Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из кольцевого модулятора )
Перейти к навигации Перейти к поиску

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) [1]

В электронике , кольцевая модуляция является обработка сигнала функция, реализация смешения частот , выполняемого путем создания нескольких частот от тех , из двух сигналов , где один обычно является синусоидальной волна или другой простой форма волна , а другой сигнал , чтобы быть модулировано . Кольцевой модулятор представляет собой электронное устройство для кольцевой модуляции. Кольцевой модулятор может использоваться в музыкальных синтезаторах и как блок эффектов .

Функция получила свое название от того факта , что аналоговая схема из диодов , первоначально используемых для реализации этого метода принимает форму кольца; диод кольцо . [2] Схема аналогична мостовому выпрямителю , за исключением того, что вместо диодов, направленных влево или вправо, они смотрят по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Кольцевой модулятор имеет два входа - одну программу и одну несущую с одним выходом. Модулированное произведение двух входных сигналов - это боковые полосы, состоящие из суммарной и разностной частот, как и при амплитудной модуляции . Отличие от кольцевой модуляции заключается в том, что ни один из входных сигналов, несущих или программных, не появляется на выходе. Следовательно, кольцевая модуляция двух синусоидальных волн, имеющих частоты 1500 Гц и 400 Гц, будет производить два сигнала: один с частотой 1900 Гц и один с частотой 1100 Гц. Если бы один из исходных сигналов, например, 400 Гц, был прямоугольной волной, то выходной сигнал был бы совершенно другим. Поскольку прямоугольная волна состоит из бесконечного числа нечетных гармоник, каждая гармоника может генерировать свой собственный набор боковых полос. [3]

Операция [ править ]

Двойной сбалансированный 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, производя изменение амплитуды прямоугольной волны. частота на [1]

При кольцевой модуляции (RM) аудиосигнал умножается на синусоиду с несущей частотой . В аналоговой области это было довольно сложно сделать правильно, но на компьютере это просто, поскольку это простое умножение. Входной сигнал называется модулятором, а второй операнд - несущей :

.

Хотя слышимый результат кольцевой модуляции довольно легко понять для элементарных сигналов, он становится очень сложным для сигналов, имеющих множество частей. Сама несущая не слышна при такой модуляции. Когда несущая и модулятор являются синусоидальными волнами частот и , слышны сумма и разность частот и . [4]

Если, « и - составляющие несущей частоты и амплитуды, и и частотная и амплитудная составляющие модулятора, соответственно», то

(4.11)

Разница между AM-синтезом и кольцевой модуляцией заключается в том, что в последнем мы исключаем компонент несущей при умножении двух генераторов. Следовательно, выходные данные состоят только из частей суммы и разности, как мы можем видеть в уравнении. (4.12).

(4.12)[5]

Кольцевые модуляторы частоты смешивают или гетеродинно соединяют две формы волны и выводят сумму и разность частот, присутствующих в каждой форме волны. Умножение во временной области - это двойная свертка в частотной области , поэтому выходной сигнал содержит сумму и разность входных спектральных компонентов. Для базового случая, когда две синусоидальные волны с частотами f несущая и f голос умножаются, создаются две новые синусоидальные волны, одна на f несущая + f голос, а другая на f несущая - f голос.. Этот процесс кольцевой модуляции создает сигнал, богатый частями . Кроме того, ни несущая, ни входящий сигнал не видны на выходах, а в идеале - вообще нет.

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.

Умножение во временной области такое же, как свертка в частотной области, поэтому выходной сигнал содержит сумму и разность входных частот. Таким образом, в основном случае, когда две синусоидальные волны частот f 1 и f 2 ( f 1 < f 2 ) перемножаются, создаются две новые синусоидальные волны, одна на f 1 + f 2, а другая на f 2 - f. 1. Две новые волны вряд ли будут гармонически связаны и (в хорошо спроектированном кольцевом модуляторе) исходные сигналы отсутствуют. Именно это придает кольцевому модулятору уникальные тона.

Если один и тот же сигнал подается на оба входа кольцевого модулятора, результирующий спектр гармоник удваивается в исходной частотной области (если f 1 = f 2 = f , то f 2 - f 1 = 0 и f 2 + f 1 = 2 е ). Рассматриваемая как умножение, эта операция сводится к возведению в квадрат. Однако некоторые искажения возникают из-за прямого падения напряжения на диодах.

Носитель , который переключается между положительным и отрицательным током, в любой момент времени, составляет одну пару диодов поведения, и обращенно-уклонов другой пары. 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 ток, создавая инверсию полярности между трансформаторами.

Некоторые современные кольцевые модуляторы реализованы с использованием методов цифровой обработки сигналов путем простого перемножения 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.

В кольцевом модуляторе, который является переключающим модулятором, несущий сигнал в идеале представляет собой прямоугольную волну , разложение Фурье которой содержит основную гармонику и серию нечетных гармоник с уменьшающейся амплитудой :

Когда несущая частота как минимум вдвое превышает максимальную частоту модулирующего сигнала V (t), результатом является серия дубликатов V (t) в увеличивающихся областях частотного спектра.[6] Когда несущая меньше чем вдвое превышает верхнюю частоту сигнала, тогда результирующий выходной сигнал содержит спектральные компоненты как от сигнала, так и от несущей, которые объединяются во временной области. Например, пусть V (t) представляет синусоидальную волну на частоте 100 Гц, а несущая C (t)быть идеальной прямоугольной волной на частоте 300 Гц. Затем выходной сигнал будет включать 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.

Поскольку выходной сигнал не содержит ни отдельного голоса, ни компонентов несущей, кольцевой модулятор называется двойным балансным смесителем [7], где оба входных сигнала подавляются (отсутствуют на выходе) - выход полностью состоит из суммы произведения частотных составляющих двух входов.

История [ править ]

Кольцевой модулятор был изобретен Фрэнком А. Коуэном в 1934 году и запатентован в 1935 году [8] как усовершенствование изобретения Клайда Р. Кейта из Bell Labs . [9] 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 .

Описание схемы [ править ]

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 в кольцевом модуляторе направлены в одном направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Несущая, которой является переменный ток, в данный момент времени заставляет одну пару диодов проводить и смещать в обратном направлении другую пару. 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. (См. Также методы кольцевой модуляции на интегральных схемах )

Особая элегантность кольцевого модулятора заключается в том, что он является двунаправленным: поток сигнала может быть реверсирован, что позволяет использовать одну и ту же схему с той же несущей как модулятор или демодулятор , например, в недорогих радиоприемопередатчиках.

Методы интегральной схемы кольцевой модуляции [ править ]

SID чип найден в Commodore 64 позволяет треугольные волнам быть кольцевой модуляцией. Генератор 1 модулируется частотой генератора 3, генератор 2 - частотой генератора 1, а генератор 3 - частотой генератора 2. Кольцевая модуляция отключена, если генератор несущей не настроен на создание треугольной волны, но модулирующий генератор может быть настроен на генерацию любой из имеющихся форм волны. Однако независимо от того, какую форму волны вы установили для модулирующего генератора, кольцевая модуляция всегда будет иметь эффект модуляции треугольной волны прямоугольной волной. [10]

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 с 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 [ править ]

Любая составляющая постоянного тока несущей ухудшит подавление несущей, и, таким образом, в радиоприложениях несущая, как правило, связана с трансформатором или конденсатором; в низкочастотных (например, аудио) приложениях несущая может или не может быть желательной на выходе. [11]

Дефекты диодов и трансформаторов приводят к появлению артефактов двух входных сигналов. В практических кольцевых модуляторах эту утечку можно уменьшить путем внесения противоположных дисбалансов ( например , переменных резисторов или конденсаторов).

Уточнения [ править ]

В оригинальном патенте Коуэна описана схема с кольцом из четырех диодов. Более поздние реализации используют полевые транзисторы в качестве переключающих элементов.

Приложения [ править ]

Радиосвязь [ править ]

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 . [12] [13] Кольцевой модулятор может использоваться для генерации двухполосной волны с подавленной несущей (DSB-SC), используемой при радиопередаче. [14]

Музыка и звуковые эффекты [ править ]

Одним из первых музыкальных инструментов, в которых использовался кольцевой модулятор, был Мелохорд (1947 г.), построенный Харальдом Боде . Это был двухтональный музыкальный клавишный инструмент с ножными контроллерами, позже добавивший вторую клавиатуру для управления тембром, с генератором белого шума, контроллером огибающей, формантными фильтрами и кольцевыми модуляторами для гармоник. [15] Ранний Melochord широко использовался Вернером Мейером- Эпплером на заре создания студии электронной музыки в Боннском университете . [16] Мейер-Эпплер упомянул о музыкальном применении кольцевого модулятора в своей книге « Elektrische Klangerzeugung », опубликованной в 1949 году. [17]

Штокхаузен , ученик Мейера-Эпплера, также использовал кольцевую модуляцию в 1956 году для некоторых звуков в Gesang der Jünglinge, и его партитура реализации для Telemusik (1966 [18] ) также требует этого. Действительно, вокруг него строятся целые композиции, такие как Mixtur (1964), одна из первых композиций для оркестра и живой электроники; Mikrophonie II (1965), где звуки хоровых голосов модулируются с помощью органа Хаммонда ; Mantra (1970), [18], где звуки двух фортепиано проходят через кольцевые модуляторы; и Licht-Bilder (2002) из Sonntag aus Licht (2003),[1], который модулирует флейту и трубу по кольцу. [19] [20] [21] Другие пьесы, использующие кольцевую модуляцию, включают Kontakte (1960), [1] Mikrophonie I (1964), [1] Hymnen (1969), [1] Prozession (1967), [1] и Kurzwellen (1968). [1]

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 [22].

Одним из первых продуктов, посвященных музыке, был кольцевой модулятор Боде, разработанный в 1961 году Харальдом Боде . Также в 1964 году он разработал частотный сдвигатель Боде, который давал более чистый звук за счет устранения боковой полосы. [23] Эти устройства были разработаны для управления напряжением, совместимы с архитектурой модульного синтезатора, также отстаиваемой им [24], и эти модули были лицензированы RA Moog для их модульных синтезаторов Moog, выпущенных в 1963–1964 годах. [25] В 1963 году Дон Бухла включил дополнительный кольцевой модулятор в свой первый модульный синтезатор Model 100 . [26]Также Тот Oberheim встроенного блок модулятора кольца для своего музыканта друга в конце 1960 - х лет, [27] [28] , и она стала источником Оберхайма музыки модулятора [29] и Maestro Ring модулятора , [30] один из самых ранних кольцевого модулятора эффекты 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 оркестра Махавишну 1974 года Visions of the Emerald Beyond, особенно в треке "On the Way Back Home to Earth". На концертном альбоме Майлза Дэвиса 1975 года Agharta гитарист Пит Кози запускал звуки, которые он играл, через кольцевой модулятор. [31] Deep Purple «ы Джон Лорд подается сигнал с его Hammond через блок Gibson кольцевой модулятор на сцене, которую он описал в 1989 г. [32] [33] Основополагающий членом HawkwindДик Мик, самопровозглашенный музыкант, не являющийся музыкантом, использовал кольцевой модулятор в качестве основного инструмента во время своего пребывания в группе (1969-1973). [34]

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 установлена ​​на . В этом случае преобладают нечетные гармоники, которые похожи на звук кларнета в нижнем регистре. " [4] [ неудачная проверка ]

Аналоговые телефонные системы [ править ]

Раннее применение кольцевого модулятора заключалось в объединении нескольких аналоговых телефонных речевых каналов в один широкополосный сигнал, передаваемый по одному кабелю с использованием мультиплексирования с частотным разделением каналов . Кольцевой модулятор в сочетании с несущей и фильтром использовался для назначения каналов на разные частоты.

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, на 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.

См. Также [ править ]

  • Терменвокс

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г ч Curtis дорог (1996). Учебник компьютерной музыки , стр. 220-221. MIT Press. ISBN  9780262680820 .
  2. ^ Ричард Ортон, "Кольцевой модулятор", Словарь музыки и музыкантов New Grove , второе издание, отредактированный Стэнли Сэди и Джоном Тирреллом (Лондон: Macmillan Publishers, 2001): "кольцевой модулятор получил свое название от характерного кольцевого образования четыре диода в аналоговой цепи ».
  3. ^ Стрэндж, Аллен (1972). Электронная музыка , стр. 11. Wm. Издательство C. Brown Co. ISBN 0-697-03612-X . 
  4. ^ a b Zölzer, Удо; изд. (2002). DAFX - Цифровые звуковые эффекты , стр.76-7. Джон Вили и сыновья. ISBN 9780471490784 . 
  5. Перейти ↑ Park, Tae Hong (2009). Введение в цифровую обработку сигналов , стр. 108 и 106 <! -иявляются ...--->. World Scientific. ISBN 9789812790286 . 
  6. ^ «Множители против модуляторов» .
  7. ^ «Двойной сбалансированный смеситель - теория; схема; работа - учебное пособие - примечания по электронике» .
  8. ^ Патент США 2,025,158
  9. ^ Патент США 1855576
  10. ^ Справочное руководство программиста Commodore, стр. 463
  11. ^ "Секреты синтезатора, часть 11: Амплитудная модуляция" .
  12. ^ Хэмиш Meikle (2008). Современные радиолокационные системы . Артек Хаус. п. 336. ISBN. 978-1-59693-243-2.
  13. ↑ Абхишек Ядав (2008). Аналоговая система связи . Брандмауэр Media. п. 83. ISBN 978-81-318-0319-6.
  14. ^ Т. Томас S Chandra Sekhar (2005). Теория коммуникации . Тата Макгроу-Хилл Образование. п. 37. ISBN 978-0-07-059091-5.
  15. ^ Rebekkah Плов (июль 2011), "Гаральд Боде Краткая биография" , EContact! , Канадское электроакустическое сообщество, 13 (4)
  16. ^ "The "Melochord"(1947-9)" , Keyboardmuseum Интернет , архивируются с оригинала на 14 ноября 2007 (описание и история)
  17. ^ Вернер Мейер-Эпплер, Elektronische Klangerzeugung: Elektronische Musik und Synthetische Sprache , (Бонн: Фердинанд Дюммлерс, 1949)
  18. ^ a b Коллинз, Ник (2010). Введение в компьютерную музыку , стр. 124–125. Джон Вили и сыновья. ISBN 9780470714553 . 
  19. ^ Людгер Брюммер, «Штокхаузен по электронике, 2004», Computer Music Journal 32, нет. 4 (2008): 10–16.
  20. ↑ Карлхайнц Штокхаузен, «Практика электроакустического исполнения», перевод Джерома Коля , Перспективы новой музыки 34, вып. 1 (Winter, 1996): 74–105. Цитата на 89.
  21. ↑ Karlheinz Stockhausen, "Einführung" / "Introduction", английский перевод Сюзанны Стивенс , в буклете, сопровождающем Karlheinz Stockhausen, Licht-Bilder (3. Szene vom SONNTAG aus LICHT) , 2-CD set, Stockhausen Gesamtausgabe / Complete Edition 68A (Kürten: Stockhausen-Verlag, 2005): 10 и 51
  22. ↑ Джереми Бентам (1986), Доктор Кто: Ранние годы , (Лондон: WH Allen & Co. , 1986), стр. 127, ISBN 0-491-03612-4
  23. ↑ Harald Bode — A Lifetime for Sound (PDF) , Harald Bode News , получено 27 января 2011 г.
  24. ^ Харальд Боде, "European Electronic Music Instrument Design", Журнал Общества звукорежиссеров 9 (1961): 267.
  25. ↑ Tom Rhea, Harald Bode Biography , (New York: Experimental Television Center Ltd, 2004), заархивировано с оригинала 19 июля 2011 года.(также остается страница битого формата )
  26. ^ Buchla Электронные музыкальные инструменты-исторический обзор , Buchla & Associates , извлекаться 27 января +2011
  27. ↑ Томас Э. Оберхейм, «Устройство кольцевой модуляции для выступающего музыканта» , Конвенция AES 38 (май 1970)№708 (Г-4).
  28. ^ "Стенограмма сеанса: Том Оберхейм" , Red Bull Music Academy, Барселона, 2008 г.
  29. ^ Oberheim Music Модулятор (фото). Музыкальная корпорация Эдисона.
  30. ^ Maestro RM-1A Ring Modulator , база данных эффектов DiscoFreq
  31. ^ Trzaskowski, Анджей (1976). Джазовый форум: Журнал Международной джазовой федерации : 74. Большинство выбранных материалов сохранены в атмосфере рок-джаза, ритм-курс время от времени прерывается переполненными слоями накопленных слоев электронных и ударных эффектов (Тема от Джека Джонсон, Прелюдия). Фактически, электронные эффекты появляются неоднократно в виде «брутальных» свистов и скрежетов синтезатора, напоминающего звуковую пилу, и гитары, управляемой через кольцевой модулятор. Отсутствует или пусто |title=( справка )
  32. ^ "Господь Вседержитель" . Клавиатура . 24 . 1998 . Проверено 21 января +2016 .
  33. ^ «Интервью с Джоном Лордом» . Современная клавиатура . Январь 1989 . Проверено 21 января 2015 года .
  34. ^ Ян Абрахамс (2004). Hawkwind: Sonic Assassins . Издательство SAF. п. 20. ISBN 9780946719693.

Внешние ссылки [ править ]

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