Введение

Функция частотного смешения в обработке сигналов

В электронике кольцевая модуляция — это функция обработки сигнала, являющаяся реализацией частотного смешения, в которой два сигнала объединяются для получения выходного сигнала. Один сигнал, называемый несущей, обычно представляет собой синусоидальную волну или другую простую форму волны; другой сигнал обычно более сложен и называется входным или модулирующим сигналом. Кольцевой модулятор — это электронное устройство для кольцевой модуляции. Кольцевой модулятор может использоваться в музыкальных синтезаторах и в качестве звукового эффекта. Название происходит от того, что аналоговая схема диодов, первоначально использовавшаяся для реализации этой техники, имеет форму кольца: диодного кольца. Схема аналогична мостовому выпрямителю, за исключением того, что диоды направлены по часовой стрелке или против часовой стрелки, а не влево или вправо. Кольцевая модуляция очень похожа на амплитудную модуляцию, с той разницей, что в последней модулятор смещается в положительную область перед умножением на несущую, в то время как в первой не смещенный модулятор умножается на несущую. Это приводит к тому, что кольцевая модуляция двух синусоидальных волн с частотами 1500 Гц и 400 Гц в качестве выходного сигнала создаст сумму синусоидальной волны с частотой 1900 Гц и волны с частотой 1100 Гц. Эти две выходные частоты известны как боковые полосы. Если один из входных сигналов содержит значительные обертоны (что характерно для прямоугольных волн), выходной сигнал будет звучать совершенно иначе, поскольку каждая гармоника будет генерировать свою собственную пару боковых полос, которые не будут гармонически связаны.

История

Кольцевой модулятор был изобретен Фрэнком А. Коуэном в 1934 году и запатентован в 1935 году как усовершенствование изобретения Клайда Р. Кита, разработанного в лабораториях Белл. Первоначально он предназначался для использования в аналоговой телефонии в системах частотного мультиплексирования для передачи нескольких речевых сигналов по телефонным линиям. Позднее его стали применять в более широком спектре областей, таких как инвертирование голоса, радиоприемники и передатчики, а также электронная музыка. В то время как оригинальный патент Коуэна описывает схему с кольцом из четырех диодов, в более поздних реализациях в качестве переключающих элементов стали использовать полевые транзисторы.

Описание схемы

Кольцевой модулятор состоит из входной ступени, кольца из четырех диодов, возбуждаемых несущим сигналом, и выходной ступени. Входные и выходные ступени обычно включают трансформаторы с центральными отводами, направленными к кольцу диодов. Важно отметить, что, хотя кольцо диодов имеет некоторое сходство с мостовым выпрямителем, все диоды в кольцевом модуляторе направлены в одном и том же направлении – по часовой стрелке или против часовой стрелки. (См. схему кольцевого модулятора в правом верхнем углу.) Несущий сигнал, попеременно изменяя полярность, в каждый момент времени открывает одну пару диодов и запирает другую. Открытая пара передает сигнал от вторичной обмотки левого трансформатора на первичную обмотку правого трансформатора. Если левый вывод несущего сигнала положительный, проводят верхний и нижний диоды. Если этот вывод отрицательный, то проводят боковые диоды, но при этом происходит инверсия полярности между трансформаторами. Этот принцип работы аналогичен работе переключателя DPDT (с двойным переключением полюсов), настроенного на изменение полярности соединения. Особая элегантность кольцевого модулятора заключается в его двунаправленности: направление сигнала можно изменить, что позволяет использовать одну и ту же схему с одним и тем же несущим сигналом в качестве модулятора или демодулятора, например, в недорогих радиоприемниках-передатчиках.

Методы модуляции кольца в интегральных схемах

Некоторые современные кольцевые модуляторы реализуются с использованием технологий цифровой обработки сигналов путем простого умножения сигналов во временной области, создавая почти идеальный выходной сигнал. Продукты интермодуляции могут быть получены путем тщательного выбора и изменения частоты двух входных сигналов. Если сигналы обрабатываются цифровым способом, частотная свертка превращается в циклическую свертку. Если сигналы широкополосные, это вызовет эффект наложения спектров (алиасинга), поэтому обычно применяют повышение частоты дискретизации или фильтрацию нижних частот перед кольцевой модуляцией. Чип SID, используемый в Commodore 64, позволяет осуществлять кольцевую модуляцию треугольных волн. Осциллятор 1 модулируется частотой осциллятора 3, осциллятор 2 – частотой осциллятора 1, а осциллятор 3 – частотой осциллятора 2. Кольцевая модуляция отключена, если генератор несущей частоты не настроен на генерацию треугольной волны, однако модулирующий осциллятор может быть настроен на генерацию любой из доступных ему форм волны. Однако, независимо от выбранной формы волны для модулирующего осциллятора, кольцевая модуляция всегда будет эквивалентна модуляции треугольной волны квадратной волной. В синтезаторе ARP Odyssey (и в нескольких других моделях той эпохи) кольцевой модулятор реализован как функция XOR (состоящая из четырех элементов NAND), питаемая от выходов квадратных волн двух осцилляторов. В ограниченном случае сигналов прямоугольной или импульсной формы это идентично настоящей кольцевой модуляции. Аналоговые умножители (например, производства Analog Devices) также могут использоваться в качестве кольцевых модуляторов, с учетом их рабочих ограничений и коэффициентов масштабирования. Использование умножителей означает, что продукты модуляции в основном ограничиваются суммой и разностью частот входных сигналов (если схема не перегружена), а не более сложными продуктами, возникающими в выпрямительной схеме.

Ограничения

Любая составляющая постоянного тока в несущей ухудшает подавление несущей, поэтому в радиоприложениях несущая обычно гальванически развязана с помощью трансформатора или конденсатора. В низкочастотных (например, аудио) приложениях несущая может быть как желательной, так и нежелательной в выходном сигнале. Несовершенства в диодах и трансформаторах приводят к появлению артефактов, обусловленных двумя входными сигналами. В практических кольцевых модуляторах эту утечку можно уменьшить, вводя встречные небалансы (например, с помощью переменных резисторов или конденсаторов).

Радиокоммуникации

Кольцевая модуляция также широко используется в радиоприемниках, например, для демодуляции FM-стереосигнала и гетеродинирования микроволновых сигналов в системах мобильной связи и беспроводных сетей. В этом случае схему иногда называют кольцевым демодулятором, одним из множества возможных импульсных схем. Действительно, несколько целых композиций Стокгаузена основаны на ней, таких 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),

Аналоговые телефонные системы

Ранним применением кольцевого модулятора было объединение нескольких аналоговых телефонных голосовых каналов в один широкополосный сигнал для передачи по одному кабелю с использованием частотного мультиплексирования. Кольцевой модулятор в сочетании с несущей волной и фильтром использовался для присвоения каналам различных частот. Ранние попытки обеспечения безопасности аналоговых телефонных каналов использовали кольцевые модуляторы для изменения спектра звуковых речевых сигналов. Одним из применений является спектральная инверсия, как правило, речи; несущая частота выбирается выше максимальной частоты речи (которая фильтруется нижними частотами, например, 3 кГц, при несущей частоте, возможно, 3,3 кГц), а суммарные частоты, генерируемые модулятором, отфильтровываются дополнительной фильтрацией нижних частот. Оставшиеся разностные частоты имеют инвертированный спектр: высокие частоты становятся низкими и наоборот.