Кольцевая модуляция

В электронике кольцевая модуляция является функцией обработки сигнала , реализацией частоты смешивания , в которой два сигнала объединяются для получения выходного сигнала. Один сигнал, называемый носителем, обычно представляет собой синусоидальную волну или другую простую форму волны ; Другой сигнал обычно более сложный и называется входом или сигналом модулятора . - Модулятор кольца это электронное устройство для кольцевой модуляции. Модулятор кольца может использоваться в музыкальных синтезаторах и в качестве блока эффектов .
Название происходит от того факта, что аналоговая схема диодов , первоначально используемая для реализации этой методики, принимает форму кольца: диодное кольцо . [ 2 ] Схема похожа на выпрямитель моста , за исключением того, что вместо диодов, обращенных влево или вправо, они лицом по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Кольцевая модуляция очень похожа на амплитудную модуляцию , причем разница в том, что в последнем модулятор сдвинулся как положительный, прежде чем умножить на носитель, в то время как в первом неподвижный модулятор умножается на носитель. Это оказывает эффект, что кольцевая модуляция двух синусоидальных волн, имеющих частоты 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 один из входных сигналов имеет значительные подключения (что имеет место для квадратных волн ), выход будет звучать совершенно по-разному, поскольку каждая гармоника будет генерировать свою собственную пару боковых полос, которые не будут гармонично связаны. [ 3 ]
Упрощенная операция
[ редактировать ]Обозначая сигнал носителя , сигнал модулятора и выходной сигнал (где обозначает время), кольцевая модуляция приближается к умножению :



Если и синусоидальные волны с частотами и соответственно, тогда будет сумма двух ( измененных фазовых ) синусоидальных волн, одной из частоты и другая частота Полем Это следствие тригонометрической идентичности :
В качестве альтернативы можно использовать тот факт, что умножение во временной области совпадает с сверткой в частотной области .
Таким образом, кольцевые модуляторы выводят сумму и разность частот, присутствующих в каждой форме волны. Этот процесс кольцевой модуляции дает сигнал, богатый частичным . Кроме того, ни несущий, ни входящий сигнал не являются заметными в выходе и в идеале не присутствуют вообще.
Два генератора, чьи частоты были гармонично связаны и кольцо модулировали друг против друга, производят звуки, которые все еще придерживаются гармонических деталей нот, но содержат совершенно другой спектральный состав. Когда частоты генераторов не связаны с гармонически, кольцевая модуляция создает инхармонику , часто создавая колокоподобные или иные металлические звуки.
Если сигнал носителя является квадратной волной частоты , чье расширение Фурье содержит фундаментальные и серию потерпевших амплитудных гармоник :
и частота носителей как минимум вдвое больше максимальной частоты модулирующего сигнала , тогда результирующий вывод - это серия дубликатов в увеличивающихся областях частотного спектра. [ 4 ] Например, пусть представляют синусоидальную волну при 100 Гц и носитель Будьте идеальной квадратной волной при 300 Гц. Затем выход будет включать синусоидальные волны при 100 ± 300 Гц, 100 ± 900 Гц, 100 ± 1500 Гц, 100 ± 2100 Гц и т. Д. При уменьшении амплитуд в соответствии с расширением квадратной волны Фурье. Если частота носителей меньше, чем вдвое больше верхней частоты сигнала, то получаемый выходной сигнал содержит спектральные компоненты как из сигнала, так и от носителя, который объединяется во временной области.
Поскольку выходной сигнал не содержит ни отдельного модулятора, ни компонентов носителя, модулятор кольца считается двойным сбалансированным миксером, [ 5 ] Там, где оба входных сигнала подавляются (не присутствуют на выходе) - выход полностью состоит из суммы продуктов частотных компонентов двух входов.
История
[ редактировать ]Модулятор кольца был изобретен Фрэнк А. Коуэн в 1934 году и запатентовал в 1935 году [ 6 ] В качестве улучшения по изобретению Клайда Р. Кейта из Bell Labs . [ 7 ] Первоначальное приложение было в поле аналоговой телефонии для мультиплексирования частоты для перевозки нескольких голосовых сигналов по телефонным кабелям. С тех пор он был применен к более широкому диапазону применений, таких как инверсия голоса , радиоперсивер и электронную музыку .
В то время как оригинальный патент Cowan описывает схему с кольцом из четырех диодов, более поздние реализации использовались в качестве элементов переключения.
Описание схемы
[ редактировать ]Модулятор кольца включает в себя входную стадию, кольцо из четырех диодов, возбужденных сигналом носителя, и выходной стадии. Входные и выходные этапы обычно включают трансформаторы с центральными таблицами в направлении диодного кольца. Важно отметить, что, хотя диодное кольцо имеет некоторое сходство с выпрямителем моста, диоды в кольцевом модуляторе все точка в одном и том же направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки. (См. Схему кольцевого модулятора в правом верхнем углу.)
Носитель, который чередуется между положительным и отрицательным током, в любой момент времени заставляет одну пару диодов познакомиться, и обратный смещение другой пары. Переводящая пара несет сигнал от левого трансформатора, вторичного по отношению к первичному трансформатора справа. Если левый терминал является положительным, верхние и нижние диоды проводят. Если этот терминал отрицательный, то боковые диоды проводят, но создают инверсию полярности между трансформаторами. Это действие очень похоже на действие DPDT ( Double Pole, Double Throw ), подключенный для обращения.
Особая элегантность кольцевого модулятора состоит в том, что он является двунаправленным: сигнальный поток может быть изменен, позволяя использовать ту же цепь с тем же носителем, который будет использоваться в качестве модулятора или демодулятора , например, в недорогих радиосвятниках.
Методы интегрированной схемы кольцевой модуляции
[ редактировать ]В этом разделе нужны дополнительные цитаты для проверки . ( Февраль 2015 г. ) |
Некоторые современные кольцевые модуляторы реализованы с использованием методов цифровой обработки сигналов, просто умножая сигналы домены во времени, создавая почти идеальную выходную сигнал. Продукты интермодуляции могут быть сгенерированы путем тщательного выбора и изменения частоты двух входных сигналов. Если сигналы обрабатываются в цифровом виде, скорость-доменная свертка становится круглой сверткой . Если сигналы являются широкополосными , это приведет к искажению псевдонимы , поэтому обычно можно преодолеть операцию или фильтр низких частот сигналов перед кольцевой модуляцией.
Чип SID , найденный в Коммодоре 64, позволяет треугольные волны модулировать . Осциллятор 1 модулируется частотой осциллятора 3, генератором 2 по частоте генератора 1 и генератором 3 по частоте генератора 2. Кольцевая модуляция отключена, если осциллятор носителя не установлен для получения треугольной волны, но модулирующий генератор может быть установлен для создания любых его доступных форм волны. Однако, независимо от того, в какую форму волны вы установили модулирующий генератор, кольцевая модуляция всегда будет иметь эффект модуляции треугольной волны с квадратной волной. [ 8 ] [ неудачная проверка ]
На синтезаторе Odyssey ARP (и несколько других из той эпохи) модулятор кольца представляет собой функцию XOR (образованную из четырех ворот NAND ), питаемый из квадратных выходов двух осцилляторов. Для ограниченного случая квадратных или пульсных сигналов это идентично модуляции истинного кольца.
Аналог Multiplier ICS (например, изготовленные по аналоговым устройствам) будут работать в качестве модуляторов кольца, конечно, в отношении таких вопросов, как их эксплуатационные ограничения и масштабные коэффициенты. Использование Multiplier ICS означает, что продукты модуляции в значительной степени ограничены суммой и частотой различий (если только схема не перегружена), а не гораздо более сложные продукты схемы выпрямителя.
Ограничения
[ редактировать ]Любой компонент постоянного тока носителя будет разрушать подавление носителя, и, следовательно, в радиоприемниках перевозчик, как правило, трансформатор или конденсатор; В приложениях низкочастотных (например, аудио) носитель может быть или не может быть желательным на выходе. [ 9 ]
Неспособности в диодах и трансформаторах вводят артефакты двух входных сигналов. В практических кольцевых модуляторах эта утечка может быть уменьшена путем введения противоположного дисбаланса ( например , резисторов или конденсаторов).
Приложения
[ редактировать ]Радиосвязь
[ редактировать ]Кольцевая модуляция также широко использовалась в радиоприемниках , например, для демодуляции стереосигнала FM и для гетеродинных микроволновых сигналов в мобильных телефонных и беспроводных сетевых системах. В этом случае цепь иногда называют кольцевым демодулятором , одной из многих возможных цепей вертолета . [ 10 ] [ 11 ] Модулятор кольца может использоваться для генерации двойной стороной, подавленной волной (DSB-SC), используемой в радиопередачи. [ 12 ]
Музыка и звуковые эффекты
[ редактировать ]Одним из самых ранних музыкальных инструментов, использующих кольцевой модулятор, был Melochord (1947), построенный Харальдом Боде . Это был двухцветный инструмент клавиатуры Melody с контроллерами ног, а затем добавил вторую клавиатуру для управления Timbre с генератором белого шума, контроллером конверта, фильтрам форманта и модуляторами кольца для гармоник. [ 13 ] Ранний Melochord широко использовался Вернером Мейером-Эплер в первые дни студии электронной музыки в Университете Бонн . [ 14 ] Мейер-Эплер упомянул музыкальное применение модулятора кольца в своей книге Elektrische Klangerzeugung , опубликованной в 1949 году. [ 15 ]
Студент Мейера-Эпплера Карлхейнс Стокхаузен использовал кольцевую модуляцию в 1956 году для некоторых звуков в пении молодежи и его оценки реализации для Telemusic (1966 [ 16 ] ) также требует этого. Действительно, на нем основаны несколько целых композиций Стокхаузена, таких как Mixtur (1964), одна из первых композиций для оркестра и живой электроники; Mikrophonie II (1965), где звуки хоровых голосов модулированы с органом Hammond ; Мантра (1970), [ 16 ] Где звуки от двух фортепиано направляются через кольцевые модуляторы; и Licht Pictures (2002) из Sonntag от Licht (2003), [ 1 ] какая кольцевая модуляция флейты и трубы. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] Другие произведения Stockhausen с использованием кольцевой модуляции включают Kontakte (1960), [ 1 ] Микрофония I (1964), [ 1 ] Гимн (1969), [ 1 ] Процессия (1967), [ 1 ] и короткие волны (1968). [ 1 ]
Модулятор кольца был основным компонентом, используемым в музыке Луи и Бебе Баррона для фильма «Запрещенная планета» (1956). Одним из самых известных применений кольцевого модулятора может быть его использование Брайаном Ходжсоном из радиофонического мастер-класса BBC для создания отличительного голоса Далеков в телесериале Doctor Who , начиная с 1963 года. [ 20 ]
Одним из первых продуктов, посвященных музыке, был модулятор Bode Ring, разработанный в 1961 году Харальдом Боде . Также в 1964 году он разработал частотный переключатель Bode, который вызвал более четкий звук, исключив побочную полосу. [ 21 ] Эти устройства были разработаны для управления напряжением, совместимых с архитектурой модульного синтезатора, также защищены им, [ 22 ] И эти модули были лицензированы на RA Moog для их модульных синтезаторов Moog, начатых в 1963–1964 годах. [ 23 ] В 1963 году Дон Бухла включил дополнительный кольцевой модулятор в свой первый модульный синтезатор, модель 100 . [ 24 ] Также Том Оберхайм построил модулятор кольца для своего друга музыканта в конце 1960 -х годов, [ 25 ] [ 26 ] И это стало происхождением Electronics Oberheim модулятора Electronics [ 27 ] и маэстро модулятор кольца , [ 28 ] Один из самых ранних продуктов модулятора кольца для гитаристов. EMS и VCS3 , Synthi A , ARP 2600 , Odyssey , Rhodes Chroma Yamaha CS-80 Synthesizers также включали встроенные кольцевые модуляторы.
Джон Маклафлин сильно использует модулятор кольца в Махавишну альбоме 1974 года « Видения Emerald Beyond» , особенно на треке «по дороге домой на Землю». На Miles Davis живом альбоме 1975 года Agharta гитарист Пит Кози управлял звуками, которые он играл через модулятор кольца. [ 29 ] Гирпового Пурпута подал Джон Лорд сигнал из своего Хаммонда через модулятор кольца Гибсона, живущий на сцене, который он описал в 1989 году. [ 30 ] [ 31 ] Основатель Hawkwind , Dik Mik, самодовольный не-музыкант, использовал кольцевой модулятор в качестве главного инструмента во время своего времени с группой (1969-1973). [ 32 ]
Vangelis использовал кольцевой модулятор со своим Yamaha CS-80, чтобы импровизировать свой авангард-экспериментальный альбом 1978 года Beaubourg . Музыка на альбоме часто является атональной, с кольцевым модулятором, преобразующим звук синтезатора в сложные металлические тембры. [ 33 ] Это остается самой экспериментальной выпущенной работой художника, и рецензенты называют ее «трудным слушать в лучшем случае». [ 34 ]
Кольцевая модуляция используется в «Кусочках » (1988/1997) Лучано Берио , а в первом разделе применяется к голосу ребенка и кларнету : «Преобразование детского голоса в кларнет была желательной. Для этого. Детектор высоты тона вычисляет мгновенную частоту голоса. Затем дочерний голос проходит через кольцевой модулятор, где частота носителя установлен на Полем В этом случае преобладают нечетные гармоники, что похоже на звук кларнета в низком регистре ». [ 35 ] [ неудачная проверка ]
Аналоговые телефонные системы
[ редактировать ]Раннее применение кольцевого модулятора было для объединения нескольких аналоговых телефонных каналов в один широкополосный сигнал, который будет переносить на одном кабеле с использованием мультиплексирования частоты дивизиона . Модулятор кольца в сочетании с волной носителя и фильтра использовался для назначения каналов на разные частоты.
Ранние попытки обеспечить аналоговые телефонные каналы использовали кольцевые модуляторы для изменения спектра звуковых речевых сигналов. Одним из приложений является спектральная инверсия, обычно речи; Частота носителей выбрана, чтобы быть выше самых высоких частот речи (которые находятся в низком количестве профильтровываны при, скажем, 3 кГц, для носителя, возможно, 3,3 кГц), а частоты сумм от модулятора удаляются более низкой фильтрацией низких частот. Полем Остальные частоты различий имеют инвертированный спектр: высокие частоты становятся низкими, и наоборот.
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и фон глин час Кертис Роудс (1996). Учебник по компьютерной музыке , с. 220-221. MIT Press. ISBN 9780262680820 .
- ^ Ричард Ортон, «Модулятор кольца», «Новый словарь музыки и музыкантов New Grove» , стр. 429, том 21, второе издание, под редакцией Стэнли Сэди и Джона Тиррелла (Лондон: Macmillan Publishers, 2001): «Модулятор кольца принимает свое имя Из характерного образования кольца четырех диодов в ее аналоговой схеме ».
- ^ Странно, Аллен (1972). Электронная музыка , с. 11. Wm. C. Brown Co. Publishers. ISBN 0-697-03612-X .
- ^ «Мультипликаторы против модуляторов» .
- ^ «Двойной сбалансированный миксер - теория; схема; операция - Учебное пособие - заметки электроники» .
- ^ Патент США 2 025,158
- ^ Патент США 1 855 576
- ^ Справочное руководство по программисту Commodore, стр. 463
- ^ «Синтезаторы, часть 11: амплитудная модуляция» .
- ^ Хэмиш Мейкл (2008). Современные радиолокационные системы . Artech House. п. 336. ISBN 978-1-59693-243-2 .
- ^ Абхишек Ядав (2008). Аналоговая система связи . СМИ брандмауэра. п. 83. ISBN 978-81-318-0319-6 .
- ^ TG Thomas S Chandra Sekhar (2005). Теория общения . Tata McGraw-Hill Education. п. 37. ISBN 978-0-07-059091-5 .
- ^ Ребекка Пав (июль 2011 г.), «Харальд Боде - короткая биография» , Econtact! , 13 (4), канадское электроакустическое сообщество
- ^ «Melochord» (1947–9) » , онлайн -клавиатура , архивирована из оригинала 14 ноября 2007 года (описание и история)
- ^ Werner Meyer-Eppler, Electronic Sound Generation: электронная музыка и синтетический язык , (Bonn: Ferdinand Dümmlers, 1949)
- ^ Jump up to: а беременный Коллинз, Ник (2010). Введение в компьютерную музыку , с. 124-125. Джон Уайли и сыновья. ISBN 9780470714553 .
- ^ Ludger Brümmer, "Stockhausen On Electronics, 2004", Computer Music Journal 32, №. 4 (2008): 10–16.
- ^ Карлхейнс Стокхаузен, «Электроакустическая практика исполнения», перевод Джерома Коля , перспективы новой музыки 34, нет. 1 (зима, 1996): 74–105. Цитата на 89.
- ^ Karlheinz Stockhausen, «Введение»/«Введение», английский перевод Сюзанны Стивенс , в буклетном буклете, снимающемся с Карлхейнцем Стокхаузен, Licht Pictures (3-я сцена с воскресенья) , 2-CD Set, Stockhausen Complete Edition/Complete Edition 68a- (Kürten). : Stockhausen-Verlag, 2005): 10 и 51
- ^ Джереми Бентам (1986), Доктор Кто: Ранние годы , (Лондон: WH Allen & Co. , 1986), с. 127, ISBN 0-491-03612-4
- ^ Харальд Боде - жизнь для звука (PDF) , Harald Bode News , извлечен 27 января 2011 г.
- ^ Харальд Боде, «Дизайн европейского электронного музыкального инструмента», журнал Общества аудиоинженерности 9 (1961): 267.
- ^ Том Рея (21 марта 2011 г.), Биография Харальда Боде , (Нью -Йорк: Экспериментальный телевизионный центр Ltd, 2004), архивировано с оригинала 19 июля 2011 г.
- ^ Электронные музыкальные инструменты Buchla - гисторический обзор Buchla & Associates , извлеченные 27 января 2011 г.
- ^ Томас Э. Оберхайм, «Устройство модулятора кольца для исполнительского музыканта» , AES Convention 38 (май 1970 г.) , № 708 (G-4).
- ^ «Сессионная стенограмма: Том Оберхайм» , Music Academy Red Bull Barcelona 2008
- ^ Музыкальный модулятор Oberheim (фото). Edison Music Corporation.
- ^ Модулятор кольца Maestro RM-1A , база данных эффектов Discofreq
- ^ Trzaskowski, Andrzej (1976). Джазовый форум: Журнал Международной федерации джаза : 74.
Большинство выборов хранятся в рок-джазовом климате, а курс ритма время от времени прерывается переполненным участком накопленных слоев электронных и ударных эффектов (тема от Джека Джонсон, прелюдия). Фактически, электронные эффекты неоднократно появляются в форме «брюистических» шиповников и измельчиний синти, напоминающих гудную пилу, и гитары, управляемой модулятором кольца.
{{cite journal}}
: Отсутствует или пусто|title=
( помощь ) - ^ "Лорд Всемогущий" . Клавиатура . 24 1998 . Получено 21 января 2016 года .
- ^ «Интервью с Джоном Лордом» . Современная клавиатура . Январь 1989 . Получено 21 января 2015 года .
- ^ Ян Абрахамс (2004). Hawkwind: Sonic Assassins . SAF Publishing. п. 20. ISBN 9780946719693 .
- ^ "Vangelis - Beaubourg " Синттопия 7 Усилия 2003 . Отступление 26 августа
- ^ Макдональд, Стивен. "Vangelis - Beaubourg" . Allmusic . Получено 26 августа 2022 года .
- ^ Zölzer, Udo; редакция (2002). DAFX - цифровые аудиоэффекты , с.76-7. Джон Уайли и сыновья. ISBN 9780471490784 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Скотт Леман. «Эффекты объяснены: кольцевая модуляция» . Гармония Центральная. Архивировано из оригинала 1 декабря 2005 года.