リング変調

電子工学では、 リング変調は信号処理機能であり、2つの信号を乗算することによって実行される周波数混合の実装です。1つは通常正弦波または別の単純な波形で、もう1つは変調される信号です。 リング変調器は、リング変調用の電子デバイスです。リングモジュレーターは、音楽シンセサイザーやエフェクトユニットとして使用できます。

この関数の名前は、この技術を実装するために元々使用されていたダイオードのアナログ回路がリングの形をとるという事実に由来しています。回路はブリッジ整流器に似ていますが、左または右に面するダイオードの代わりに、時計回りまたは反時計回りに面する点が異なります。

操作

リング変調器は、2つの波形を周波数ミックスまたはヘテロダインし、各波形に存在する周波数の和と差を出力します。このリング変調のプロセスは、パーシャルが豊富な信号を生成します。同様に、出力でもキャリアも着信信号も目立たず、理想的にはまったく目立ちません。

周波数が相互に調和し、リング変調された2つのオシレーターは、音の倍音部分に忠実な音を生成しますが、スペクトル構成は大きく異なります。オシレーターの周波数が調和的に関連していない場合、リング変調は不調和を生み出し、しばしばベルのような音または金属音を生成します。

時間領域での乗算は周波数領域での畳み込みと同じであるため、出力波形には入力周波数の和と差が含まれます。したがって、周波数f 1およびf 2（ f 1 f 2）の2つの正弦波が乗算される基本的なケースでは、2つの新しい正弦波が作成されます。1つはf 1 + f 2で、もう1つはf 2 – f 1. 2つの新しい波が調和的に関連する可能性は低く、（適切に設計されたリング変調器では）元の信号は存在しません。これにより、リング変調器に独自のトーンが与えられます。

同じ信号がリング変調器の両方の入力に送信される場合、結果の高調波スペクトルは元の周波数領域を2倍にします（ f 1 = f 2 = fの場合、 f 2 − f 1 = 0およびf 2 + f 1 = 2 f ）。乗算と見なされると、この演算は二乗になります。ただし、ダイオードの順方向電圧降下により、いくらかの歪みが発生します。

キャリアは、常に正と負の電流を交互に切り替え、1組のダイオードを導通させ、もう1組のダイオードに逆バイアスをかけます。導電ペアは、左のトランスから右のトランスのプライマリに信号を伝達します。左のキャリア端子が正の場合、上下のダイオードが導通します。その端子が負の場合、「サイド」ダイオードが導通し、トランス間に極性反転が生じます。

一部の最新のリング変調器は、時間領域の信号を単純に乗算することでデジタル信号処理技術を使用して実装され、ほぼ完璧な信号出力を生成します。相互変調積は、2つの入力波形の周波数を慎重に選択して変更することにより生成できます。信号がデジタル処理される場合、周波数領域の畳み込みは循環畳み込みになります。信号が広帯域の場合、これによりエイリアシング歪みが発生するため、リング変調の前に動作をオーバーサンプリングするか、信号をローパスフィルターすることが一般的です。

リング変調器は、2つの波形を周波数ミックスまたはヘテロダインし、各波形に存在する周波数の和と差を出力します。時間領域での乗算は周波数領域での畳み込みの双対なので、出力波形には入力スペクトル成分の和と差が含まれます。周波数f carrierとf voiceの2つの正弦波が乗算される基本的な場合、2つの新しい正弦波が作成されます。1つはf carrier + f voice、もう1つはf carrier – f voiceです。

スイッチング変調器であるリング変調器では、搬送波信号は理想的には方形波であり、そのフーリエ展開には基本波と一連の振幅減少奇数高調波が含まれます。

C（t）=sin⁡fct+13sin⁡3fct+15sin⁡5fct+17sin⁡7fct+…{\ 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}

頻度の観点から：

C = fc + 133fc + 155fc + 177fc +…{\ displaystyle C = f_ {c} + {\ frac {1} {3}} 3f_ {c} + {\ frac {1} {5}} 5f_ {c} + {\ frac {1} {7}} 7f_ {c} + \ ldots}

搬送周波数が変調信号V（t）の最大周波数の少なくとも2倍である場合、結果は周波数スペクトルの増加領域でのV（t）の一連の複製です。搬送波が信号の高周波数の2倍未満の場合、結果の出力信号には、時間領域で結合する信号と搬送波の両方からのスペクトル成分が含まれます。たとえば、 V（t）が 100 Hzの正弦波を表し、キャリアC（t）が300 Hzの理想的な方形波であるとします。出力には、100±300 Hz、100±900 Hz、100±1500 Hz、100±2100 Hzなどの正弦波が含まれ、キャリア方形波のフーリエ展開に従って振幅が減少します。

出力には個々の音声成分も搬送波成分も含まれていないため、リング変調器はダブルバランスミキサーと呼ばれ、両方の入力信号が抑制されます（出力には存在しません）。出力はすべての積の合計で構成されます2つの入力の周波数成分。

歴史

リング変調器は、1934年にフランクA.コーワンによって発明され、1935年にベル研究所のクライドR.キースの発明の改良として特許を取得しました。元のアプリケーションは、電話ケーブルで複数の音声信号を伝送するための周波数分割多重化のためのアナログ電話の分野でした。その後、音声反転、ラジオトランシーバー、電子音楽などの幅広い用途に適用されています。

回路説明

リング変調器には、入力段、キャリア信号によって励起される4つのダイオードのリング、および出力段が含まれます。通常、入力段と出力段には、ダイオードリングに向かって中央タップのあるトランスが含まれます。ダイオードリングはブリッジ整流器といくつかの類似点を持っていますが、リング変調器のダイオードはすべて同じ時計回りまたは反時計回りの方向を指していることに注意することが重要です。

所定の時間にACであるキャリアは、1組のダイオードを導通させ、もう1組のダイオードに逆バイアスをかけます。導電ペアは、左のトランスから右のトランスのプライマリに信号を伝達します。左のキャリア端子が正の場合、上下のダイオードが導通します。その端子が負の場合、サイドダイオードは導通しますが、トランス間に極性反転が生じます。このアクションは、接続を逆にするために配線されたDPDT（ ダブルポール、ダブルスロー ）スイッチのアクションによく似ています。 （リング変調の集積回路法も参照）

リング変調器の特別なエレガンスは、双方向であることです。信号の流れを逆にすることができ、同じキャリアの同じ回路を、たとえば低コストの無線トランシーバーで変調器または復調器として使用できます。

リング変調の集積回路法

Commodore 64にあるSIDチップにより、三角波をリング変調できます。リング変調は、オシレーター1をオシレーター3の周波数で、オシレーター2をオシレーター1の周波数で、オシレーター3をオシレーター2の周波数で乗算します。キャリアオシレーターが三角波を生成するように設定されていない限り、リング変調はミュートされますが、変調オシレーターは使用可能な波形を生成するように設定できます。ただし、変調オシレーターをどの波形に設定しても、リング変調は常に三角波と方形波を乗算する効果があります。

ARP Odysseyシンセサイザー（およびその時代の他のいくつか）のリングモジュレーターは、2つのオシレーターの方形波出力から供給される（4つのNANDゲートから形成される）XOR関数です。方形波またはパルス波信号の限られた場合では、これは真のリング変調と同じです。

アナログ乗算器IC（Analog Devices製など）は、リングモジュレーターとして動作します。もちろん、動作限界やスケールファクターなどの問題に関しては。乗算器ICを使用するということは、変調回路のはるかに複雑な製品ではなく、変調製品が入力の和と差の周波数に大きく限定されることを意味します（回路がオーバードライブされない限り）。

制限事項

キャリアのDC成分は、キャリアの抑制を低下させるため、無線アプリケーションでは、通常、キャリアはトランス結合またはコンデンサ結合されます。低周波（オーディオなど）アプリケーションでは、出力でキャリアが必要な場合とそうでない場合があります。

ダイオードとトランスの欠陥により、2つの入力信号のアーチファクトが生じます。実用的なリング変調器では、この漏洩は、対向する不均衡（ 例えば 、可変抵抗器またはコンデンサ）を導入することによって低減することができます。

絞り込み

元のCowan特許は、4つのダイオードのリングを備えた回路を記述しています。後の実装では、スイッチング素子としてFETを使用します。

用途

周波数ミキサーは、たとえばFMステレオ信号を復調したり、携帯電話やワイヤレスネットワークシステムでマイクロ波信号をダウンコンバートするために、ラジオ受信機で広く使用されています。この場合、回路は多くのチョッパー回路の1つである「リング復調器」と呼ばれることもあります。リング変調器を使用して、無線伝送で使用される両側波帯抑圧搬送波（DSB-SC）波を生成できます。

別のアプリケーションは、通常は音声のスペクトル反転です。搬送波周波数は最高の音声周波数（たとえば3.3 kHzの搬送波の場合、たとえば3 kHzでローパスフィルターされる）より上になるように選択され、変調器からの合計周波数はよりローパスフィルターによって削除されます。 。残りの差周波数は逆スペクトルになります。高周波数は低くなり、逆も同様です。

音楽で使用する

リングモジュレーターを使用した最も初期の楽器の1つは、Harald Bodeによって作成されたMelochord （1947）でした。フットコントローラーを備えた2トーンのメロディキーボード楽器で、後にホワイトノイズジェネレーター、エンベロープコントローラー、フォルマントフィルター、ハーモニクス用のリングモジュレーターを備えた音色制御用の2番目のキーボードを追加しました。初期のMelochordは、ボン大学の電子音楽スタジオの初期にWerner Meyer-Epplerによって広く使用されました。 Meyer-Epplerは、1949年に出版された彼の著書「 Elektrische Klangerzeugung 」でリング変調器の音楽的応用について言及しています。

Meyer-Epplerの学生であるStockhausenは、1956年にGesang derJünglingeのいくつかのサウンドにリングモジュレーションを使用し、 Telemusik （1966）の彼の実現スコアもそれを要求しています。実際に、全体の組成物は、Mixtur（1964）、オーケストラのための第一の組成物のいずれかとライブエレクトロニクス、Mikrophonie II（合唱声の音がハモンドオルガンで変調されている1965年）、 マントラ （1970、として、その周りに基づいています2台のピアノからの音はリングモジュレーターを介してルーティングされます）、およびフルートとトランペットをリング変調するSonntag aus Lichtの Licht-Bilder （2002）。

リング・モジュレーターは、映画Forbidden Planet （1956）のLouis and Bebe Barronの音楽で使用される主要なコンポーネントでした。

ジョンマクラフリンは、1974年のマハビシュヌオーケストラのアルバム「Visions of the Emerald Beyond」のトラック「On the Way Back Home to Earth」でリングモジュレーターを多用しています。

Miles Davisの1975年のライブアルバムAghartaでは、ギタリストのPete Coseyがリングモジュレーターで演奏したサウンドを演奏し、Deep PurpleのJon LordはステージでライブのGibson Ring Modulatorユニットを介してHammondからの信号を送りました。 Hawkwindの創設メンバーであるDik Mikは自尊心のないミュージシャンであり、バンドで過ごしている間、リングモジュレーターを主な楽器として使用していました。

デジタル音楽シンセサイザーが一般的になる前は、少なくとも一部のアナログシンセサイザーはこの目的のためにアナログ乗算器を使用していました。それらは、アナログコンピューターで使用されるものと密接に関連していました。 ARP 2600のリング変調器はその一例です。制御電圧を乗算できます。 DCで動作します。

音楽専用の最初の製品の1つは、1961年にHarald Bodeによって開発されたBode Ring Modulatorです。また、1964年に彼はボード周波数シフターを開発しました。これは、サイドバンドを除去することにより、より明瞭なサウンドを生成しました。これらのデバイスは、電圧によって制御されるように設計されており、今日の現代のモジュラーシンセサイザーアーキテクチャも提唱しています。これらのモジュールは、1963年から1964年に開始されたMoogモジュラーシンセサイザーについてRA Moogにライセンスされました。 1963年、ドン・バックラは彼の最初のモジュラー・シンセサイザーで、オプションのリングモジュレーターを含め、モデル100はまた、トム・オーバーハイムは、1960年代後半の彼の音楽家の友人のためにリングモジュレーターユニットを構築し、それがオーバーハイム音楽変調器とマエストロリングの起源となりましたModulatorは 、ギタリスト向けの最も初期のリングモジュレーターエフェクト製品の1つです。 EMS VCS3、Synthi A、ARP 2600、Odyssey、Rhodes Chroma、Yamaha CS-80シンセサイザーにも、リングモジュレーターが組み込まれています。

リング変調器の最もよく知られたアプリケーションの1つは、1963年からテレビシリーズDoctor WhoでDaleksの独特の音声を生成するためのBBC Radiophonic WorkshopのBrian Hodgsonによる使用です。

アナログ電話システム

リング変調器の元の用途は、複数のアナログ電話音声チャネルを単一の広帯域信号に結合し、周波数分割多重化を使用して単一のケーブルで伝送することでした。

アナログ電話チャネルを保護する初期の試みでは、リング変調器を使用して音声音声信号のスペクトルを変更していました。 1つのアプリケーションは、通常は音声のスペクトル反転です。搬送波周波数は最高の音声周波数（たとえば3.3 kHzの搬送波の場合、たとえば3 kHzでローパスフィルターされる）より上になるように選択され、変調器からの合計周波数はよりローパスフィルターによって削除されます。 。残りの差周波数は逆スペクトルになります。高周波数は低くなり、逆も同様です。

無線通信

リング変調は、たとえばFMステレオ信号を復調したり、携帯電話やワイヤレスネットワークシステムでマイクロ波信号をダウンコンバートするために、ラジオ受信機でも広く使用されています。この場合、回路は多くのチョッパー回路の1つである「リング復調器」と呼ばれることもあります。リング変調器を使用して、無線伝送で使用される両側波帯抑圧搬送波（DSB-SC）波を生成できます。

電子音楽

リング変調器は、1950年代から電子音楽の分野で使用されており、その効果はリング変調として知られています。

2016年現在、電子機器は通常、実際のダイオードリングの代わりに他の回路（アナログ乗算器など）を使用して「リング変調」と呼ばれる効果を提供します。慎重に設計すると、同様の結果が得られます。