Кіріспе
Электроникада сақиналық модуляция – сигналды өңдеу функциясы, екі сигналдың бірігіп шығыс сигналын беретін жиілік араластырудың іске асырылуы. Тасымалдауыш деп аталатын бір сигнал әдетте синустық толқын немесе басқа қарапайым толқын формасы болып табылады; екінші сигнал әдетте күрделірек және кіріс немесе модулятор сигналы деп аталады. Сақина модуляторы – сақиналық модуляцияны іске асыратын электрондық құрылғы. Сақина модуляторы музыка синтезаторларында және эффекттер блогы ретінде қолданылуы мүмкін. Атауының пайда болуының себебі – бастапқыда осы техниканы іске асыру үшін қолданылатын диодтардың аналогтық схемасы сақина пішінінде болады: диодтық сақина. Сұлба көпірлік түзеткішке ұқсас, бірақ диодтар солға немесе оңға қарағаннан гөрі, сағат тілімен немесе сағат тіліне қарсы бағытта қаратылады. Сақиналық модуляция амплитудалық модуляцияға өте ұқсас, айырмашылығы сонда, соңғысында модулятор тасымалдауышпен көбейтілгенге дейін оңға жылдырылады, ал біріншісінде жылдырылмаған модулятор тасымалдауышпен көбейтіледі. Бұл 1500 Гц және 400 Гц жиіліктеріндегі екі синустық толқынның сақиналық модуляциясы шығыс сигналы ретінде 1900 Гц жиілігіндегі синустық толқынның және 1100 Гц жиілігіндегі синустық толқынның қосындысын береді. Бұл екі шығыс жиілігі бүйірлік жолақтар деп аталады. Егер кіріс сигналдарының бірі маңызды гармоникалықтарға ие болса (мысалы, тіктөртбұрышты толқындар үшін), шығыс мүлдем басқаша естіледі, себебі әр гармоника өзінің гармониялық байланысы жоқ екі бүйірлік жолағын тудырады.
In electronics, ring modulation is a signal processing function, an implementation of frequency mixing, in which two signals are combined to yield an output signal. One signal, called the carrier, is typically a sine wave or another simple waveform; the other signal is typically more complicated and is called the input or the modulator signal. A ring modulator is an electronic device for ring modulation. A ring modulator may be used in music synthesizers and as an effects unit. The name derives from the fact that the analog circuit of diodes originally used to implement this technique takes the shape of a ring: a diode ring. The circuit is similar to a bridge rectifier, except that instead of the diodes facing left or right, they face clockwise or counterclockwise. Ring modulation is quite similar to amplitude modulation, with the difference that in the latter the modulator is shifted to be positive before being multiplied with the carrier, while in the former the unshifted modulator is multiplied with the carrier. This has the effect that ring modulation of two sine waves having frequencies of 1,500 Hz and 400 Hz will produce as output signal the sum of a sine wave with frequency 1,900 Hz and one with frequency 1,100 Hz. These two output frequencies are known as sidebands. If one of the input signals has significant overtones (which is the case for square waves), the output will sound quite different, since each harmonic will generate its own pair of sidebands that won't be harmonically related.
Тарих
Сақиналық модуляторды 1934 жылы Фрэнк А. Коуэн ойлап тапты және 1935 жылы Белл зертханасындағы Клайд Р. Киттің өнертабысын жетілдіру ретінде патент алды. Бастапқы қолданысы – телефон кабельдері арқылы бірнеше дауыстық сигналдарды тарату үшін жиіліктік бөлу мультиплекстеуі саласындағы аналогтық телефония болды. Кейіннен ол дауысты кернеуге айналдыру, радио трансиверлер және электрондық музыка сияқты көптеген қолдануларға қолданылды. Алғашқы Коуэн патенті төрт диодтан тұратын сақиналы схеманы сипаттаса, кейінірек FET-тер коммутациялық элементтер ретінде пайдаланылды.
Сұлбаның сипаттамасы
Сақиналы модулятор кіріс сатысы, тасымалдаушы сигналмен қоздырылатын төрт диодтан тұратын сақина және шығыс сатысынан тұрады. Кіріс және шығыс сатылары әдетте диодтық сақинаға қарай орталық ұшы бар трансформаторларды қамтиды. Диодтық сақина көптеген жағдайларда толықтұғышқа (выпрямитель) ұқсас болғанымен, сақиналық модулятордағы барлық диодтар бірдей сағат тілі бойынша немесе сағат тіліне қарсы бағытта орналасқанын атап өту маңызды. (Жоғары оң жақтағы сақиналы модулятордың схемасын қараңыз.) Тасымалдаушы оң және теріс ток арасында кезектесіп отырады, әрбір сәтте бір жұп диодты өткізеді, ал екінші жұпты кері бұрады. Өткізгіш жұп сол трансформатордың екінші жағынан сигналды оң жақтағы трансформатордың бірінші жағына жеткізеді. Егер сол жақ тасымалдаушы ұшы оң болса, жоғарғы және төменгі диодтар өткізеді. Егер ол ұш теріс болса, бүйірлік диодтар өткізеді, бірақ трансформаторлар арасында полярлық инверсия тудырады. Бұл әрекет кері байланысқа қосылған DPDT (қос полюсті, қос лақтырылатын) қосқышқа ұқсас. Сақиналы модулятордың ерекшеліктерінің бірі – оның екі бағытты болуы: сигнал ағыны кері қайтарылуы мүмкін, бұл бір тасымалдаушымен бірдей схеманы модулятор немесе демодулятор ретінде пайдалануға мүмкіндік береді, мысалы, төмен бағалы радио қабылдағыш-бергіштерде.
Сақиналық модуляцияның интегралды схемалық әдістері
Кейбір заманауи сақиналы модуляторлар цифрлық сигнал өңдеу әдістерін қолданып, уақыт доменіндегі сигналдарды көбейту арқылы іске асырылады, нәтижесінде дерлік мінсіз сигнал шығысы алынады. Интермодуляциялық өнімдерді екі кіріс толқын пішінінің жиілігін мұқият таңдау және өзгерту арқылы жасауға болады. Егер сигналдар цифрлық түрде өңделсе, жиілік доменіндегі конволюция шеңберлік конволюцияға айналады. Егер сигналдар кең жолақты болса, бұл алиасинг бұрмалануына себеп болады, сондықтан сақиналық модуляциядан бұрын сигналдарды үлкейту немесе төмен өткізгіш сүзгіден өткізу жиі кездеседі. Commodore 64 құрылғысындағы SID чипі үшбұрышты толқындарды сақиналық модуляциялауға мүмкіндік береді. 1-осциллятор 3-осциллятордың жиілігімен модуляцияланады, 2-осциллятор 1-осциллятордың жиілігімен, ал 3-осциллятор 2-осциллятордың жиілігімен модуляцияланады. Егер генераторлық осциллятор үшбұрышты толқынды шығаруға орнатылмаса, сақиналық модуляция мүмкін емес, бірақ модуляциялық осциллятор қол жетімді кез келген толқын пішінін шығаруға орнатылуы мүмкін. Дегенмен, модуляциялық осцилляторға қандай толқын пішінін орнатсаңыз да, сақиналық модуляция әрқашан үшбұрышты толқынды шаршы толқынмен модуляциялау эффектін береді. ARP Odyssey синтезаторларында (сондай-ақ сол дәуірдегі басқа да бірнеше синтезаторларда) сақиналық модулятор – бұл екі осциллятордың шаршы толқын шығыстарымен қуатталатын XOR функциясы (төрт NAND қақпасынан құралған). Шаршы немесе импульстік толқын сигналдарының шектеулі жағдайы үшін бұл нағыз сақиналық модуляциямен бірдей. Аналогты көбейтуші интегралдық схемалар (мысалы, Analog Devices компаниясы жасағандар) сақиналық модуляторлар ретінде жұмыс істейді, әрине, олардың жұмыс шектері мен масштаб факторлары сияқты мәселелерді ескере отырып. Көбейтуші интегралдық схемаларды пайдалану модуляция өнімдерінің кіріс жиіліктерінің қосындысы мен айырмасына (егер тізбек артық жүктелмесе) көбінесе шектеледі дегенді білдіреді, түзеткіш тізбегінің әлдеқайда күрделі өнімдерінен гөрі.
Шектеулер
Тасымалдаушының кез келген тұрақты ток компоненті тасымалдаушыны басуды нашарлатады, сондықтан радио қолданбаларында тасымалдаушы әдетте трансформатор немесе конденсатор арқылы жалғастырылады; төмен жиілікті (мысалы, аудио) қолданбаларда тасымалдаушы шығыста болуы немесе болмауы мүмкін. Диодтар мен трансформаторлардағы қателіктер екі кіріс сигналынан туындаған бұрмалауларды (артефакттарды) құрады. Іс жүзіндегі сақиналы модуляторларда, бұл ағып кетуді қарама-қарсы тепе-теңсіздіктерді (мысалы, өзгермелі резисторлар немесе конденсаторлар) енгізу арқылы азайтуға болады.
Радиобайланыс
Сақиналық модуляция радиоқабылдағыштарда кеңінен қолданылған, мысалы, FM стерео сигналын демодуляциялау үшін, сондай-ақ ұялы телефондар мен сымсыз желілер жүйелеріндегі микротолқынды гетеродиндерлеу үшін. Осы жағдайда схема кейде сақиналық демодулятор деп аталады, ол мүмкін болатын көптеген шоперлік схемалардың бірі. Шындығында, Стокгаузеннің бірнеше толық шығармалары оған негізделген, мысалы, оркестр мен тікелей электроникаға арналған алғашқы шығармалардың бірі – Mixtur (1964), хор дауыстарының дыбыстары Хаммонд органымен модуляцияланған Mikrophonie II (1965), Mantra (1970).
Аналогты телефон жүйелері
Сақиналы модулятордың алғашқы қолданылуы бірнеше аналогты телефон дауыстық арналарын жиілікті бөлу мультиплексі арқылы бір кабельде тасымалдау үшін бір кең жолақты сигналға біріктіру болды. Арналарды әртүрлі жиіліктерге тағайындау үшін тасымалдаушы толқын және сүзгімен бірге сақиналы модулятор қолданылды. Аналогты телефон арналарын қорғауға жасалған алғашқы тыраздамалар аудио сөйлеу сигналдарының спектрін өзгерту үшін сақиналы модуляторларды пайдаланды. Бір қолданылуы – спектрлік инверсия, көбінесе сөйлеу үшін; тасымалдаушы жиілік ең жоғары сөйлеу жиіліктерінен жоғарырақ таңдалады (мысалы, 3 кГц тасымалдаушы үшін 3 кГц төмен өткізгіш сүзгісінен өтеді), ал модулятордан алынған жиынтық жиіліктер қосымша төмен өткізгіш сүзгілеу арқылы жойылады. Қалған айырмашылық жиіліктері инверттік спектрге ие: жоғары жиіліктер төмен болады, ал төмен жиіліктер жоғары болады.