파형을 오실레이터가 생성하는게 아닌, 사운드 메모리에 데이터로 올려 DSP가 FM 처리를 하는 방식이었다.[14] 또한 FM 오퍼레이터로 너무 많은 슬롯을 사용하였기 때문에 PCM 음원 처리할 때보다 비효율적이었다. 이러한 비효율성 때문에 새턴에서 ST-V로 또는 ST-V에서 새턴으로 이식된 게임들 중 극히 일부 (코튼 2, 코튼 부메랑, 니도 아루 코토와 산드~R 등)의 극히 일부 음악과 NiGHTS into dreams…의 메어 클리어 음악 정도를 제외하면 대부분의 세가 새턴 게임 음악은 PCM 음원을 FM 음원과 혼합하거나, 아예 PCM만 단독으로 사용했다. 그 데스크림존조차 사운드 캔버스의 악기 샘플을 넣어 사용했다.

2.6. 피처폰

• 야마하는 피처폰의 벨소리를 FM 음원으로 출력하기 위해 저전력 반도체 MA-1 (YMU757)을 만들었다. 또한 야마하는 이 칩으로 General MIDI 규격의 음악을 재생할 수 있도록 Synthetic-Music Mobile Application Format이라는 독자 규격과 변환 응용 프로그램들을 만들어 배포했다. 이것의 확장자가 .smf이다.
• 이 시기 벨소리를 만든다는 것은 노하우가 필요했다. 물론 야마하의 음원칩도 General MIDI를 지원했지만, 그것이 MIDI 악보 데이터를 재생할 수 있다는 것일 뿐이지 그 악보에 정의된 악기의 소리는 전자 악기 회사마다 음원칩마다 제각기의 개성이 있었기 때문이다. 즉, MIDI 시퀀서 프로그램으로 편집해도 실제 벨소리는 또 다르게 났다. 그래서 이 시기에 이동통신 회사들과 연계한 벨소리 판매업자들이 있었다. 야마하도 이런 문제 때문에 MidRadio Player라는 프로그램을 배포하기도 했다.
• MA-2 (YMU759)는 MA-1에서 FM 처리 분야를 크게 개선했다. 기본 파형을 6개 추가했고, 채널을 크게 늘렸다. 또한 위에 서술한 OPL3처럼 동적으로 설정해 2개의 FM 오퍼레이터가 처리하는 대신 2개의 채널에 있는 4개의 FM 오퍼레이터가 처리할 수도 있었다. 또한 ADPCM도 재생할 수 있었다. 16비트 샘플을 4비트로 압축한 것이지만, 샘플 주파수가 고작 4~8kHz라 재생된다 정도일 뿐이었다.
• MA-3 (YMU762)는 MA-2에서 FM 처리 분야를 다시 크게 개선했다. 기본 파형을 21개 추가했으며 채널을 2배 증가시켰다. 또한 ADPCM도 CD 음질과 동급인 44.1kHz의 샘플 주파수의 16비트 샘플을 4비트로 압축한 것을 재생할 수 있었으며, 이를 8채널까지 지원했다. 이 칩이 나온 전후로 피처폰에도 실제 음을 녹음한 벨소리 ( 예시 광고)가 유행하기 시작했다.
• MA-5 (YMU765)부터 MA-7 (YMU786)까지 FM 처리 부분의 변화는 없었고, 대신 PCM 채널만 늘렸다. 기술 발전으로 피처폰 벨소리 음원칩마저 Wavetable 합성 성능을 개선하는 방식으로 진화했기 때문이다. 대신 MA-5에는 Analog Lite 저역 통과 필터와 일본어와 한국어를 출력할 수 있는 음성 합성 기능을 추가하였다.
• 이 시기부터 벨소리를 인터넷에 공유된 문서만 보고도 누구나 만들 수 있게 됐다. MP3 파일 등을 잘라 편집한 후 야마하가 배포한 ATS-MA5-SMAF 같은 프로그램으로 변환해 피처폰 관리 프로그램으로 넣으면 됐기 때문이다. 벨소리 판매업자들도 서서히 자취를 감췄다.
• MA-7 (YMU786)부터 FM 음원이 제거되고 Wavetable 음원으로 대체됐다. MIDI처럼 가상악기 샘플과 시퀀스를 통해 반주하는 방식이다.
• SD-1 (YMF825)은 MA-3에서 약간 축소된 버전으로, 채널당 오퍼레이터 갯수를 불문하고 16채널로 고정되어 있으며 모노로만 출력할 수 있기 때문에 OPL3를 100% 구현하지는 못한다. 그리고 PCM/ADPCM 관련 기능은 아예 제거되었다. 아두이노 등의 개발보드에 쓸 수 있도록 만든 소형 보드로 나왔으며, 이걸 이용해서 도스용 OPL 음원을 구현한 용자가 있다.

3. 쇠퇴

4. 외부 문서