Modulación de anillo - Ring modulation

Diagrama esquemático de un modulador en anillo , que muestra el anillo de diodos
Un ejemplo de modulación en anillo en ondas sinusoidales de frecuencia (arriba) y (medio), que produce una variación en la amplitud de la frecuencia sinusoidal en (abajo)

En electrónica , la modulación en anillo es una función de procesamiento de señales , una implementación de mezcla de frecuencias , en la que dos señales se combinan para producir una señal de salida. Una señal, llamada portadora, es típicamente una onda sinusoidal u otra forma de onda simple ; la otra señal es típicamente más complicada y se llama señal de entrada o moduladora . Un modulador en anillo es un dispositivo electrónico para la modulación en anillo. Se puede utilizar un modulador en anillo en sintetizadores de música y como unidad de efectos .

El nombre deriva del hecho de que el circuito analógico de diodos utilizado originalmente para implementar esta técnica toma la forma de un anillo: un anillo de diodos . El circuito es similar a un puente rectificador , excepto que en lugar de los diodos orientados hacia la izquierda o hacia la derecha, están orientados hacia la derecha o hacia la izquierda.

La modulación en anillo es bastante similar a la modulación de amplitud , con la diferencia de que en la última el modulador se desplaza a positivo antes de multiplicarse por la portadora, mientras que en la primera el modulador no desplazado se multiplica por la portadora. Esto tiene el efecto de que la modulación en anillo de dos ondas sinusoidales con frecuencias de 1500 Hz y 400 Hz, digamos, producirá como señal de salida la suma de una onda sinusoidal con frecuencia de 1900 Hz y una con frecuencia de 1100 Hz. Estas dos frecuencias de salida se conocen como "bandas laterales". Si una de las señales originales fuera una onda cuadrada , la salida sería bastante diferente, ya que una onda cuadrada consiste en la suma de un número infinito de armónicos impares, y cada armónico generará su propio conjunto de bandas laterales.

Operación

Denotando la señal portadora por , la señal del modulador por y la señal de salida por (donde denota tiempo), la modulación en anillo se describe mediante la fórmula

Mezclador de frecuencia doble balanceado de alto nivel Mini-Circuitos SBL-1 con cuatro diodos Schottky. Nivel LO +7 dBm (1,41 V p-p ) y RF 1–500 MHz (ADE-1: 0,5–500 MHz)
Macro del ADE-1
Un ejemplo de modulación en anillo en una onda sinusoidal de frecuencia y una onda cuadrada de frecuencia , que da como resultado un sonido complejo utilizando FM analógica conocida como "recorte de diodos" o "chopper" RM, que produce una variación en la amplitud de la onda cuadrada. frecuencia en

Si y son ondas sinusoidales con frecuencias y , respectivamente, entonces será la suma de dos ondas sinusoidales (desfasadas), una de frecuencia y la otra de frecuencia . Esta es una consecuencia de la identidad trigonométrica

Alternativamente, se puede utilizar el hecho de que la multiplicación en el dominio del tiempo es lo mismo que la convolución en el dominio de la frecuencia .

Por tanto, los moduladores de anillo generan la suma y la diferencia de las frecuencias presentes en cada forma de onda. Este proceso de modulación en anillo produce una señal rica en parciales . Además, ni la portadora ni la señal entrante son prominentes en la salida e, idealmente, no están presentes en absoluto.

Dos osciladores, cuyas frecuencias estaban relacionadas armónicamente y moduladas en anillo entre sí, producen sonidos que aún se adhieren a los parciales armónicos de las notas, pero contienen una composición espectral muy diferente. Cuando las frecuencias de los osciladores no están relacionadas armónicamente, la modulación en anillo crea inarmónicos , a menudo produciendo sonidos de campana o metálicos.

Si la señal portadora es una onda cuadrada de frecuencia , cuya expansión de Fourier contiene el fundamental y una serie de armónicos impares de amplitud reductora :

y la frecuencia portadora es al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal moduladora , entonces la salida resultante es una serie de duplicados en regiones crecientes del espectro de frecuencias. Por ejemplo, represente una onda sinusoidal a 100 Hz y la portadora sea ​​una onda cuadrada ideal a 300 Hz. La salida incluirá entonces ondas sinusoidales a 100 ± 300 Hz, 100 ± 900 Hz, 100 ± 1500 Hz, 100 ± 2100 Hz, etc., a amplitudes decrecientes de acuerdo con la expansión de Fourier de la onda cuadrada portadora. Si la frecuencia de la portadora es menos del doble de la frecuencia superior de la señal, entonces la señal de salida resultante contiene componentes espectrales tanto de la señal como de la portadora que se combinan en el dominio del tiempo.

Debido a que la salida no contiene ni el modulador individual ni los componentes portadores, se dice que el modulador en anillo es un mezclador doble balanceado , donde ambas señales de entrada se suprimen (no están presentes en la salida); la salida se compone en su totalidad de la suma de los productos. de los componentes de frecuencia de las dos entradas.

Historia

El modulador de anillo fue inventado por Frank A. Cowan en 1934 y patentado en 1935 como una mejora de la invención de Clyde R. Keith en Bell Labs . La aplicación original estaba en el campo de la telefonía analógica para la multiplexación por división de frecuencia para transportar múltiples señales de voz a través de cables telefónicos. Desde entonces, se ha aplicado a una gama más amplia de usos, como inversión de voz , transceptores de radio y música electrónica .

Mientras que la patente original de Cowan describe un circuito con un anillo de cuatro diodos, implementaciones posteriores utilizaron FET como elementos de conmutación.

Descripción del circuito

El modulador en anillo incluye una etapa de entrada, un anillo de cuatro diodos excitados por una señal portadora y una etapa de salida. Las etapas de entrada y salida generalmente incluyen transformadores con tomas centrales hacia el anillo de diodos. Es importante tener en cuenta que, si bien el anillo de diodos tiene algunas similitudes con un puente rectificador, los diodos en un modulador en anillo apuntan todos en la misma dirección en sentido horario o antihorario. (Vea el esquema de un modulador en anillo en la esquina superior derecha).

La portadora, que alterna entre corriente positiva y negativa, en un momento dado hace que un par de diodos conduzca y polariza inversamente al otro par. El par conductor lleva la señal del secundario del transformador izquierdo al primario del transformador de la derecha. Si el terminal portador izquierdo es positivo, los diodos superior e inferior conducen. Si ese terminal es negativo, entonces los diodos laterales conducen, pero crean una inversión de polaridad entre los transformadores. Esta acción es muy parecida a la de un interruptor DPDT ( bipolar, doble tiro ) cableado para conexiones inversas.

Una elegancia particular del modulador en anillo es que es bidireccional: el flujo de la señal se puede invertir permitiendo que el mismo circuito con la misma portadora se utilice como modulador o demodulador , por ejemplo, en transceptores de radio de bajo costo.

Métodos de circuito integrado de modulación en anillo

Algunos moduladores de anillo modernos se implementan utilizando técnicas de procesamiento de señales digitales simplemente multiplicando las señales en el dominio del tiempo, produciendo una salida de señal casi perfecta. Los productos de intermodulación se pueden generar seleccionando y cambiando cuidadosamente la frecuencia de las dos formas de onda de entrada. Si las señales se procesan digitalmente, la convolución en el dominio de la frecuencia se convierte en una convolución circular . Si las señales son de banda ancha , esto provocará una distorsión de solapamiento , por lo que es común sobremuestrear la operación o filtrar las señales de paso bajo antes de la modulación en anillo.

El chip SID que se encuentra en el Commodore 64 permite modular las ondas triangulares . El oscilador 1 se modula por la frecuencia del oscilador 3, el oscilador 2 por la frecuencia del oscilador 1 y el oscilador 3 por la frecuencia del oscilador 2. La modulación en anillo está deshabilitada a menos que el oscilador portador esté configurado para producir una onda triangular, pero el oscilador modulador se puede configurar para generar cualquiera de sus formas de onda disponibles. Sin embargo, no importa en qué forma de onda establezca el oscilador de modulación, la modulación en anillo siempre tendrá el efecto de modular una onda triangular con una onda cuadrada.

En un sintetizador ARP Odyssey (y algunos otros de esa época también) el modulador en anillo es una función XOR (formada por cuatro puertas NAND ) alimentada por las salidas de onda cuadrada de los dos osciladores. Para el caso limitado de señales de onda cuadrada o de pulso, esto es idéntico a la modulación en anillo real.

Los circuitos integrados de multiplicadores analógicos (como los fabricados por Analog Devices) funcionarían como moduladores de anillo, por supuesto, con respecto a cuestiones como sus límites operativos y factores de escala. El uso de circuitos integrados multiplicadores significa que los productos de modulación se limitan en gran medida a la frecuencia de suma y diferencia de las entradas (a menos que el circuito esté saturado), en lugar de los productos mucho más complicados del circuito rectificador.

Limitaciones

Cualquier componente de CC de la portadora degradará la supresión de la portadora y, por tanto, en las aplicaciones de radio, la portadora está típicamente acoplada por transformador o condensador; en aplicaciones de baja frecuencia (por ejemplo, audio), la portadora puede o no ser deseada en la salida.

Las imperfecciones en los diodos y transformadores introducen artefactos en las dos señales de entrada. En los moduladores de anillo prácticos, esta fuga se puede reducir introduciendo desequilibrios opuestos ( por ejemplo , resistencias variables o condensadores).

Aplicaciones

Comunicaciones por radio

La modulación en anillo también se ha utilizado ampliamente en receptores de radio , por ejemplo, para demodular una señal estéreo de FM y señales de microondas heterodinas en teléfonos móviles y sistemas de redes inalámbricas. En este caso, el circuito a veces se denomina demodulador de anillo , uno de los muchos circuitos chopper posibles . Se puede utilizar un modulador en anillo para generar una onda portadora suprimida de doble banda lateral (DSB-SC) utilizada en la transmisión de radio.

Música y efectos de sonido.

Uno de los primeros instrumentos musicales que utilizaba un modulador de anillo fue el Melochord (1947) construido por Harald Bode . Era un instrumento de teclado de melodía de dos tonos con controladores de pie y luego se agregó un segundo teclado para el control del timbre, con un generador de ruido blanco, controlador de envolvente, filtros de formantes y moduladores de anillo para armónicos. El primer Melochord fue ampliamente utilizado por Werner Meyer-Eppler en los primeros días del estudio de música electrónica en la Universidad de Bonn . Meyer-Eppler mencionó la aplicación musical del modulador en anillo en su libro " Elektrische Klangerzeugung ", publicado en 1949.

El alumno de Meyer-Eppler, Karlheinz Stockhausen, utilizó la modulación en anillo en 1956 para algunos sonidos en Gesang der Jünglinge y su partitura de realización para Telemusik (1966) también lo requiere. De hecho, en torno a él se basan varias composiciones enteras de Stockhausen, como Mixtur (1964), una de las primeras composiciones para orquesta y electrónica en directo; Mikrophonie II (1965), donde los sonidos de las voces corales se modulan con un órgano Hammond ; Mantra (1970), donde los sonidos de dos pianos se enrutan a través de moduladores en anillo; y Licht-Bilder (2002) de Sonntag aus Licht (2003), que modula en anillo la flauta y la trompeta. Otras piezas de Stockhausen que emplean modulación en anillo incluyen Kontakte (1960), Mikrophonie I (1964), Hymnen (1969), Prozession (1967) y Kurzwellen (1968).

Un modulador en anillo fue el componente principal utilizado en la música de Louis y Bebe Barron para la película Forbidden Planet (1956). Una de las aplicaciones más conocidas del modulador en anillo puede ser su uso por Brian Hodgson del BBC Radiophonic Workshop para producir la voz distintiva de los Daleks en la serie de televisión Doctor Who , a partir de 1963.

Uno de los primeros productos dedicados a la música fue el Bode Ring Modulator desarrollado en 1961 por Harald Bode . También en 1964 desarrolló Bode Frequency Shifter, que producía un sonido más claro al eliminar una banda lateral. Estos dispositivos fueron diseñados para ser controlados por voltaje, compatibles con la arquitectura de sintetizador modular también defendida por él, y estos módulos fueron licenciados a RA Moog para sus sintetizadores modulares Moog iniciados en 1963-1964. En 1963, Don Buchla incluyó un modulador de anillo opcional en su primer sintetizador modular, el Modelo 100 . También Tom Oberheim construyó una unidad de modulador de anillo para su amigo músico a fines de la década de 1960, y se convirtió en el origen de Oberheim Electronics Music Modulator y Maestro Ring Modulator , uno de los primeros productos de efectos de modulador de anillo para guitarristas. Los sintetizadores EMS VCS3 , Synthi A , ARP 2600 , Odyssey , Rhodes Chroma y Yamaha CS-80 también presentaban moduladores de anillo incorporados.

John McLaughlin emplea fuertemente el modulador de anillo en el álbum de 1974 de la Mahavishnu Orchestra Visions of the Emerald Beyond Especialmente en la pista "On the Way Home to Earth". En el álbum en vivo Agharta de Miles Davis de 1975 , el guitarrista Pete Cosey ejecutó los sonidos que tocaba a través de un modulador de anillo. Deep Purple 's Jon Lord alimenta la señal de su Hammond a través de una unidad de Gibson modulador de anillo en vivo en el escenario, que describió en 1989. Miembro fundador de Hawkwind , Dik Mik, un confeso no es músico, utiliza un modulador en anillo como su instrumento principal durante su tiempo con la banda (1969-1973).

La modulación en anillo se utiliza en la pieza Ofanim (1988/1997) de Luciano Berio , y en el primer apartado se aplica a la voz de un niño y un clarinete : "Se deseaba la transformación de la voz del niño en un clarinete. Para ello se detector de tono calcula la frecuencia instantánea de la voz. Entonces la voz niño pasa a través de un modulador de anillo, donde la frecuencia de la portadora se establece en . en este caso armónicos impares prevalecen que es similar al sonido de un clarinete en el registro bajo. "

Sistemas telefónicos analógicos

Una de las primeras aplicaciones del modulador en anillo fue la combinación de múltiples canales telefónicos de voz analógicos en una sola señal de banda ancha para ser transportada en un solo cable usando multiplexación por división de frecuencia . Se utilizó un modulador en anillo en combinación con una onda portadora y un filtro para asignar canales a diferentes frecuencias.

Los primeros intentos de asegurar los canales telefónicos analógicos utilizaron moduladores de anillo para modificar el espectro de las señales de audio del habla. Una aplicación es la inversión espectral, típicamente del habla; se elige una frecuencia portadora para que esté por encima de las frecuencias de voz más altas (que se filtran en paso bajo a, digamos, 3 kHz, para una portadora de quizás 3,3 kHz), y las frecuencias de suma del modulador se eliminan mediante un filtrado de paso bajo . Las frecuencias de diferencia restantes tienen un espectro invertido: las frecuencias altas se vuelven bajas y viceversa.

Ver también

Referencias

enlaces externos