YM2413
1986年発売の日本楽器製造のFM音源LSI
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概要
YM2413は、日本仕様の文字多重放送の受信機および、ビデオテックスシステム「キャプテン」用の端末における使用を目的として開発されたFM音源LSIである[1][2]。
日本の文字多重放送および、キャプテンの規格には符号化された楽譜データを再生する機能が盛り込まれており、日本テレビ放送網・京王技研工業・沖電気工業の開発による共通[注 1]の音符符号化方式を採用していた[8][注 2]。同方式では楽譜情報を構成する符号体系に加えて、発音の仕様についても定められていた[12]。文字放送とキャプテンで採用される同方式の基本機能においては、メロディ楽器6音・リズム楽器5音の同時発音数、メロディ楽器9種類・リズム楽器5種類で構成される楽器名による音色の指定、8段階（3dBステップ、0dBから-21dBの範囲）で調整する音の強弱の指定が発音仕様として規定されていた[12][20][注 3]。
YM2413では、文字放送とキャプテンで使われる音色を全て含有する、15種類のメロディ楽器と5種類のリズム楽器の音色が、LSI内の音色ROMと音色回路に搭載されている[5]。なお、日本楽器製造はYM2413の発表と同時期に、キャプテン用途を目的としたモデム信号処理用LSI「YM3405」、画面表示処理用LSI「YM3918」を発表しており、音源用LSIであるYM2413を含めてこれらのLSIをキャプテン用の主要製品として位置付けていた[3]。
また、YM2413はビブラート発振器と振幅変調発振器、9ビットD/Aコンバーター、水晶発振回路をLSI内に内蔵している[5]。加えて、1音色分の音色レジスタを搭載しており、内蔵音色のほかに自作音色を作成することができる[5][注 4]。LSI内への内蔵音色やD/Aコンバータの搭載は、低コストの音楽システムの実現を目的としていた[1][注 5]。
日本楽器製造は主にキャプテン・文字放送用途、およびパソコン用途を目的とし、キャプテン・文字放送の同時発音数の仕様を満たすFM音源LSI「YM3526（OPL）」を1984年10月に発表し[24][25]、1985年3月から量産を開始していた[26]。YM2413はそのコスト削減版にあたるものである[27]。
YM2413は本来の目的であるキャプテン端末・文字放送受信機以外にも、その低コストかつ組み込みが容易な性質から様々な目的において使用された[27]。その採用例としては、「セガ・マークIII」用周辺機器「FMサウンドユニット」やその一体型機種である日本版「セガ・マスターシステム」[28]、松下電器産業が発売したMSX用周辺機器「FMパナアミューズメントカートリッジ（FM-PAC）」[29]、「FM-PAC」の仕様を音楽再生機能として「MSX2+」規格に取り込んだ「MSX-MUSIC」[29]、パチスロ機『ニューパルサー』[30]が存在する。
機能
発音モード
YM2413ではメロディ楽器同時9音、およびメロディ楽器同時6音・リズム楽器同時5音（バスドラム・スネアドラム・タムタム・トップシンバル・ハイハットシンバル）の2種類の発音モードを選択できる[4]。これらの発音モードはYM3526にも実装されており、メロディ6音・リズム5音モードはキャプテンと文字放送に対応した発音モードとなっている[31]。発音モードの切り替えは、リズム音専用のレジスタを操作して行う[4]。
音色指定
YM2413は、メロディ楽器15音色とリズム楽器5音色の音色をLSIに内蔵している[5]。メロディ楽器はそれぞれの楽器に対応する音色番号を指定する方式をとっており、リズム楽器は固定配置となっている[4]。
メロディ楽器は音色データがROMに搭載され、FM音源方式で音色が合成される[5]。また、音色定義用のレジスタを1音色分搭載しており、FM音源方式による自作のメロディ楽器の設定が可能である[5]。内蔵音色と自作音色を合わせた16種類の音色から、それぞれの音に対して異なる音色を個別に指定可能である[4]。なお、YM2413にはキーオフ後の減衰時間を一定値に変更するサスティン機能が搭載されており、それぞれの音に対して効果を掛けることができる[4]。
リズム楽器は専用の音色回路と[5]、音色ROMに書き込まれたエンベロープデータを組み合わせて音色が合成される[4]。バスドラムのみがFM音源方式で合成され、それ以外の楽器はホワイトノイズ発生器と、8音目と9音目の周波数情報を利用するノイズ発振器の組み合わせで合成される[4]。タムはサイン波、スネアドラムは矩形波とホワイトノイズの合成、ハイハットはホワイトノイズとノイズ発振器、トップシンバルはノイズ発振器を用いて音色が合成される[27]。
また、YM2413はキャプテンと文字放送の規格で定義された、全ての音色を搭載している[5]。なお、文字放送・キャプテンで採用された音符符号化方式における音色指定については、当初シンセサイザーの音色パラメータを直接指定する仕組みも検討されたが、音色作成の難度やハードウェアごとの互換性および拡張性の観点から、楽器名による音色指定が採用された[32][注 6]。楽器の選定については汎用性が考慮され、メロディ楽器は弦楽器・管楽器・リード楽器・打弦楽器から9種類、リズム楽器は5種類が代表的な音色として選ばれた[32][注 7]。
以下に内蔵音色の一覧を示す。音色名は『YM2413 FM OPERATOR TYPE-LL（OPLL） アプリケーションマニュアル』の日本語版[4]と英語版[34]に従っている。
メロディ楽器
| 番号[4] | 音色名（日）[4] | 音色名（英）[34] | キャプテン/文字放送対応[5] |
|---|---|---|---|
| 0 | オリジナル | Original | × |
| 1 | バイオリン | Violin | ○ |
| 2 | ギター | Guitar | ○ |
| 3 | ピアノ | Piano | ○ |
| 4 | フルート | Flute | ○ |
| 5 | クラリネット | Clarinet | ○ |
| 6 | オーボエ | Oboe | ○ |
| 7 | トランペット | Trumpet | ○ |
| 8 | オルガン | Organ | ○ |
| 9 | ホルン | Horn | × |
| 10 | シンセサイザー | Synthesizer | × |
| 11 | ハープシコード | Harpsichord | × |
| 12 | ビブラフォン | Vibraphone | ○ |
| 13 | シンセベース | Synthesizer Bass | × |
| 14 | ウッドベース | Acoustic Bass | × |
| 15 | エレキベース | Electric Guitar | × |
リズム楽器
FM音源部の制御
YM2413のFM音源部は、1音に対して2つのオペレータセルを利用する2オペレータFM方式となっている[4]。また、オペレータの接続アルゴリズムは、それぞれのオペレータを搬送波・変調波として用いる直列接続のFM変調モードのみが含まれている[35]。なお、オペレータセルはLSI内に1つしか搭載していないため、それぞれのオペレータの演算は時分割によって行われる[4]。
また、YM2413に搭載された、音色や音量に対して変化を与えるエンベロープ生成器は、アタックレート・ディケイレート・リリースレートとサスティンレベル、トータルレベルなどの要素を用いて制御する[4]。また、エンベロープ生成器には加えてDP機能があり、キーオン直後の音の立ち上がり時間の前に作動する[4]。
オリジナル音色の定義においては、搬送波・変調波それぞれに対して、出力する波形の選択、周波数倍率（Multiple）の設定、エンベロープの設定、持続音モード・減衰音モードの切り替え、音程によってエンベロープ速度を変化させるキースケールレートの設定、音程によって音の大きさを変化させるキースケールレベルの設定、ビブラート効果および振幅変調効果の設定ができる[4]。また、変調波については、オペレータの出力を規定するトータルレベルおよび、フィードバックFM変調による変調度の調整が可能である[4]。なお、オペレータの波形選択機能はFM音源LSI「YM3812」にも採用された機能であり、YM2413ではサイン波・半波整流の2種類、YM3812では4種類の波形が選択可能となっている[27]。
音色の定義に含まれるエンベロープの定義では、音の立ち上がり時間を示すアタックレート、アタックモード終了後の減衰時間を示すディケイレート、ディケイからの変化点を示すサスティンレベル、リリースレートの4つの値を設定できる[4]。また、リリースレートは持続音モードと減衰音モードの選択によって、役割が変化する[4]。持続音モードの場合はディケイモードの減衰後にサスティンレベルに達した後はキーオン中は音が減衰されず、リリースレートはキーオフ後の音の減衰時間を示す[4]。減衰音モードの場合はリリースレートはディケイモードからサスティンレベルに達した後の音の減衰時間を示し、キーオフ後の音の減衰時間は一定となる[4]。
発音制御
メロディ楽器の音程は、それぞれの音に対して個別に設定する[4]。音程を決める周波数情報（F-Number）は9ビット（512段階）の解像度を持ち、8段階のオクターブ情報（Block）と音色で設定された周波数倍率（Multiple）と組み合わされて、発音する周波数が決定される[4]。発音の制御は、各音ごとにキーオンビットを操作することで行う[4]。
リズム楽器の音程は、7音目から9音目の周波数情報を利用して決定される[4]。バスドラムについてはFM音源方式のためメロディ楽器と制御方法は同じだが、一部のリズム楽器で使われるノイズ発振器は8音目と9音目の2つの周波数情報を利用する[4]。発音の制御は、リズム音専用のレジスタを介して5種類のリズム楽器を操作する[4]。
メロディ楽器とリズム楽器の音量は、3dBステップ・16段階（0dBから-45dBの範囲）で設定できる[4]。メロディ楽器はそれぞれの音に対して音色と同時に設定し、リズム楽器は7音目から9音目までの音色・音量用のレジスタが5種類のリズム楽器の音量として割り当てられる[4]。
動作仕様
YM2413は、クロック周波数が2MHzから4MHzの範囲内で動作するが、エンベロープ生成器と振幅変調発振器・ビブラート発振器は3.6MHz（3.579545MHz）を基準に設計されている[4]。駆動電圧は、+5Vとなっている[4]。
主な採用例
型番
派生品
- YM2420（OPLL2）
- 1987年[58]に発売されたヤマハ製ショルダーキーボード「SHS-10」[59]、1988年[60]に発売されたヤマハ製キーボード「PortaSound PSS-140」[61]などに採用されたLSI[27]。機能面はYM2413と基本的に同一だが、レジスタ配置には互換性がない[27]。
- YVM156B（ADT）
- 信号抽出処理とCPUと連動した表示制御を行う文字放送用のデコードLSIで、付加音処理用としてYM2413相当のFM音源を内蔵している[62][63]。
- MS1823（2423B-X）
- YM2413から内蔵音色データを差し替えたLSI[27]。Atari ST用FM音源カートリッジ「FM Melody Maker」[27]や、フィリップス製ポータブルシーケンサー「PMC100」[64]に採用された。
- YMF281（OPLLP）
- YM2413から内蔵音色データを差し替えたLSI[27]。パチンコ機・パチスロ機用に作成された内蔵音色がLSIに搭載されている[65]。
- VRC7（VRC VII）
- 1991年4月発売のファミリーコンピュータ用ゲームソフト『ラグランジュポイント』のカセットに搭載されたコナミの拡張LSI[66]。VRC7には、拡張音源としてFM音源が含まれている[66]。搭載されたFM音源はYM2413の機能を削減したもので、内蔵音色データも異なっている[27]。また、メロディ楽器は6音のみに制限されており、リズム楽器も削除されている[67]。
- UM3567
- 台湾のUMC（United Microelectronics Corporation）が製造・販売し、1990年ごろに流通していたFM音源LSI[68]。このLSIはヤマハの無許諾で製造・販売されたものであり、ヤマハは製造元のUMCに対して警告文を送付している[68]。また、このLSIを搭載したFM音源ボードが、台湾・韓国・米国地域で流通していた[68]。このLSIはYM2413の互換LSIであるが、電気特性、信号タイミング、内蔵音色が異なっており、単純に置き換えることはできない。[要出典]。