Vocoder


Sviluppato a scopi di comunicazione, il Vocoder ha trovato una felice applicazione anche in ambito musicale. Nato come modello analogico sul finire degli anni Trenta, è stato possibile, poi, realizzare anche una versione digitale, sia software che hardware.

Principi basilari – È un dispositivo analogico sviluppato nell’ambito delle comunicazioni telefoniche per il processamento del parlato, che ha trovato applicazione anche in ambito musicale. Il termine Vocoder è ricavato dalle parole VOice CODER. È stato sviluppato nel 1935 da Homer Dudley (1896 – 1987), ricercatore ai laboratori Bell dove lavorò per oltre quarant’anni, la maggior parte dei quali presso il Dipartimento per le Trasmissioni Telefoniche. Il Vocoder nasce come soluzione ad alcune problematiche sorte intorno alla trasmissione del parlato attraverso i cavi telefonici. Essenzialmente era necessario riuscire a ridurre la larghezza di banda dei segnali trasmessi al fine di rendere più semplice e veloce la trasmissione, senza compromettere la qualità del segnale in uscita. Dudley ebbe l’idea di far passare il segnale originale attraverso una batteria di filtri passa banda in grado di scomporre il segnale in diverse porzioni per poi essere ricomposto in uscita ottenendo così un segnale che era una buona approssimazione di quello originario.

Il Voder – La tecnologia del Vocoder fu presentata per la prima volta attraverso una celebre macchina parlante: il Voder (Voice Operation DEmonstRator), in occasione dell’Esposizione Universale di New York del 1939. In quell’occasione fu inscenata una conversazione tra una persona e il Voder, manovrato da una donna.[1] Per quell’occasione nel Voder fu implementato un Vocoder a dieci filtri. Tutto il dispositivo poteva essere controllato mediante pedali e una tastiera a dieci tasti, uno per ciascun dito delle due mani. Il video di seguito documenta la presentazione pubblica del Voder all’Esposizione Universale del 1939.

Struttura: l’analisi – Il Vocoder, in termini generali, prevedeva due sezioni principali. La prima era costituita da una batteria di filtri passa banda a frequenza fissa, distribuiti lungo l’intera banda del segnale in ingresso, in maniera da coprire interamente il tessuto frequenziale del segnale. Ciascuno di questi filtri era a sua volta collegato ad un rilevatore d’inviluppo, in grado di generare una tensione elettrica proporzionale alla quantità di energia della frequenza monitorata dal filtro. Questa, sostanzialmente, era la sezione dedicata all’analisi del segnale.

Un'illustrazione grafica che mostra la struttura del Voder.

Un’illustrazione grafica che mostra la struttura del Voder.

Struttura: la sintesi – La seconda sezione, invece, era dedicata alla sintesi o come più comunemente viene definita, alla risintesi. Questa era costituita, come la prima sezione, da un’ulteriore batteria di filtri passa banda, con la differenza che ciascun filtro, in questo caso, era collegato ad un amplificatore a controllo di tensione (VCA – Voltage-Controlled Amplifier). L’outpout di ciascun VCA veniva quindi miscelato in un’unica uscita al fine di ricostruire il segnale originale. Nella seconda sezione, l’ampiezza del segnale dei filtri, era determinata attraverso dei segnali di controllo (driving functions) generati dalla batteria di filtri e inviluppi della prima sezione.[2]

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Un’immagine frontale del Vocoder, durante una dimostrazione.

I limiti del Vocoder – Ma la tecnica adotta da Dudley presentava un problema in particolare: si aveva la possibilità di trasmettere soltanto l’ampiezza di ciascun filtro, mentre di ciascun segnale filtrato rimaneva esclusa la fase, motivo per cui il segnale sintetizzato non era mai del tutto identico a quello originale. Ed è proprio su questo punto che si innesca l’evoluzione rappresentata dal Phase Vocoder, un tecnica di analisi resintesi sviluppata proprio come un’estensione, in ambito digitale, dei concetti del Vocoder. La caratteristica peculiare che distingue i due approcci, in effetti, consiste nel fatto che il Phase Vocoder consente anche la trasmissione della fase, che in teoria, non modificando i dati dell’analisi, consente di ottenere un segnale identico a quello originale.[3] Oggi il Vocoder è disponibile in numerosi modelli, sia analogici che digitali, e sia in formato hardware che software, di cui il Phase Vocoder ne è un esempio.

Una vista posteriore del Vocoder, con alcune spiegazioni annotate a mano sulla foto.

Una vista posteriore del Vocoder, con alcune spiegazioni annotate a mano sulla foto.

 

Per scrivere questa voce ho letto:

[1] Lawrence Raphael, Gloria Borden, Katherine Harris, Speech Science Primer: Physiology, Acoustics, and Perception of Speech, Lippincott Williams & Wilkins, USA, 2007.
[2] Curtis Roads, The Computer Music Tutorial, MIT Press, 2004.
[3] John Gordon, John Strawn, An Introduction to the Phase Vocoder, Proceedings, CCRMA, Department of Music, Stanford University, February 1987.

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