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Modulación de anillo

Diagrama esquemático de un modulador de anillo , que muestra el anillo de diodos. Un ejemplo de modulación en anillo sobre ondas sinusoidales de frecuencia F {\displaystyle f} (...

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Diagrama esquemático de un modulador de anillo , que muestra el anillo de diodos.
Un ejemplo de modulación en anillo sobre ondas sinusoidales de frecuenciaF{\displaystyle f}(arriba) y12F{\displaystyle 12f}(medio), produciendo una variación en la amplitud de la frecuencia similar a una onda sinusoidal en12F{\displaystyle 12f}(abajo) [ 1 ]

En electrónica , la modulación en anillo es una función de procesamiento de señales , una implementación de la mezcla de frecuencias , en la que se combinan dos señales para producir una señal de salida. Una de las señales, llamada portadora, suele ser una onda sinusoidal u otra forma de onda simple ; la otra señal suele ser más compleja y se denomina señal de entrada o moduladora .

El modulador de anillo toma su nombre de la implementación original en la que el circuito analógico de diodos toma la forma de un anillo, un anillo de diodos . [ 2 ] El circuito es similar a un rectificador de puente , excepto que los cuatro diodos están polarizados en la misma dirección.

La modulación en anillo es similar a la modulación de amplitud , con la diferencia de que en esta última el modulador se desplaza a positivo antes de multiplicarse por la portadora, mientras que en la primera la señal del modulador sin desplazar se multiplica por la portadora. Esto tiene como efecto que la modulación en anillo de dos ondas sinusoidales con frecuencias de 1500 y 400  Hz produzca una señal de salida que es la suma de una onda sinusoidal con frecuencia de 1900 Hz y otra con frecuencia de 1100 Hz. Estas dos frecuencias de salida se conocen como bandas laterales . Si una de las señales de entrada tiene armónicos significativos (como ocurre con las ondas cuadradas ), la salida suena bastante diferente, ya que cada armónico genera su propio par de bandas laterales que no están relacionadas armónicamente. [ 3 ]

Operación simplificada

Denotando la señal portadora pordo(t){\displaystyle c(t)}, la señal moduladora porincógnita(t){\displaystyle x(t)}y la señal de salida pory(t){\displaystyle y(t)}(dóndet{\displaystyle t}denota tiempo), la modulación del anillo se aproxima a la multiplicación :

y(t)=incógnita(t)do(t).{\displaystyle y(t)=x(t)\;c(t).}
Mezclador de frecuencia de alto nivel doblemente balanceado Mini-Circuits SBL-1 con cuatro diodos Schottky. Nivel de oscilador local +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 sobre una onda sinusoidal de frecuenciaF{\displaystyle f}y una onda cuadrada de frecuencia12F{\displaystyle 12f}, lo que resulta en un sonido complejo utilizando FM analógico conocido como recorte de diodo o RM de chopper , produciendo una variación en la amplitud de la frecuencia similar a una onda cuadrada en12F{\displaystyle 12f}[ 1 ]

Sido(t){\displaystyle c(t)}yincógnita(t){\displaystyle x(t)}son ondas sinusoidales con frecuenciasFdo{\displaystyle f_{c}}yFincógnita{\displaystyle f_{x}}, respectivamente, entoncesy(t){\displaystyle y(t)}es la suma de dos ondas sinusoidales ( desfasadas ), una de frecuenciaFdo+Fincógnita{\displaystyle f_{c}+f_{x}}y el otro de frecuenciaFdo−Fincógnita{\displaystyle f_{c}-f_{x}}Esto es consecuencia de la identidad trigonométrica :

pecado⁡(tú)pecado⁡(v)=12(porque⁡(tú−v)−porque⁡(tú+v)).{\displaystyle \sin(u)\,\sin(v)={\frac {1}{2}}\left(\cos(uv)-\cos(u+v)\right).}

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 .

Los moduladores de anillo generan la suma y la diferencia de las frecuencias presentes en cada forma de onda. Este proceso de modulación de anillo produce una señal rica en armónicos . Ni la portadora ni la señal de entrada destacan en la salida, e idealmente, no están presentes en absoluto.

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

Si la señal portadora es una onda cuadrada de frecuenciaFdo{\displaystyle f_{c}}, cuya expansión de Fourier contiene la fundamental y una serie de armónicos impares de amplitud decreciente :

do(t)=pecado⁡Fdot+13pecado⁡3Fdot+15pecado⁡5Fdot+17pecado⁡7Fdot+…{\displaystyle c(t)=\sin f_{c}t+{\frac {1}{3}}\sin 3f_{c}t+{\frac {1}{5}}\sin 5f_{c}t+{\frac {1}{7}}\sin 7f_{c}t+\ldots }

y la frecuencia portadoraFdo{\displaystyle f_{c}}es al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal moduladora.incógnita(t){\displaystyle x(t)}, entonces el resultado es una serie de duplicados deincógnita(t){\displaystyle x(t)}en regiones crecientes del espectro de frecuencias. [ 4 ] Por ejemplo, seaincógnita(t){\displaystyle x(t)}representa una onda sinusoidal a 100  Hz, y la portadorado(t){\displaystyle c(t)}Supongamos que la señal de entrada es una onda cuadrada ideal de 300  Hz. La señal de salida incluye ondas sinusoidales de 100±300  Hz, 100±900  Hz, 100±1500  Hz, 100±2100  Hz, etc., con amplitudes decrecientes según la expansión de Fourier de la onda cuadrada portadora. Si la frecuencia de la portadora es menor que el doble de la frecuencia superior de la señal, 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 de anillo es un mezclador doblemente balanceado , [ 5 ] donde ambas señales de entrada se suprimen (no están presentes en la salida); la salida se compone enteramente 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 [ 6 ] como una mejora de la invención de Clyde R. Keith en Bell Labs . [ 7 ] La ​​aplicación original fue 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 la inversión de voz , los transceptores de radio y la música electrónica .

Si bien la patente original de Cowan describe un circuito con un anillo de cuatro diodos, las implementaciones posteriores utilizaron transistores FET como elementos de conmutación.

Descripción del circuito

El modulador de 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 suelen incluir transformadores con tomas centrales orientadas hacia el anillo de diodos. Si bien el anillo de diodos presenta algunas similitudes con un rectificador de puente, los diodos en un modulador de anillo apuntan todos en la misma dirección, ya sea en sentido horario o antihorario.

La portadora, que alterna entre corriente positiva y negativa, hace que un par de diodos conduzca y polariza inversamente el otro par. El par conductor lleva la señal desde el secundario del transformador izquierdo al primario del transformador derecho. Si el terminal de la portadora izquierda es positivo, los diodos superior e inferior conducen. Si dicho terminal es negativo, los diodos laterales conducen, pero se produce una inversión de polaridad entre los transformadores. Este funcionamiento es muy similar al de un interruptor DPDT ( doble polo, doble tiro ) cableado para invertir la polaridad.

Una característica particularmente elegante del modulador de anillo es que es bidireccional: el flujo de la señal se puede invertir, lo que permite utilizar el mismo circuito con la misma portadora como modulador o demodulador , por ejemplo, en transceptores de radio de bajo coste.

Métodos de modulación en anillo mediante circuitos integrados

Algunos moduladores de anillo modernos se implementan mediante técnicas de procesamiento digital de señales, simplemente multiplicando las señales en el dominio del tiempo, lo que produce una señal de salida casi perfecta. Los productos de intermodulación se pueden generar seleccionando y modificando 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 provoca distorsión por aliasing , por lo que es común sobremuestrear la operación o aplicar un filtro de paso bajo a las señales antes de la modulación de anillo.

El chip SID del Commodore 64 permite la modulación en anillo de ondas triangulares . El oscilador 1 se modula con la frecuencia del oscilador 3, el oscilador 2 con la del oscilador 1 y el oscilador 3 con la del oscilador 2. La modulación en anillo está desactivada a menos que el oscilador portador esté configurado para producir una onda triangular, pero el oscilador modulador puede configurarse para generar cualquiera de sus formas de onda disponibles. Sin embargo, independientemente de la forma de onda que utilice el oscilador modulador, la modulación en anillo siempre tiene el efecto de modular una onda triangular con una onda cuadrada. [ 8 ]

En un sintetizador ARP Odyssey (y en algunos otros de esa época), el modulador de anillo es una función XOR (formada por cuatro puertas NAND ) que se alimenta de 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 de anillo real.

Los circuitos integrados multiplicadores analógicos (como los fabricados por Analog Devices) funcionarían como moduladores en anillo, teniendo en cuenta aspectos como sus límites operativos y factores de escala. El uso de circuitos integrados multiplicadores implica que los productos de modulación se limitan en gran medida a las frecuencias suma y diferencia de las entradas (a menos que el circuito se sature), en lugar de los productos mucho más complejos del circuito rectificador.

Limitaciones

Cualquier componente de CC de la portadora degrada la supresión de la misma, por lo que en aplicaciones de radio, la portadora suele acoplarse mediante transformador o condensador; en aplicaciones de baja frecuencia (por ejemplo, audio), la portadora puede o no ser deseada en la salida. [ 9 ]

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 o condensadores variables).

Aplicaciones

Comunicaciones por radio

La modulación en anillo se ha utilizado ampliamente en receptores de radio , por ejemplo, para demodular una señal estéreo FM y para heterodinar señales de microondas en sistemas de telefonía móvil y redes inalámbricas. En este caso, el circuito a veces se denomina demodulador en anillo , uno de los muchos circuitos de conmutación posibles . [ 10 ] [ 11 ] Un modulador en anillo puede utilizarse para generar una onda de doble banda lateral con portadora suprimida (DSB-SC) utilizada en la transmisión de radio. [ 12 ]

Música y efectos de sonido

Uno de los primeros instrumentos musicales que utilizaban un modulador de anillo fue el Melochord (1947), construido por Harald Bode . Era un instrumento de teclado melódico de dos tonos con controladores de pie y posteriormente se le añadió un segundo teclado para el control del timbre, que incluía un generador de ruido blanco, un controlador de envolvente, filtros de formantes y moduladores de anillo para armónicos. [ 13 ] El primer Melochord fue ampliamente utilizado por Werner Meyer-Eppler en los inicios del estudio de música electrónica de la Universidad de Bonn . [ 14 ] Meyer-Eppler mencionó la aplicación musical del modulador de anillo en su libro Elektrische Klangerzeugung , publicado en 1949. [ 15 ]

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 [ 16 ] ) también la requiere. De hecho, varias composiciones completas de Stockhausen se basan en ella, como Mixtur (1964), una de las primeras composiciones para orquesta y electrónica en vivo; Mikrophonie II (1965), donde los sonidos de voces corales se modulan con un órgano Hammond ; Mantra (1970), [ 16 ] donde los sonidos de dos pianos se enrutan a través de moduladores en anillo; y Licht-Bilder (2002) de Sonntag aus Licht (2003), [ 1 ] que modula en anillo la flauta y la trompeta. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] Otras piezas de Stockhausen que emplean modulación en anillo incluyen Kontakte (1960), [ 1 ] Mikrophonie I (1964), [ 1 ] Hymnen (1969), [ 1 ] Prozession (1967), [ 1 ] y Kurzwellen (1968). [ 1 ]

Un modulador de anillo fue el componente principal utilizado en la música de Louis y Bebe Barron para la película Planeta Prohibido (1956). Una de las aplicaciones más conocidas del modulador de anillo es su uso por Brian Hodgson del Taller Radiofónico de la BBC para producir la voz característica de los Daleks en la serie de televisión Doctor Who , a partir de 1963. [ 20 ]

Uno de los primeros productos dedicados a la música fue el modulador de anillo Bode desarrollado en 1961 por Harald Bode . También en 1964, desarrolló el desplazador de frecuencia Bode, que producía un sonido más claro al eliminar una banda lateral. [ 21 ] Estos dispositivos fueron diseñados para ser controlados por voltaje, compatibles con la arquitectura de sintetizador modular que también defendía, [ 22 ] y estos módulos fueron licenciados a RA Moog para sus sintetizadores modulares Moog que comenzaron en 1963–1964. [ 23 ] En 1963, Don Buchla incluyó un modulador de anillo opcional en su primer sintetizador modular, el Modelo 100 . [ 24 ] Además, Tom Oberheim construyó una unidad de modulador de anillo para su amigo Joseph Byrd a finales de la década de 1960, [ 25 ] [ 26 ] y se convirtió en el origen del Oberheim Electronics Music Modulator [ 27 ] y del Maestro Ring Modulator , [ 28 ] 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 contaban con moduladores de anillo incorporados.

John McLaughlin empleó el modulador de anillo de forma intensiva en el álbum de Mahavishnu Orchestra de 1974 , Visions of the Emerald Beyond , especialmente en la pista "On the Way Home to Earth". En el álbum en vivo de Miles Davis de 1975 , Agharta , el guitarrista Pete Cosey procesó los sonidos que tocaba a través de un modulador de anillo. [ 29 ] Jon Lord de Deep Purple alimentó la señal de su Hammond a través de una unidad Gibson Ring Modulator en vivo en el escenario, lo cual describió en 1989. [ 30 ] [ 31 ] El miembro fundador de Hawkwind , Dik Mik, un no músico confeso, usó un modulador de anillo como su instrumento principal durante su tiempo con la banda (1969-1973). [ 32 ]

Vangelis utilizó un modulador de anillo con su Yamaha CS-80 para improvisar en su álbum experimental de vanguardia de 1978, Beaubourg . La música del álbum es a menudo atonal, y el modulador de anillo transforma el sonido del sintetizador en complejos timbres metálicos. [ 33 ] Sigue siendo la obra más experimental publicada por el artista, y los críticos la califican de "difícil de escuchar, en el mejor de los casos". [ 34 ]

La modulación en anillo se utiliza en la pieza Ofanim (1988/1997 ) de Luciano Berio , y en la primera sección se aplica a la voz de un niño y a un clarinete : "Se deseaba la transformación de la voz del niño en un clarinete. Para ello, un detector de tono calcula la frecuencia instantánea.F0(norte){\displaystyle f_{0}(n)}de la voz. Luego, la voz del niño pasa a través de un modulador de anillo, donde la frecuencia de la portadoraFdo{\displaystyle f_{c}}está configurado paraF0(norte)/2{\displaystyle f_{0}(n)/2}. En este caso, predominan los armónicos impares, lo cual es similar al sonido de un clarinete en el registro grave." [ 35 ]

Sistemas telefónicos analógicos

Una de las primeras aplicaciones del modulador de anillo fue la combinación de múltiples canales de voz de telefonía analógica en una única señal de banda ancha que se transmitía por un solo cable mediante multiplexación por división de frecuencia . Se utilizaba un modulador de anillo, junto con una onda portadora y un filtro, para asignar los canales a diferentes frecuencias.

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

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 Curtis Roads (1996). The Computer Music Tutorial , págs. 220-221. MIT Press. ISBN 9780262680820.
  2. ↑ Richard Orton, "Modulador de anillo", The New Grove Dictionary of Music and Musicians , página 429, volumen 21, segunda edición, editado por Stanley Sadie y John Tyrrell (Londres: Macmillan Publishers, 2001)
  3. ↑ Strange, Allen (1972). Música electrónica , pág. 11. Wm. C. Brown Co. Publishers. ISBN 0-697-03612-X.
  4. ↑ "Multiplicadores vs. Moduladores" .
  5. ↑ "Mezclador doblemente balanceado: teoría, circuito, funcionamiento, tutorial, apuntes de electrónica" .
  6. ↑ Patente estadounidense 2.025.158
  7. ↑ Patente estadounidense 1.855.576
  8. ↑ Guía de referencia del programador de Commodore, página 463
  9. ↑ "Secretos de los sintetizadores, parte 11: Modulación de amplitud" .
  10. ↑ Hamish Meikle (2008). Sistemas de radar modernos . Artech House. pág. 336. ISBN  978-1-59693-243-2.
  11. ↑ Abhishek Yadav (2008). Sistema de comunicación analógica . Firewall Media. pág. 83. ISBN  978-81-318-0319-6.
  12. ↑ TG Thomas S Chandra Sekhar (2005). Teoría de la comunicación . Tata McGraw-Hill Education. pág. 37. ISBN  978-0-07-059091-5.
  13. ↑ Rebekkah Palov (julio de 2011), "Harald Bode: una breve biografía" , EContact!, 13 ( 4), Comunidad Electroacústica Canadiense
  14. ↑ "El "Melochord" (1947–9)" , The Keyboardmuseum Online , archivado del original el 14 de noviembre de 2007.(descripción e historia)
  15. ↑ Werner Meyer-Eppler, Elektronische Klangerzeugung: Elektronische Musik und synthetische Sprache , (Bonn: Ferdinand Dümmlers, 1949)
  16. 1 2 Collins, Nick (2010). Introducción a la música por ordenador , págs. 124-125. John Wiley & Sons. ISBN 9780470714553.
  17. ↑ Ludger Brümmer, "Stockhausen sobre la electrónica, 2004", Computer Music Journal 32, n.º 4 (2008): 10-16.
  18. ↑ Karlheinz Stockhausen, "Práctica de interpretación electroacústica", traducido por Jerome Kohl , Perspectives of New Music 34, n.º 1 (invierno de 1996): 74–105. Citado en 89.
  19. ↑ Karlheinz Stockhausen, "Einführung"/"Introduction", traducción al inglés de Suzanne Stephens , en el folleto que acompaña a Karlheinz Stockhausen, Licht-Bilder (3. Szene vom SONNTAG aus LICHT) , juego de 2 CD, Stockhausen Gesamtausgabe/Edición completa 68A–B (Kürten: Stockhausen-Verlag, 2005): 10 y 51
  20. ↑ Jeremy Bentham (1986), Doctor Who: Los primeros años , (Londres: WH Allen & Co. , 1986), pág. 127, ISBN  0-491-03612-4
  21. ↑ Harald Bode—Una vida dedicada al sonido (PDF) , Noticias de Harald Bode, archivado del original (PDF) el 2 de abril de 2012 , consultado el 27 de enero de 2011.
  22. ↑ Harald Bode, "Diseño de instrumentos musicales electrónicos europeos", Journal of the Audio Engineering Society 9 (1961): 267.
  23. ↑ Tom Rhea (21 de marzo de 2011), Biografía de Harald Bode , (Nueva York: Experimental Television Center Ltd, 2004), archivado del original el 19 de julio de 2011
  24. ↑ Instrumentos musicales electrónicos Buchla: reseña histórica , Buchla & Associates, archivado del original el 8 de febrero de 2009 , consultado el 27 de enero de 2011.
  25. ↑ Thomas E. Oberheim, "Un dispositivo modulador de anillo para el músico intérprete" , Convención AES 38 (mayo de 1970), No. 708 (G-4).
  26. ↑ "Transcripción de la sesión: Tom Oberheim" , Red Bull Music Academy Barcelona 2008
  27. ↑ Modulador musical Oberheim (foto). Edison Music Corporation.
  28. ↑ Modulador de anillo Maestro RM-1A , base de datos de efectos de DiscoFreq
  29. ↑ Trzaskowski, Andrzej (1976). Jazz Forum: The Magazine of the International Jazz Federation : 74. La mayoría de las selecciones se mantienen en el clima rock-jazz con el curso rítmico interrumpido de vez en cuando por un parche desbordante de capas acumuladas de efectos electrónicos y percusivos (Tema de Jack Johnson, Preludio). De hecho, los efectos electrónicos aparecen repetidamente en forma de zumbidos y chirridos "bruitísticos" de los sintetizadores que se asemejan a una sierra circular y de la guitarra dirigida a través de un modulador de anillo.{{cite journal}}: Falta o está vacío |title=( ayuda )
  30. ↑ "Señor Todopoderoso" . Teclado . 24. 1998. Consultado el 21 de enero de 2016 .
  31. ↑ "Entrevista con Jon Lord" . Modern Keyboard . Enero de 1989. Consultado el 21 de enero de 2015 .
  32. ↑ Ian Abrahams (2004). Hawkwind: Sonic Assassins . SAF Publishing. pág. 20. ISBN  9780946719693.
  33. ↑ «Vangelis - Beaubourg» . Sintopia . 7 de diciembre de 2003 . Consultado el 26 de agosto de 2022 .
  34. ↑ McDonald, Steven. "Vangelis - Beaubourg" . AllMusic . Consultado el 26 de agosto de 2022 .
  35. ↑ Zölzer, Udo; ed. (2002). DAFX - Efectos de audio digital , págs. 76-77. John Wiley & Sons. ISBN 9780471490784.
  • Scott Lehman. "Efectos explicados: Modulación en anillo" . Harmony Central. Archivado del original el 1 de diciembre de 2005.
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