Il termine
vocoder
nasce dalla contrazione dei
termini inglesi voice e encoder; indica il dispositivo elettronico o
programma capace di codificare un qualsiasi segnale audio attraverso
i parametri di un modello matematico.
Il vocoder elabora i segnali audio
grazie ad algoritmi di codifica, tra i quali troviamo generalmente
quello GSM e quello CELP usati nelle telecomunicazioni per poter
trasmettere i dati audio (un esempio di applicazione dell'algoritmo
di codifica GSM è dato dai telefoni cellulari).
Il processo di codifica del segnale
audio tramite vocoder è costituito da due elementi fondamentali: il
segnale audio esterno ed il carrier.
Il segnale audio esterno può essere
dato da qualsiasi sorgente audio: microfono (dinamico, condensatore,
ecc.), strumenti musicali elettrici ed elettronici (chitarra
elettrica, sintetizzatore, ecc.), lettori multimediali (lettore CD,
DVD, MP3, ecc.); il carrier invece è dato dalla struttura fisica o
virtuale che accoglie la sorgente sonora e la codifica secondo i
suddetti algoritmi.
La codifica avviene dividendo e
clonando il segnale audio in diverse bande che vengono poi riunite in
un unico segnale audio in uscita che contiene il risultato finale
della codifica.
Il vocoder fa parte degli strumenti
musicali elettronici o elettrofoni. Come strumento musicale è
disponibile in commercio in diverse forme:
- come strumento a tastiera, quasi sempre abbinato ad un sintetizzatore al quale demanda la generazione dei segnali portanti (realizzato come emulazione del vocoder vero e proprio) oppure come vocoder fisico autonomo
- come rack, a volte abbinato a sintetizzatori, o altre volte concepito come effetto esterno per armonizzazioni vocali;
- come VI (Virtual Instrument), per essere utilizzato come programma per PC o per tastiere MIDI che dispongono di sistema operativo per VI.
Il vocoder ha lo scopo di elaborare le
caratteristiche di un segnale acustico, detto portante, mediante il
comportamento dinamico di un secondo segnale acustico, detto
modulante. La maggior parte dei sistemi vocoder analogici usa un
determinato numero di canali di frequenza, ognuno impiegante un
filtro passa-banda, a copertura della gamma audio da trattare. Ogni
canale analizza le varie frequenze del segnale modulante, che
risulteranno di intensità differenti nei vari canali, ed i valori
ottenuti sono utilizzati per modulare in ampiezza la corrispondente
frequenza sul segnale portante. Così, se il segnale modulante in
quel momento presenta un picco di ampiezza a 200Hz, il segnale
portante verrà modificato per esaltare la sua porzione attorno a
200Hz; allo stesso modo, una formante vocale sul segnale modulante
verrà prima scomposta nelle sue frequenze componenti, e quindi
utilizzata per variare lo spettro del segnale portante sul medesimo
modello, come se a parlare fosse il segnale portante invece della
voce umana.
Il risultato è un linguaggio
riconoscibile, sebbene con un sound "meccanico". Spesso i
vocoder includono un secondo sistema per generare dei suoni non
vocali, grazie all'uso di noise generator (generatori di rumore) al
posto della frequenza fondamentale.
Il primo esperimento con un vocoder fu
condotto nel 1928 da Homer Dudley, ingegnere della Bell Labs, che lo
brevettò nel 1935. Il vocoder di Dudley venne usato nel sistema
SIGSALY, creato dagli ingegneri della Bell Labs nel 1943. Il sistema
SIGSALY fu usato per comunicazioni di alto livello criptate durante
la Seconda guerra mondiale. Più tardi altri lavori in questo campo
furono condotti da James Flanagan.
Fin dalla fine degli anni settanta del
novecento, la maggior parte dei vocoder non musicali sono stati
implementati con l'equazione di Yule-Walker, con cui l'inviluppo
spettrale del target del segnale (ovvero la formante) è dato da un
filtro IIR all-pole. Codificando con questa equazione, il filtro
all-pole sostituisce il bank del filtro passa-banda del suo
predecessore ed è usato nel codificatore per "sbiancare"
il segnale (ad es. per eliminare lo spettro) e nuovamente nel
decodificatore per riapplicare la forma spettrale del segnale con il
target del linguaggio. In contrasto con i vocoder realizzati con il
bank del filtro passa-banda, la localizzazione dei picchi spettrali
dell'equazione di Yule-Walker è determinata interamente dal target
del segnale ed è necessario che non sia armonica (a es. tutti i
numeri multipli della frequenza di base).
Persino con la necessità di registrare
parecchie frequenze e i suoni addizionali non vocali, la compressione
esercitata dal sistema vocoder è notevole. I sistemi standard per
registrare il linguaggio registrano una frequenza che va da circa 500
Hz a 3400 Hz, dove si trovano la maggior parte delle frequenze usate
nel linguaggio, che richiedono 64 kBit/s di banda passante. Comunque,
un vocoder può offrire una buona simulazione con un piccolo data
rate come 2400 bit/s, un miglioramento di 26×.
Nelle applicazioni musicali, una
sorgente sonora musicale è data dal carrier, come ad esempio
l'utilizzo del suono di un sintetizzatore come input del bank del
filtro, una tecnica che divenne popolare negli anni settanta del
novecento. Nel 1970, i pionieri della musica elettronica Wendy Carlos
e Robert Moog svilupparono uno dei primi veri vocoder musicali. Un
dispositivo a 10 bande ispirato ai disegni di Homer Dudley, fu
chiamato inizialmente spettro encoder-decoder, e più tardi
semplicemente vocoder. Il segnale carrier proveniva da un
sintetizzatore modulare Moog, e il modulator da un microfono
collegato ad un input. L'output di questo vocoder era abbastanza
intuitivo, ma dipendeva in particolare dall'articolazione del
linguaggio. Più tardi vocoder più avanzati usavano un filtro
passa-alto per rilasciare un "sibilo" attraverso il
microfono; ciò discosta il dispositivo dalla sua originale
applicazione di codificatore di discorsi, ma rende molto più chiaro
l'effetto di "sintetizzatore parlante".
Il vocoder di Carlos e di Moog venne
impiegato in diverse incisioni, inclusa la colonna sonora del film
Arancia meccanica di Stanley Kubrick, in cui il vocoder cantava la
parte vocale della "Nona Sinfonia" di Beethoven. Nella
colonna sonora è presente anche un brano chiamato "Timesteps",
in cui figura il vocoder in due tempi. Inizialmente, "Timesteps"
fu inteso come una mera introduzione di vocoder per il "timido
ascoltatore", ma Kubrick scelse di includere il pezzo nella
colonna sonora.
Il primo album rock ad includere un vocoder fu The Electric Lucifer di Bruce Haack del 1970, seguìto diversi anni dopo dall'album Autobahn del gruppo tedesco Kraftwerk (1974) e On The Road Again (1978) del gruppo francese Rockets. Fra le altre canzoni che per prime utilizzarono il vocoder vi fu The Raven, dell'album Tales of Mystery and Imagination - Edgar Allan Poe del gruppo progressive rock The Alan Parsons Project (1976); il vocoder compare anche in successivi album di Alan Parsons come I Robot. Nel 1977 Giorgio Moroder lo usa in From Here to Eternity, mentre i Pink Floyd lo usano nella traccia Sheep dell'album Animals; Anche grazie al successo discografico di Alan Parsons, il vocoder tornò sulla scena della musica pop alla fine degli anni '70 del novecento, ad esempio, nelle registrazioni disco music. Jeff Lynne dell'Electric Light Orchestra lo usò in alcuni album come Time (usando il vocoder Roland VP-330 Plus Mkl). I Cynic sono uno dei primi gruppi ad utilizzare il Vocoder nel genere Death metal.
Il primo album rock ad includere un vocoder fu The Electric Lucifer di Bruce Haack del 1970, seguìto diversi anni dopo dall'album Autobahn del gruppo tedesco Kraftwerk (1974) e On The Road Again (1978) del gruppo francese Rockets. Fra le altre canzoni che per prime utilizzarono il vocoder vi fu The Raven, dell'album Tales of Mystery and Imagination - Edgar Allan Poe del gruppo progressive rock The Alan Parsons Project (1976); il vocoder compare anche in successivi album di Alan Parsons come I Robot. Nel 1977 Giorgio Moroder lo usa in From Here to Eternity, mentre i Pink Floyd lo usano nella traccia Sheep dell'album Animals; Anche grazie al successo discografico di Alan Parsons, il vocoder tornò sulla scena della musica pop alla fine degli anni '70 del novecento, ad esempio, nelle registrazioni disco music. Jeff Lynne dell'Electric Light Orchestra lo usò in alcuni album come Time (usando il vocoder Roland VP-330 Plus Mkl). I Cynic sono uno dei primi gruppi ad utilizzare il Vocoder nel genere Death metal.
Dagli anni novanta in poi i Daft Punk
sono senza dubbio gli artisti che più hanno usato il vocoder, o che
quantomeno hanno reso noto il suo suono al grandissimo pubblico. In
particolare il suono del vocoder è diventato la cifra stilistica più
indicativa del duo elettronico francese. Anche gli Eiffel 65 hanno
usato il vocoder per i loro singoli di più grande successo.