Кольцевая модуляция - Ring modulation

Принципиальная схема кольцевого модулятора , показывающая кольцо диодов

Пример кольцевой модуляции на синусоидальных волнах частоты (вверху) и (в центре), производящей изменение амплитуды синусоидальной частоты на (внизу)${\ displaystyle f}$${\ displaystyle 12f}$${\ displaystyle 12f}$

В электронике , кольцевая модуляция является обработкой сигнала функция, реализация смешения частот , в котором два сигнал объединяется , чтобы получить выходной сигнал. Один сигнал, называемый несущей, обычно представляет собой синусоидальную волну или другую простую форму волны ; другой сигнал обычно более сложен и называется входным сигналом или сигналом модулятора . Кольцевой модулятор представляет собой электронное устройство для кольцевой модуляции. Кольцевой модулятор может использоваться в музыкальных синтезаторах и как блок эффектов .

Название происходит от того факта , что аналоговая схема из диодов первоначально использовалась для реализации этого метода принимает форму кольца: а диод кольцо . Схема похожа на мостовой выпрямитель , за исключением того, что вместо диодов, направленных влево или вправо, они смотрят по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Кольцевая модуляция очень похожа на амплитудную модуляцию с той разницей, что в последней модулятор сдвигается в положительное положение перед умножением на несущую, а в первом модулятор без сдвига умножается на несущую. Это приводит к тому, что кольцевая модуляция двух синусоидальных волн с частотами, скажем, 1500 Гц и 400 Гц будет производить в качестве выходного сигнала сумму синусоидальной волны с частотой 1900 Гц и одной с частотой 1100 Гц. Эти две выходные частоты известны как «боковые полосы». Если бы один из исходных сигналов был прямоугольной волной , выходной сигнал был бы совершенно другим, поскольку прямоугольная волна состоит из суммы бесконечного числа нечетных гармоник, и каждая гармоника будет генерировать свой собственный набор боковых полос.

Операция

Обозначая сигнал несущей как, сигнал модулятора как, а выходной сигнал как (где обозначает время), кольцевая модуляция описывается формулой ${\ Displaystyle с (т)}$${\ Displaystyle х (т)}$${\ Displaystyle у (т)}$${\ displaystyle t}$

${\ displaystyle y (t) = x (t) \ cdot c (t).}$

Двойной балансный высокочастотный смеситель Mini-Circuits SBL-1 с четырьмя диодами Шоттки. LO Уровень : +7 дБм (1,41 В _р-р ) и РЧ 1-500 МГц (АДЭ-1: 0,5-500 МГц)

Макрос ADE-1

Пример кольцевой модуляции синусоидальной частоты и прямоугольной волны частоты , приводящей к сложному звуку с использованием аналоговой ЧМ, известной как «диодно-ограничивающий» или «чоппер» RM, производящий изменение амплитуды прямоугольной волны. частота на${\ displaystyle f}$${\ displaystyle 12f}$${\ displaystyle 12f}$

Если и являются синусоидальными волнами с частотами и , соответственно, тогда будет сумма двух (сдвинутых по фазе) синусоидальных волн, одна частоты, а другая - частоты . Это следствие тригонометрического тождества${\ Displaystyle с (т)}$${\ Displaystyle х (т)}$${\ displaystyle f_ {c}}$${\ displaystyle f_ {x}}$${\ Displaystyle у (т)}$${\ displaystyle f_ {c} + f_ {x}}$${\ displaystyle f_ {c} -f_ {x}}$

${\ displaystyle \ sin (u) \ cdot \ sin (v) = {\ frac {1} {2}} \ left (\ cos (uv) - \ cos (u + v) \ right).}$

В качестве альтернативы можно использовать тот факт, что умножение во временной области такое же, как свертка в частотной области .

Таким образом, кольцевые модуляторы выводят сумму и разность частот, присутствующих в каждой форме волны. Этот процесс кольцевой модуляции дает сигнал, богатый частями . Кроме того, ни несущая, ни входящий сигнал не видны на выходе, а в идеале вообще не присутствуют.

Два осциллятора, частоты которых были гармонически связаны и модулированы по кольцу друг против друга, производят звуки, которые все еще соответствуют гармоническим частям нот, но содержат очень разный спектральный состав. Когда частоты осцилляторов не связаны между собой гармонически, кольцевая модуляция создает негармоники , часто производя колоколообразные или другие металлические звуки.

Если несущий сигнал представляет собой прямоугольную волну частоты , разложение Фурье которой содержит основную гармонику и серию нечетных гармоник с уменьшающейся амплитудой : ${\ displaystyle f_ {c}}$

${\ displaystyle c (t) = \ sin f_ {c} t + {\ frac {1} {3}} \ sin 3f_ {c} t + {\ frac {1} {5}} \ sin 5f_ {c} t + { \ frac {1} {7}} \ sin 7f_ {c} t + \ ldots}$

и несущая частота как минимум в два раза превышает максимальную частоту модулирующего сигнала , тогда результирующий выходной сигнал представляет собой серию дубликатов в увеличивающихся областях частотного спектра. Например, пусть представляет собой синусоидальную волну с частотой 100 Гц, а несущую - идеальную прямоугольную волну с частотой 300 Гц. Затем на выходе будут синусоидальные волны с частотой 100-300 Гц, 100-900 Гц, 100-1500 Гц, 100-2100 Гц и т. Д. С уменьшающимися амплитудами в соответствии с разложением Фурье прямоугольной волны несущей. Если несущая частота менее чем в два раза превышает верхнюю частоту сигнала, то результирующий выходной сигнал содержит спектральные компоненты как сигнала, так и несущей, которые объединяются во временной области. ${\ displaystyle f_ {c}}$${\ Displaystyle х (т)}$${\ Displaystyle х (т)}$${\ Displaystyle х (т)}$${\ Displaystyle с (т)}$

Поскольку выход не содержит ни отдельных компонентов модулятора, ни компонентов несущей, кольцевой модулятор называется двойным балансным смесителем, в котором оба входных сигнала подавляются (отсутствуют на выходе) - выход полностью состоит из суммы произведений. частотных составляющих двух входов.

История

Кольцевой модулятор был изобретен Фрэнком А. Коуэном в 1934 году и запатентован в 1935 году как усовершенствование изобретения Клайда Р. Кейта из Bell Labs . Первоначальное применение было в области аналоговой телефонии для мультиплексирования с частотным разделением для передачи нескольких голосовых сигналов по телефонным кабелям. С тех пор были применены для более широкого диапазона применений, таких как голосовой инверсии , радио приемопередатчиков и электронной музыки .

В то время как оригинальный патент Коуэна описывает схему с кольцом из четырех диодов, более поздние реализации использовали полевые транзисторы в качестве переключающих элементов.

Описание схемы

Кольцевой модулятор включает в себя входной каскад, кольцо из четырех диодов, возбуждаемых несущим сигналом, и выходной каскад. Входной и выходной каскады обычно включают трансформаторы с центральными отводами к диодному кольцу. Важно отметить, что хотя диодное кольцо имеет некоторое сходство с мостовым выпрямителем, все диоды кольцевого модулятора направлены в одном направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки. (См. Схему кольцевого модулятора в правом верхнем углу.)

Несущая, которая чередует положительный и отрицательный ток, в любой момент времени заставляет одну пару диодов проводить, а другую пару смещает в обратном направлении. Проводящая пара передает сигнал от вторичной обмотки левого трансформатора к первичной обмотке правого трансформатора. Если левая несущая клемма положительна, верхний и нижний диоды проводят. Если этот вывод отрицательный, то боковые диоды проводят, но создают инверсию полярности между трансформаторами. Это действие очень похоже на действие переключателя DPDT ( двухполюсный, двухпозиционный ), подключенного для реверсирования соединений.

Особая элегантность кольцевого модулятора заключается в том, что он двунаправленный: поток сигнала может быть изменен на противоположный, что позволяет использовать одну и ту же схему с той же несущей в качестве модулятора или демодулятора , например, в недорогих радиоприемопередатчиках.

Методы интегральной схемы кольцевой модуляции

Некоторые современные кольцевые модуляторы реализованы с использованием методов цифровой обработки сигналов путем простого умножения сигналов во временной области, что дает почти идеальный выходной сигнал. Продукты интермодуляции могут быть получены путем тщательного выбора и изменения частоты двух входных сигналов. Если сигналы обрабатываются в цифровом виде, свертка в частотной области становится круговой сверткой . Если сигналы являются широкополосными , это вызовет искажение наложения спектров , поэтому перед кольцевой модуляцией обычно выполняется передискретизация операции или фильтрация нижних частот сигналов.

SID чип найден в Commodore 64 позволяет треугольные волнам быть кольцевой модуляцией. Осциллятор 1 модулируется частотой осциллятора 3, осциллятор 2 - частотой осциллятора 1, а осциллятор 3 - частотой осциллятора 2. Кольцевая модуляция отключена, если генератор несущей не настроен на генерацию треугольной волны, но модулирующий генератор может быть настроен на генерацию любой из имеющихся форм волны. Однако независимо от того, на какую форму волны вы установите модулирующий осциллятор, кольцевая модуляция всегда будет иметь эффект модуляции треугольной волны прямоугольной волной.

В синтезаторе ARP Odyssey (а также в некоторых других синтезаторах той эпохи) кольцевой модулятор представляет собой функцию исключающего ИЛИ (сформированную из четырех вентилей И-НЕ ), поступающую от выходов прямоугольных импульсов двух генераторов. Для ограниченного случая прямоугольных или импульсных сигналов это идентично истинной кольцевой модуляции.

ИС аналоговых умножителей (например, сделанные Analog Devices) будут работать как кольцевые модуляторы, конечно, в отношении таких вопросов, как их рабочие пределы и масштабные коэффициенты. Использование интегральных схем умножителя означает, что продукты модуляции в основном ограничиваются суммой и разностью частот входов (если только схема не перегружена), а не гораздо более сложными продуктами схемы выпрямителя.

Ограничения

Любая составляющая постоянного тока несущей будет ухудшать подавление несущей, и, таким образом, в радиоприложениях несущая обычно связана с трансформатором или конденсатором; в низкочастотных (например, аудио) приложениях несущая может или не может быть желательной на выходе.

Из-за дефектов диодов и трансформаторов возникают артефакты двух входных сигналов. В практических кольцевых модуляторах эту утечку можно уменьшить путем внесения противоположных дисбалансов ( например , переменных резисторов или конденсаторов).

Приложения

Радиосвязь

Кольцевая модуляция также широко используется в радиоприемниках , например, для демодуляции стереофонического FM-сигнала и гетеродинных микроволновых сигналов в мобильных телефонах и беспроводных сетевых системах. В этом случае схему иногда называют кольцевым демодулятором , одной из многих возможных схем прерывателя . Кольцевой модулятор может использоваться для генерации волны с подавленной несущей с двойной боковой полосой (DSB-SC), используемой при радиопередаче.

Музыка и звуковые эффекты

	Аудиосэмплы эффекта кольцевой модуляции: Необработанный исходный образец Кольцевая модуляция со звуком 2500 Гц Обратите внимание на звук, похожий на колокольчик. Кольцевая модуляция с экспоненциальной разверткой от 0 Гц до 9 кГц На более низких частотах модуляции кольцевая модуляция воспринимается как эффект тремоло (как в первой части звука).
Проблемы с воспроизведением этих файлов? См. Справку по СМИ .

Одним из первых музыкальных инструментов, в которых использовался кольцевой модулятор, был Melochord (1947), построенный Харальдом Боде . Это был двухтональный музыкальный клавишный инструмент с ножными контроллерами, который позже добавил вторую клавиатуру для управления тембром, с генератором белого шума, контроллером огибающей, формантными фильтрами и кольцевыми модуляторами для гармоник. Ранний Мелохорд широко использовался Вернером Мейер- Эпплером на заре создания студии электронной музыки в Боннском университете . Мейер-Эпплер упомянул о музыкальном применении кольцевого модулятора в своей книге « Elektrische Klangerzeugung », опубликованной в 1949 году.

Ученик Мейера-Эпплера Карлхайнц Штокхаузен использовал кольцевую модуляцию в 1956 году для некоторых звуков в Gesang der Jünglinge, и его партитура реализации для Telemusik (1966) также требует этого. Действительно, несколько композиций Штокхаузена основаны на нем, например, Mixtur (1964), одна из первых композиций для оркестра и живой электроники; Mikrophonie II (1965), где звуки хоровых голосов модулируются с помощью органа Hammond ; Mantra (1970), где звуки двух фортепиано проходят через кольцевые модуляторы; и Licht-Bilder (2002) из Sonntag aus Licht (2003), который модулирует флейту и трубу по кольцу. Другие пьесы Штокхаузена, использующие кольцевую модуляцию, включают Kontakte (1960), Mikrophonie I (1964), Hymnen (1969), Prozession (1967) и Kurzwellen (1968).

Кольцевой модулятор был основным компонентом, который использовался в музыке Луи и Биби Бэррон для фильма « Запретная планета» (1956). Одним из наиболее известных применений кольцевого модулятора может быть его использование Брайаном Ходжсоном из радиофонической мастерской BBC для создания отличительного голоса далеков в телесериале Доктор Кто , начиная с 1963 года.

Одним из первых продуктов, посвященных музыке, был кольцевой модулятор Боде, разработанный в 1961 году Харальдом Боде . Также в 1964 году он разработал преобразователь частоты Боде, который давал более чистый звук за счет устранения боковой полосы. Эти устройства были разработаны для управления напряжением, совместимы с архитектурой модульного синтезатора, также отстаиваемой им, и эти модули были лицензированы RA Moog для их модульных синтезаторов Moog, выпущенных в 1963–1964 годах. В 1963 году Дон Бухла включил дополнительный кольцевой модулятор в свой первый модульный синтезатор Model 100 . Также Том Оберхейм построил блок кольцевого модулятора для своего друга-музыканта в конце 1960-х, и он стал источником Oberheim Electronics Music Modulator и Maestro Ring Modulator , одного из первых продуктов с эффектами кольцевого модулятора для гитаристов. EMS VCS3 , Synthi , ARP 2600 , Odyssey , Rhodes Chroma и Yamaha CS-80 синтезаторы также фигурирует встроенный в кольцевых модуляторов.

Джон Маклафлин широко использовал кольцевой модулятор в альбоме Mahavishnu Orchestra 1974 года « Visions of the Emerald Beyond», особенно в треке «On the Way Home to Earth». На концертном альбоме Майлза Дэвиса 1975 года Agharta гитарист Пит Кози запускал звуки, которые он играл, через кольцевой модулятор. Deep Purple «s Jon Lord подается сигнал с его Хаммонда через блок Gibson Ring модулятора на сцене, которую он описал в 1989 году члена - основателя Hawkwind , Dik Mik, Сознавшийся не-музыкант, используется кольцевой модулятор , как его основной инструмент в течение его времени с группой (1969-1973).

Кольцевая модуляция используется в пьесе Лучано Берио « Офаним» (1988/1997) , а в первой части применяется к детскому голосу и кларнету : « Требовалось преобразование детского голоса в кларнет. Детектор высоты тона вычисляет мгновенную частоту голоса. Затем детский голос проходит через кольцевой модулятор, где частота несущей устанавливается равной . В этом случае преобладают нечетные гармоники, похожие на звук кларнета в нижнем регистре. " ${\ displaystyle f_ {0} (п)}$${\ displaystyle f_ {c}}$${\ displaystyle f_ {0} (п) / 2}$

Аналоговые телефонные системы

Раннее применение кольцевого модулятора заключалось в объединении нескольких аналоговых телефонных речевых каналов в один широкополосный сигнал, который должен передаваться по одному кабелю с использованием мультиплексирования с частотным разделением каналов . Кольцевой модулятор в сочетании с несущей и фильтром использовался для присвоения каналов разным частотам.

В ранних попытках защиты аналоговых телефонных каналов использовались кольцевые модуляторы для изменения спектра звуковых речевых сигналов. Одно из применений - это спектральная инверсия, обычно речи; несущая частота выбирается выше самых высоких речевых частот (которые фильтруются нижними частотами, скажем, 3 кГц для несущей, возможно, 3,3 кГц), а суммарные частоты из модулятора удаляются с помощью дополнительной фильтрации нижних частот . Остальные разностные частоты имеют перевернутый спектр - высокие частоты становятся низкими, и наоборот.

Смотрите также

• Терменвокс

использованная литература

внешние ссылки

• Скотт Леман. «Объяснение эффектов: кольцевая модуляция» . Гармония Центральная. Архивировано из оригинала на 1 декабря 2005 года.