環調製

在電子設備中,環調製是一個信號處理函數,是頻率混合的實現,其中兩個信號合併以產生輸出信號。一個稱為載體的信號通常是正弦波或另一個簡單波形。另一個信號通常更複雜,稱為輸入或調製器信號。環調製器是用於環調製的電子設備。環形調節器可以用於音樂合成器和效果單元。
該名稱來自以下事實:最初用於實現此技術的二極管的模擬電路採用環的形狀:二極管環。該電路類似於橋樑整流器,除了它們不是面向左右的二極管,它們會順時針或逆時針方向。
環調製與振幅調製非常相似,差異是,在後者中,調製器在與載體乘以乘坐之前是正變為正的,而在前者中,未降低的調製器與載體相乘。這具有兩個正弦波的環調製,其頻率為1,500 Hz和400 Hz的頻率將作為輸出信號,其頻率為1,900 Hz的正弦波和一個頻率為1,100 Hz。這兩個輸出頻率稱為邊帶。如果其中一個輸入信號具有明顯的泛音(方波是這種情況),則輸出聽起來會大不相同,因為每個諧波都會生成自己的一對側帶,而這些邊帶不會與和諧相關。
手術
通過表示載體信號 ,調製器信號
以及輸出信號
(在哪裡
表示時間),戒指調製由公式描述



如果和
是帶有頻率的正弦波
和
,分別
將是兩個(相移)正弦波的總和,頻率之一
還有另一個頻率
。這是三角身份的結果
因此,環調節器輸出了每個波形中存在的頻率的總和和差。環調製過程產生富含部分的信號。同樣,載體和傳入信號都不是在輸出中突出的,理想情況下根本不存在。
兩個振盪器的頻率在諧音上相關並相互調製,它們會產生仍然符合音符的諧波部分的聲音,但包含截然不同的光譜構成。當振盪器的頻率與和諧相關時,環調製會產生非甲元,通常會產生類似鐘形的金屬聲音。
如果載體信號是頻率的平方波 ,其傅立葉擴展包含基本和一系列減少振幅奇數諧波:
和載體頻率至少是調製信號的最大頻率的兩倍
,然後由此產生的輸出是一系列的重複項
在頻譜的增加區域。例如,讓
代表100 Hz的正弦波和載體
在300 Hz處成為理想的方波。然後,根據載波方形波的傅立葉膨脹,輸出將包括100±300 Hz,100±900 Hz,100±1500 Hz,100±1500 Hz,100±2100 Hz等的正弦波。如果載波頻率小於信號的上部頻率的兩倍,則所得的輸出信號包含來自信號和載體組合在時域中的光譜成分。
由於輸出既不包含單個調製器或載波組件,因此據說環形調製器是雙平衡的混合器,在該調製器中,兩個輸入信號都被抑制了(在輸出中不存在) - 輸出完全由產品總和組成。兩個輸入的頻率組件。
歷史
環形調節器是由弗蘭克·科恩(Frank A. Cowan)於1934年發明的,並於1935年獲得專利,以改善貝爾實驗室的克萊德·凱思(Clyde R. Keith)的發明。原始應用程序是在模擬電話領域,用於頻道多路復用,用於將多個語音信號載在電話電纜上。此後,它已應用於更廣泛的用途,例如語音倒置,無線電收發器和電子音樂。
雖然原始的Cowan專利描述了一個帶有四個二極管的環的電路,但後來的實現將FET作為開關元素。
電路描述
環調製器包括一個輸入階段,一個由載體信號激發的四個二極管的環和一個輸出階段。輸入和輸出階段通常包括朝向二極管環的中心敲擊的變壓器。重要的是要注意,儘管二極管環與橋樑整流器具有一定的相似性,但在同一順時針或逆時針方向上,環調製器中的二極管均具有相似之處。 (請參閱右上角的環形調製器的示意圖。)
在任何給定時間,載體在正電流和負電流之間交替,使一對二極管導致一對,並反向另一對。導電對將信號從左側的左側變壓器傳遞到右側的變壓器的初級。如果左載載端為正,則頂部和底部二極管進行。如果該端子為負,則側二極管會導致,但會在變壓器之間產生極性反轉。此操作與DPDT (雙極,雙擲)開關的操作非常類似於連接的連接。
環調製器的特殊優雅性是它是雙向的:可以逆轉信號流,從而允許使用相同載體用作調節器或解調器的相同電路,例如在低成本無線電收發器中。
環調製的集成電路方法
一些現代環形調節器是使用數字信號處理技術實現的,只需將時域信號乘以即可,產生了幾乎完美的信號輸出。可以通過仔細選擇和更改兩個輸入波形的頻率來生成交換產物。如果信號通過數字處理處理,則頻域卷積將變為圓形卷積。如果信號是寬帶,這將導致混疊失真,因此在環調製之前過濾操作或低通濾波器是通常的。
Commodore 64中發現的SID芯片允許調節三角形波。振盪器1通過振盪器3的頻率,振盪器2的頻率調節,振盪器1和振盪器3通過振盪器2的頻率進行調節。除非設置了載波振盪器來產生三角形波,否則將禁用環形調製,但是可以將調製振盪器設置為生成其任何可用波形。但是,無論您將調製振盪器設置為哪個波形,環調製始終都會具有用方波調節三角波的效果。
在ARP Odyssey合成器(以及該時代的其他一些)上,環調節器是從兩個振盪器的方波輸出中饋出的XOR函數(由四個NAND大門形成)。對於有限的正方形或脈衝波信號情況,這與真實的環調製相同。
當然,對於它們的操作限制和比例因素,當然,模擬乘數IC(例如由模擬設備製造的IC)可以作為環調節器起作用。乘數IC的使用意味著調製產物在很大程度上僅限於輸入的總和和差異頻率(除非電路超驅動),而不是整流器電路的複雜產物。
限制
載體的任何DC組件都會降解載體的抑制,因此在無線電應用中,載體通常是變壓器或電容器耦合的;在低頻(例如音頻)應用中,載體可能在輸出中可能不需要或不需要。
二極管和變壓器中的缺陷引入了兩個輸入信號的偽影。在實用的環形調節器中,可以通過引入相反的失衡(例如,可變電阻器或電容器)來減少這種洩漏。
申請
無線電通信
RING調製也已在無線電接收器中廣泛使用,例如,以解碼FM立體聲信號,以及移動電話和無線網絡系統中的雜尼微波信號。在這種情況下,該電路有時稱為環解調器,這是許多可能的斬波電路之一。環形調製器可用於生成無線電傳輸中使用的雙層抑制載波(DSB-SC)波。
音樂和聲音效果
Harald Bode建造的Melochord (1947)是使用環調製器的最早樂器之一。它是帶有腳控制器的兩色調旋律鍵盤儀器,後來添加了第二個用於音色控制的鍵盤,具有白色噪聲發電機,信封控制器,共振磁體過濾器和諧波調節器,以進行諧波。沃納·邁耶·埃普勒(Werner Meyer-Eppler)在波恩大學電子音樂工作室的早期就廣泛使用了早期的美感。邁耶·埃普勒(Meyer-Eppler)在1949年出版的書中提到了《戒指調製器的音樂應用》。
Meyer-Eppler的學生Karlheinz Stockhausen在1956年在GesangderJünglinge中使用了Ring Rodulation,他對Telemusik (1966)的實現得分也呼籲。確實,斯托克豪森(Stockhausen)的幾個整個作品都圍繞著它,例如Mixtur (1964),這是管弦樂隊和現場電子產品的首批組成之一。 Mikrophonie II (1965),其中合唱聲音的聲音被Hammond器官調節; Mantra (1970),其中兩個鋼琴的聲音通過戒指調節器路由;和Licht-Bilder (2002)來自Sonntag Aus Licht (2003),它響起了長笛和小號。其他採用環調製的Stockhausen作品包括Kontakte (1960), Mikrophonie I (1964), Hymnen (1969), Prozession (1967)和Kurzwellen (1968)。
環形調節器是路易斯(Louis)和貝貝·巴倫(Bebe Barron)的電影《禁忌星球》(Forbidden Planet )(1956)中使用的主要組成部分。 BBC Radiophonic研討會的Brian Hodgson在電視連續劇Who中創造了Daleks的獨特聲音,從1963年開始,BBC Radiophonic Workshop的Brian Hodgson的使用可能是它的使用,這是環形調節器的最著名應用之一。
專門用於音樂的產品之一是Harald Bode於1961年開發的Bode Ring調製器。同樣在1964年,他開發了Bode頻率變速桿,該變速桿通過消除側帶來產生更清晰的聲音。這些設備設計為由電壓控制,與他還主張的模塊化合成器結構兼容,並且這些模塊獲得了啟動的Moog模塊化合成器的許可,始於1963 - 1964年。 1963年,唐·布赫拉(Don Buchla)在他的第一個模塊化合成器中包括一個可選的環調製器,即Model 100 。湯姆·奧伯海姆(Tom Oberheim)也在1960年代後期為他的音樂家朋友建立了一個戒指調製器,它成為了Oberheim Electronics Music Modulator和Maestro Ring調製器的起源,這是吉他手最早的戒指調製器效果產品之一。 EMS VCS3 , Synthi A , ARP 2600 , Odyssey , Rhodes Chroma和Yamaha CS-80合成器也具有內置環形調節器。
約翰·麥克勞克林(John McLaughlin)在1974年的Mahavishnu樂團專輯《 Emerald Exewer》(Every of the Emerald of Beyond)中大量採用了戒指調製器,尤其是在“地球回家的路上”的曲目中。在邁爾斯·戴維斯(Miles Davis)的1975年現場專輯阿格哈塔( Agharta)上,吉他手皮特·科西(Pete Cosey)播放了他通過戒指調製器播放的聲音。深紫色的喬恩·洛德(Jon Lord在樂隊期間(1969-1973)期間的主要樂器。
Vangelis與他的Yamaha CS-80一起使用了環形調製器,即興創作了他1978年的前衛 - 實驗專輯Beaubourg 。專輯中的音樂通常是根據力的,環形調節器將合成器的聲音轉換為複雜的金屬音色。它仍然是藝術家最初發布的作品,評論家稱其為“最充分的聆聽”。
Luciano Berio的《 Ofanim》 (1988/1997)中使用了戒指調製,在第一部分中,需要將兒童聲音轉換為單簧管的孩子的聲音。音高探測器計算瞬時頻率聲音。然後,孩子的聲音穿過環形調製器,載體的頻率
被設定為
。在這種情況下,奇怪的諧波佔上風,類似於低寄存器中單簧管的聲音。”
模擬電話系統
環形調節器的早期應用是將多個模擬電話語音通道組合到單個寬帶信號中,使用頻段多路復用攜帶在單個電纜上。與載波和濾波器結合使用的環調製器用於將通道分配給不同的頻率。
早期嘗試確保模擬電話通道的嘗試使用環形調節器來修改音頻語音信號的頻譜。一種應用是光譜反轉,通常是語音。選擇一個載波頻率以高於最高的語音頻率(例如,低通濾波為3 kHz,對於可能為3.3 kHz的載體),並且通過更低通濾波來刪除調製器的總和頻率。剩餘的差異頻率具有倒數頻譜:高頻變低,反之亦然。