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驰惭2151で贵惭音源演奏
七瀬 (@nanasetomona)
2015/07/14

@nanasetomona
https://github.com/nanase

きっかけ
? 「FM音源伝説」…FM音源LSIのガチャガチャ
? 秋葉原東京ラジオデパート 1F
? 80年代にPCやゲーム機に内蔵の
FM音源および DAC
? 1月に YM2203C 入手

YM2151
? 6月にYM2151を入手
? 専用DACのYM3012も同時入手
? YAMAHA 1983年製造、ステレオデジタル
? OPM(FM Operator type M)、8ch、4オペレータ
? 擬似ノイズ発生器、LFO搭載
? クロック入力 3.58 [MHz]
? 動作電圧 5.0 [V]

YM2151
? 搭載実績
? アーケードゲーム (80年代中頃～90年代前半)
? MSXの周辺機器
? X68000

FM音源とは？
? FM変調を応用した波形発生法
? 単純な正弦波の発生を考える
?(?) = ? sin 2???
-1
0
1
?
? ?

FM音源とは？
? ? は振幅 (ここでは 1)
? 2?? は角速度(≒周波数)、2??? は位相
? 位相に注目して考える
?(?) = ? sin 2???
-1
0
1
?
? ?

FM音源とは？
? 位相の歪み = 時計の針が速く、遅くなる
? 位相の変化を乱すような別の正弦波を加える
?(?) = ? sin(2??1 ? + ? sin 2??2 ?)
-1
0
1
?
? ?
(? = 1)

FM音源とは？
? ?1, ?2 はそれぞれキャリア、モジュレータ周波数
? ? は変調指数 = 歪みの強さ
? ? を大きくすると複雑な波形が発生
?(?) = ? sin(2??1 ? + ? sin 2??2 ?)
-1
0
1
?
? ?
(? = 2.5)

FM音源とは？
? 複数(0個以上)のモジュレータ入力を持つ
正弦波発生器をオペレータと呼ぶ
? 通常は音量を調整するための乗算器も内蔵
? 通常はオペレータを複数段重ねて使用する
オペレータオペレータ
オペレータ
オペレータ
フィードバック
モジュレーション
出力

FM音源とは？
? オペレータの繋ぎ方をアルゴリズムと呼ぶ
? 直列に近い形ほど複雑な音となる
? 並列に近い形ほど軽い音となる
オペレータオペレータ
オペレータ
オペレータ
フィードバック
出力

FM音源の利点
? 複雑な波形を生成可能
? 矩形波や三角波よりも多彩な音作りが可能
? パイプオルガン、エレピ、金属音の再現が強い
? 少ないデータ量で生成可能
? PCM音源は波形そのものを記録するためデータ多
? FM音源はキャリア、モジュレータに関わるデータのみ
? 初期の携帯電話に搭載（着信音など）

FM音源の欠点
? データから生成される波形の予想がつきにくい
? 僅かな誤差で全く異なる波形となる場合もあり
? 理想波形を作るにはFM音源の知識が必要
? ピアノ、パーカッションは苦手

FM2151に必要なもの
? 5.0 [V] 電源
? 4.0 [MHz] クロック
? DAC (YM3012)
? オペアンプ
? 制御マイコン
? シーケンサ
? 演奏データ

電源
? USB 給電により供給
? PC から給電するとノイズや電流不足の原因となる
? （YM2151単体でも 110 [mA] 程度の消費）
? 今回はモバイルブースターを使用

オペアンプ
? LMC6484AIN を使用
? ナショナルセミコンダクタ製
? CMOSタイプ、単電源 5.0 [V] のみで動作
? DACの他、ボルテージフォロワとして使用

余談: オペアンプは重要
LMC6484AIN
(単価: 250円)
LM324N
(単価: 38円)
符号反転時に
パルスが発生

制御マイコン
? NUCLEO-F401RE
? USB給電、プログラムライタ付き
? mbedで開発 (webIDE、C++)
? Arduino互換ピン装備
? フラッシュメモリ 512KB
? SRAM 96KB
? 最大 84 [MHz] 動作
? 1,500円ほどで購入

クロック
? F401REから 4.0 [MHz] を発振
? プログラム上では 1.0 [MHz] が最大
? プログラムライタ上のクリスタル 8.0 [MHz] を使用
（2分周）
? CPUの16 [MHz]も使用可
RC発振のため精度は悪い

データ送信
? PCから書き込みデータをシリアル通信
? 通信速度は 115,200 bps (14.4 kB/s)
? これより高速だと頻繁に同期が壊れる
? コマンド、アドレス、データの計3バイト1メッセージ
? コマンドはリセットや書き込みのフラグ用
? アドレスは $00 – $FF
? データも同様

YM2151のレジスタ構成
? アドレス空間は256バイト
? オペレータや
周波数設定など
? データバスを介して
書き込みを行う
（今回は書き込みのみ）

YM2151のクロック入力
? 今回は 4.0 [MHz]、標準は 3.58 [MHz]
? 3.579545 [MHz] は NTSC で頻繁に使われる
? 外部と同一クロックを用いた回路の
簡略化が図られていた
? NTSC と PAL とではデータ送信のタイミングが異なる
? PALでは 4.43362 [MHz]
? 発音周波数に影響し、11.7% ほど高音になる
? およそ 2 音くらい (ド → レ)

YM2151のウェイト時間
? レジスタの書き込みに時間がかかる
? マスタークロック ΦM = 4 [MHz] 時
? アドレス: 17サイクル = 4.25 [μs]
? データ: 83サイクル = 20.75 [μs]
? 初期化時: 77サイクル = 19.25 [μs]
? 本来はYM2151からビジーフラグを読み取り
書き込み完了を検知する（今回は省略）

YM2151鳴動までの手順
1. イニシャルクリア (IC = L)
2. オペレータ設定 (TL, ML)
3. エンベロープ設定 (AR, D1R, D2R, D1L, RR)
4. パン設定 (L ch = 1, R ch = 1)
5. 周波数設定 (KC)
6. ノートオン命令 (KeyON/OFF, ChNum)
音色
指定時
発音毎

シーケンサ
? C# でMIDI→YM2151データに変換
? MidiUtils がシーケンスを行う
https://github.com/nanase/MidiUtils
? MIDIデータは8音8chのものを用意しておく

実際に鳴らしてみた
https://www.youtube.com/watch?v=Yv1CD4-HYUY

課題 (1)
? 128音色+ドラム音色がないと発音できない
? ドラムパートが 1ch 分しかない
? 同時に2つ以上の打楽器を鳴らせない
? リアルタイムにMIDI変換しているため、
またはシリアル通信のため遅延が発生
? 一度に多量のデータを送らない工夫が必要
? SRAMにあらかじめデータをキャッシュすれば良い？

課題 (2)
? ノイズ発生器の動作の解析
? FM音源とノイズは同時に発音可能
? 一部エンベロープはノイズに対しても有効？
? USBで給電すると 4.2 – 4.0 [V] まで電圧が降下
? 原因不明

参考資料 (1)
? YM2203?YMZ294?SP0256を使ったハードウエアMIDI音源の製作
http://park19.wakwak.com/~gadget_factory/factory/miditalk/
? YM2203のピン機能 -滴了庵日録
http://d.hatena.ne.jp/licheng/20131110/p1
? MIDI音源の自作 YM-2203 OP-N ２個使用
http://mars.bellstek.net/s/midi/04/00.htm
? YM2608 OPNA アプリケーションマニュアル
http://hackipedia.org/Platform/Sega/Genesis/hardware,%20FM%20synthesis,%20
YM2608/pdf/YM2608J.PDF

参考資料 (2)
? NucleoのClock - 電子工作専科のぐうたラボ
http://denshikousakusenka.blog.fc2.com/blog-entry-33.html
? FM音源レジスタマップX68k
http://www16.atwiki.jp/mxdrv/pages/24.html
? YM2151 Datasheet
http://www.msxarchive.nl/pub/msx/docs/datasheets/ym2151synthesis.pdf
http://map.grauw.nl/resources/sound/yamaha_ym2151_datasheet.pdf

参考資料 (3)
? FM音源伝説 | FM音源を愛するすべての人へ
http://ym2203.com/
? FM音源の基礎知識
http://www.hikari-ongaku.com/study/fm.html

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