FM 합성: 캐리어와 모듈레이터로 음색을 이해하기

FM 합성을 처음 만나면 화면의 연결선과 비율 숫자가 복잡하게 보일 수 있습니다. 그러나 두 오실레이터만 생각하면 출발점을 잡을 수 있습니다. 한쪽은 소리의 바탕이 되고, 다른 쪽은 그 움직임을 빠르게 바꿉니다. 여기서는 특정 악기의 패치 조작보다 두 역할의 연결과 스펙트럼 변화를 중심으로 살펴봅니다. 음색 이름을 외우기 전에 무엇을 무엇으로 변조하는지 구분하는 것이 핵심입니다.

캐리어와 모듈레이터는 맡은 역할의 이름입니다

캐리어는 이 연결에서 출력으로 듣는 쪽의 오실레이터입니다. 모듈레이터는 캐리어를 변화시키는 쪽입니다. 단순한 두 오실레이터 예에서는 모듈레이터 신호가 최종 출력에 직접 섞이지 않아도 캐리어를 바꾸므로 결과에 영향을 줍니다. 두 소리를 그냥 더해 함께 듣는 방식과는 다릅니다.

개념도를 글로 쓰면 '모듈레이터 → 캐리어의 변조 입력 → 출력'이 됩니다. 화살표가 오디오 믹서의 합산인지, 주파수나 위상을 제어하는 연결인지 구분해 읽어야 합니다. 여러 오실레이터를 쓰는 악기에서는 같은 구성 요소가 다른 연결 안에서 캐리어와 모듈레이터 역할을 겸할 수도 있습니다.

엄밀한 FM은 순간 주파수를 변화시킵니다

주파수 변조에서는 모듈레이터 신호에 따라 캐리어의 순간 주파수가 달라집니다. 아주 느리게 움직이면 음높이가 오르내리는 변화를 알아차리기 쉽지만, 오디오 속도로 빠르게 움직이면 원래의 단순한 파형과 다른 스펙트럼이 생깁니다. 따라서 빠른 FM을 단순히 빠른 비브라토라는 청감 설명으로만 끝내기 어렵습니다.

사인파 두 개를 사용하는 이상적인 예에서는 캐리어 주파수 주변에 모듈레이터 주파수 간격의 사이드밴드가 나타납니다. 몇 번째 성분이 얼마나 강한지는 변조량과 관련됩니다. 실제 디지털 악기에서는 대역 제한과 샘플레이트, 알고리즘에 따라 결과가 달라질 수 있으므로 개념도와 제품의 실제 출력은 구별해야 합니다.

주파수 비는 성분의 배치를 바꿉니다

캐리어를 220Hz, 모듈레이터를 220Hz로 두면 비는 1:1입니다. 모듈레이터를 440Hz로 바꾸면 캐리어 대 모듈레이터는 1:2가 됩니다. 정수 관계의 비율은 생성되는 성분이 공통 기본 주파수의 배수에 놓이도록 만들 수 있습니다. 그렇다고 언제나 같은 악기처럼 들린다거나 기본음이 항상 가장 강하다는 뜻은 아닙니다.

반대로 220Hz와 311Hz처럼 간단한 정수 관계에서 벗어난 조합은 비정수적인 성분 관계를 만들 수 있습니다. 금속성이라는 말로 묘사되는 경우도 있지만, 그 인상은 변조량과 시간 변화에도 영향을 받습니다. 비율 하나를 음색 이름 하나와 고정적으로 짝지어 외우기보다 성분의 간격이 달라진다고 이해하세요.

변조량은 단순한 출력 볼륨과 다릅니다

캐리어의 출력 레벨을 바꾸면 주로 최종 크기가 변합니다. 모듈레이터의 영향력을 키우면 주파수 또는 위상의 흔들림이 커져 성분의 분포가 달라집니다. 두 레벨 손잡이가 모두 화면에 있어도 맡은 역할은 같지 않습니다. 어떤 레벨이 출력 크기이고 어떤 레벨이 변조 깊이를 정하는지 연결을 따라 읽어야 합니다.

변조량을 늘리면 더 많은 사이드밴드가 중요해질 수 있지만, 모든 성분이 일정한 비율로 계속 커지는 것은 아닙니다. 특정 성분은 약해지거나 사라졌다가 다시 강해질 수도 있습니다. 따라서 '변조량 두 배면 밝기도 두 배'처럼 직선적인 규칙으로 설명할 수 없습니다. 비교할 때 출력 크기의 차이도 따로 살펴야 합니다.

디지털 FM과 위상변조는 구분할 필요가 있습니다

FM이라는 이름으로 불리는 디지털 신시사이저 중에는 위상변조를 이용하는 구현이 있습니다. 위상변조는 캐리어의 위상에 제어 신호를 더하는 방식이며, 순간 주파수를 직접 제어하는 FM과 조작 지점이 다릅니다. 둘은 수학적으로 관련되어 있고, 사인 모듈레이터의 정상 상태에서는 조건을 맞추어 유사한 결과를 얻을 수 있습니다.

하지만 FM과 위상변조를 모든 상황에서 같은 연산이라고 하면 부정확합니다. 모듈레이터의 주파수나 레벨이 시간에 따라 달라질 때, 같은 숫자 설정이 같은 변조 깊이를 뜻하지 않을 수 있습니다. 제품이 '인덱스'나 '레벨'이라는 값을 어떻게 정의하는지에 따라 조작의 의미도 달라집니다. 이름은 관례, 구현은 별도 설명으로 읽는 편이 안전합니다.

시간에 따른 변화가 음색의 윤곽을 만듭니다

같은 주파수 비를 유지하더라도 모듈레이터의 영향력을 처음에는 크게, 이후에는 작게 만들면 시작 부분과 지속 부분의 스펙트럼이 달라집니다. 캐리어의 출력 엔벌로프는 소리 크기의 윤곽을, 모듈레이터 쪽 엔벌로프는 변조량의 윤곽을 조절하는 예로 생각할 수 있습니다. 실제 연결에 따라 역할은 더 복잡해질 수 있습니다.

예를 들어 짧은 타격음을 구상한다면 '시작 때 복잡한 성분, 이후 단순한 성분'이라는 시간 설계부터 적어 볼 수 있습니다. 이것은 실제 피아노나 종을 정확히 재현한다는 약속이 아닙니다. 특정 음색을 보장하기보다 어떤 매개변수가 시간에 따라 달라져야 하는지를 분리해 보는 사고 실험입니다.

두 축을 분리하는 비교 실습을 합니다

종이에 가로축은 주파수 비, 세로축은 변조량인 네 칸 표를 그려 보세요. 가로에는 1:1과 1:2, 세로에는 낮은 변조량과 높은 변조량을 적습니다. 캐리어는 220Hz로 고정하고, 각 칸에 바뀌는 값과 고정되는 값을 먼저 기록합니다. 수치만 보고 실제 음색을 정확히 예언하려고 하지는 않아도 됩니다.

• 비율 비교에서는 변조량과 출력 크기를 일정하게 가정합니다.
• 변조량 비교에서는 두 오실레이터의 주파수를 고정합니다.
• 연결이 주파수 입력인지 위상 입력인지 따로 메모합니다.
• 밝기라는 표현을 썼다면 어떤 성분 변화의 뜻인지 덧붙입니다.

이렇게 비교 항목을 제한하면 여러 값을 한꺼번에 바꾼 뒤 결과의 원인을 잘못 짚는 일을 줄일 수 있습니다. 추가 오실레이터나 피드백은 이 기본 관계를 이해한 다음 별도의 연결로 살펴보는 편이 개념을 정리하기 좋습니다.

악보 안내

음높이와 리듬을 실제 곡의 표기와 연결해 보고 싶다면 [OMU 피아노 악보 안내](https://www.omuclub.com/score/piano)를 둘러볼 수 있습니다. FM 합성 강의나 위 실습의 전용 패치가 해당 페이지에 마련되어 있다는 의미는 아닙니다.