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, suele ser una onda sinusoidal u otra forma de onda simple ; la otra señal suele ser más complicada y se llama señal de entrada o moduladora . Un modulador en anillo es un dispositivo electrónico para modulación en anillo. Un modulador en anillo se puede utilizar 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 . [2] El circuito es similar a un puente rectificador , excepto que en lugar de que los diodos miren hacia la izquierda o hacia la derecha, miran en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj.
La modulación en anillo es bastante similar a la modulación de amplitud , con la diferencia de que en esta última el modulador se desplaza para ser 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 1.500 Hz y 400 Hz producirá como señal de salida la suma de una onda sinusoidal con frecuencia de 1.900 Hz y otra con frecuencia de 1.100 Hz. Estas dos frecuencias de salida se conocen como bandas laterales . Si una de las señales de entrada tiene armónicos significativos (como es el caso de las ondas cuadradas ), la salida sonará bastante diferente, ya que cada armónico generará su propio par de bandas laterales que no estarán relacionadas armónicamente. [3]
Denotando la señal portadora por , la señal del modulador por y la señal de salida por (donde denota el tiempo), la modulación en anillo se describe mediante la fórmula
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 .
Los moduladores en anillo generan así la suma y 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 se destacan 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 , produciendo a menudo sonidos parecidos a campanas o metálicos.
Si la señal portadora es una onda cuadrada de frecuencia , cuya expansión de Fourier contiene la 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 de regiones crecientes del espectro de frecuencia. [4] Por ejemplo, representemos 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., con amplitudes decrecientes según 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 , [5] donde ambas señales de entrada están suprimidas (no presentes en la salida): la salida se compone enteramente de la suma de los productos de las componentes de frecuencia de las dos entradas.
El modulador en 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 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 la inversión de voz , transceptores de radio y música electrónica .
Si bien la patente original de Cowan describe un circuito con un anillo de cuatro diodos, implementaciones posteriores utilizaron FET como elementos de conmutación.
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 suelen incluir transformadores con derivaciones 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, todos los diodos de un modulador de anillo apuntan en la misma dirección en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. (Vea el esquema de un modulador en anillo en la esquina superior derecha).
El portador, que alterna entre corriente positiva y negativa, en un momento dado hace que un par de diodos conduzca y polariza inversamente el otro par. El par conductor transporta la señal desde el 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, bidireccional ) cableado para conexiones inversas.
Una elegancia particular del modulador en anillo es que es bidireccional: el flujo de la señal se puede invertir permitiendo utilizar el mismo circuito con la misma portadora ya sea como modulador o demodulador , por ejemplo en transceptores de radio de bajo costo.
Algunos moduladores en 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 causará distorsión de alias , 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 en anillo 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 desactivada 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 configures el oscilador modulador, la modulación en anillo siempre tendrá el efecto de modular una onda triangular con una onda cuadrada. [8] [ verificación fallida ]
En un sintetizador ARP Odyssey (y también en algunos otros de esa época), 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 verdadera modulación en anillo.
Los circuitos integrados multiplicadores analógicos (como los fabricados por Analog Devices) funcionarían como moduladores en anillo, por supuesto en lo que respecta a cuestiones tales 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 suma y diferencia de frecuencia de las entradas (a menos que el circuito esté saturado), en lugar de los productos mucho más complicados del circuito rectificador.
Cualquier componente de CC de la portadora degradará la supresión de la portadora y, por lo tanto, en aplicaciones de radio la portadora suele estar acoplada por 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 en anillo prácticos, esta fuga se puede reducir introduciendo desequilibrios opuestos ( p. ej. , resistencias o condensadores variables).
La modulación en anillo también se ha utilizado ampliamente en receptores de radio , por ejemplo, para demodular una señal estéreo de FM y para señales de microondas heterodinas en teléfonos móviles y sistemas de redes inalámbricas. En este caso, el circuito a veces recibe el nombre de demodulador en anillo , uno de los muchos circuitos chopper posibles . [10] [11] 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. [12]
Uno de los primeros instrumentos musicales que utilizó un modulador en anillo fue el Melochord (1947) construido por Harald Bode . Era un instrumento de teclado de melodía de dos tonos con controladores de pedal y luego agregó un segundo teclado para control de timbre, con un generador de ruido blanco, controlador de envolvente, filtros de formantes y moduladores de anillo para armónicos. [13] Werner Meyer-Eppler utilizó ampliamente el melocordio temprano en los primeros días del estudio de música electrónica en la Universidad de Bonn . [14] Meyer-Eppler mencionó la aplicación musical del modulador en 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 realización para Telemusik (1966 [16] ) también lo requiere. De hecho, varias composiciones enteras de Stockhausen se basan en él, como Mixtur (1964), una de las primeras composiciones para orquesta y electrónica en vivo; Mikrophonie II (1965), donde los sonidos de las voces corales se modulan con un órgano Hammond ; Mantra (1970), [16] donde los sonidos de dos pianos se dirigen a través de moduladores en anillo; y Licht-Bilder (2002) de Sonntag aus Licht (2003), [1] que modula en anillo flauta y 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 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. [20]
Uno de los primeros productos dedicados a la música fue el Bode Ring Modulator desarrollado en 1961 por Harald Bode . También en 1964 desarrolló el Bode Frequency Shifter, 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 también defendida por él, [22] y estos módulos fueron licenciados a RA Moog para sus sintetizadores modulares Moog iniciados en 1963-1964. [23] En 1963, Don Buchla incluyó un modulador en anillo opcional en su primer sintetizador modular, el Modelo 100 . [24] También Tom Oberheim construyó una unidad moduladora en anillo para su amigo músico a finales de la década de 1960, [25] [26] y se convirtió en el origen de Oberheim Electronics Music Modulator [27] y Maestro Ring Modulator , [28] uno de los Los primeros productos de efecto modulador en anillo para guitarristas. Los sintetizadores EMS VCS3 , Synthi A , ARP 2600 , Odyssey , Rhodes Chroma y Yamaha CS-80 también incluían moduladores en anillo incorporados.
John McLaughlin emplea en gran medida el modulador en anillo en el álbum Visions of the Emerald Beyond de la Mahavishnu Orchestra de 1974 , especialmente en la canción "On the Way Home to Earth". En el álbum en vivo de Miles Davis de 1975, Agharta , el guitarrista Pete Cosey pasó los sonidos que tocaba a través de un modulador en anillo. [29] Jon Lord de Deep Purple transmitió la señal de su Hammond a través de una unidad Gibson Ring Modulator en vivo en el escenario, que describió en 1989. [30] [31] Miembro fundador de Hawkwind , Dik Mik, un confeso no -músico, utilizó un modulador en anillo como instrumento principal durante su paso por la banda (1969-1973). [32]
Vangelis utilizó un modulador en anillo con su Yamaha CS-80 para improvisar su álbum experimental de vanguardia Beaubourg de 1978 . La música del álbum es a menudo atonal, y el modulador en anillo convierte el sonido del sintetizador en complejos timbres metálicos. [33] Sigue siendo el trabajo publicado más experimental del artista, y los críticos lo 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 el primer apartado se aplica a la voz de un niño y a un clarinete : "Se deseaba la transformación de la voz del niño en clarinete. Para ello se creó un El detector de tono calcula la frecuencia instantánea de la voz, luego la voz del niño pasa a través de un modulador en anillo, donde la frecuencia de la portadora se ajusta a , en este caso prevalecen los armónicos extraños, similares al sonido de un clarinete en el registro bajo. " [35] [ verificación fallida ]
Una de las primeras aplicaciones del modulador en anillo fue la combinación de múltiples canales de voz telefónicos analógicos en una única señal de banda ancha que se transmitiría por un solo cable mediante 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 canales telefónicos analógicos utilizaron moduladores en anillo para modificar el espectro de las señales de audio y voz. Una aplicación es la inversión espectral, típicamente del habla; Se elige una frecuencia portadora que esté por encima de las frecuencias de voz más altas (que se filtran de paso bajo a, digamos, 3 kHz, para una portadora de quizás 3,3 kHz), y las frecuencias sumadas del modulador se eliminan mediante más filtrado de paso bajo. . Las restantes frecuencias diferenciales tienen un espectro invertido: las frecuencias altas se vuelven bajas y viceversa.
La mayoría de las selecciones se mantienen en el clima del rock-jazz con el curso del ritmo siendo interrumpido de vez en cuando por un parche desbordante de capas acumuladas de efectos electrónicos y de percusión (Tema de Jack Johnson, Preludio). De hecho, los efectos electrónicos aparecen repetidamente en forma de zumbidos y chirridos "bruitísticos" del sintetizador que se asemejan a una sierra circular y de la guitarra dirigida a través de un modulador en anillo.
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