Wie genau überträgt AM / FM sowohl Tonhöhe als auch Lautstärke?

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Nahezu jedes Tutorial zur AM / FM-Modulation zeigt das modulierende Signal als einen einfachen Ton oder eine kontinuierliche Sinuswelle. Das ist ganz einfach, und für AM überlagern Sie das modulierende Signal einfach der Trägerwelle als Hüllkurve und Voila, und für FM ändern Sie die Frequenz kontinuierlich und konsistent. aber niemand scheint auf das offensichtliche Problem hinzuweisen ... Stimme hat sowohl Tonhöhe, dh Frequenz, als auch Lautstärke, die zwei separate analoge Datenströme sind. Ich habe weder ein Tutorial noch eine Erklärung gesehen, um zu erklären, wie beide Aspekte über Funk übertragen werden, die anscheinend nur einen Variationsgrad annehmen können, dh die Amplitude für AM oder die Frequenz für FM.

TL; DR:

  1. Wie überträgt die AM- oder FM-Modulation, von denen jede nur eine modulierbare Variable hat, sowohl die Tonhöhe als auch die Lautstärke der Sprache, die mindestens zwei unterschiedliche analoge Datenströme sind?

  2. Warum scheint absolut niemand diese eklatante Frage in Tutorials / Videos / Aufzeichnungen zur Funkmodulation anzusprechen?

aAaa aAaa
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19
Sie verstehen, wie ein Signal moduliert wird, oder? Es hat also die Frequenz, die (grob gesagt) eine Tonhöhe ist, und die Amplitude, die die "Lautstärke" ist. Dies sind keine unterschiedlichen Streams . Dies sind Teile derselben "Welle", die die "Hüllkurve" von beispielsweise AM-moduliertem Signal ist.
Eugene Sh.
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Beide Modulationsschemata modulieren die Trägeramplitude oder -frequenz mit allen Aspekten des Audiosignals, obwohl Sender die Komprimierung des Audios verwenden, um eine Übermodulation zu vermeiden, die zu starken Verzerrungen und Seitenbandrauschen führt.
Sparky256
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frequency, and loudness, which are two separate analog data streams... das ist falsch .... es ist nur ein analoger Datenstrom
jsotola

Antworten:

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Die Stimme hat sowohl Tonhöhe, dh Frequenz, als auch Lautstärke, die zwei separate analoge Datenströme sind.

Die Stimme wird anfänglich als ein analoger "Strom" von Schalldruckwellen übertragen, bei dem die Amplitude der Luftdruckänderung der Lautstärke (zu diesem Zeitpunkt) entspricht und die Änderungsrate die Tonhöhe ergibt.

Kein Tutorial ... erklären [s], wie beide Aspekte über Funkschemata übertragen werden, die anscheinend nur einen Variationsgrad annehmen können, ...

Die AM- und FM-Modulationsschemata sind analog und werden als analog bezeichnet, da die Modulation analog ( Adjektiv , in gewisser Hinsicht vergleichbar, typischerweise auf eine Weise, die die Natur der verglichenen Dinge klarer macht) zum ursprünglichen Signal ist - Stimme oder Musik.

Aber ich bin auch neugierig, warum diese nächste offensichtliche Frage, die den Leuten, die diese Tutorials und Erklärungen machen, nie auftaucht, noch die Antwort leicht zu finden ist, da ich erfolglos gesucht habe.

Vielleicht gibt es eine Gelegenheit für Sie, wenn Sie es herausfinden.

Die Tutorials demonstrieren die Ergebnisse mit sinusförmigen Signalen, da sonst die Modulation eines komplexen Signals in einem Diagramm nicht in einem vernünftigen Maßstab zu sehen wäre.

Bildbeschreibung hier eingeben

Abbildung 1. Die vereinfachte Analyse von Standard-AM aus Wikipedia beschreibt ein wenig, was Sie fragen.

Beachten Sie in der Abbildung, dass die Wellenform nicht sinusförmig ist, sondern eine beliebige Wellenform. Beachten Sie auch, dass die Amplitudenmodulation nur der Signalwellenform folgt. Es gibt nicht viel mehr. Das Mikrofon wandelt die Stimme in ein analoges elektrisches Signal um und der Modulator moduliert den Träger ebenfalls analog.

Transistor
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Aaaah. Ich hab es jetzt. Ich fühle mich irgendwie dumm ... obwohl ich sicherlich kein Tutorial gesehen habe, das den zweiten Teil behandelt und zeigt, wie es mit komplexen Wellen funktioniert, aber ich habe den Teil über die augenblickliche Amplitude von versus die Änderungsrate der Amplitude von verpasst tatsächliche Frequenzänderung. Verdammt. Und all die Jahre habe ich es nicht verstanden.
aAaa aAaa
3
@ Sparky256: AM-Radio gab es schon viel früher als in den 1950er Jahren - laut Wiki begann die Verbreitung des Rundfunks in den 1920er Jahren. FM wurde 1933 mit experimentellen Sendungen im Jahr 1934 erfunden.
Peter Bennett
3
Das ist eine gute Antwort! @aAaaaAaa; Eine Sache, die mir dabei half, das zu verstehen, war, als ich realisierte, wie erstaunlich schnell die Trägerwelle im Vergleich zu dem übertragenen Audio ist.
Bitsmack
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@bits: Eines der Dinge, die mich im Alter überraschten, war die Erkenntnis, dass einige der AM-Frequenzen nicht so hoch waren. Das europäische LW-Band (Langwellenband) beginnt bei 148,5 kHz, was ungefähr dem Zehnfachen der höchsten übertragenen Audiofrequenzen entspricht. (Vielleicht können Sie nicht einmal 10-kHz-Audio auf LW-Radio übertragen?)
Transistor
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@Transistor Nyquist würde Ihnen sagen, dass Sie nur einen Träger 2x höher als die höchste Frequenz für AM benötigen.
Ratschenfreak
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Vergiss das Radio - wie denkst du, wird Sprache über eine Leitung übertragen, die nur "Spannung" hat - wieder eine einzige Variable?

Der Punkt ist, "Tonhöhe" und "Amplitude" sind abstrakte Parameter einer einwertigen Funktion der Zeit. Tatsächlich können Sie viele verschiedene Signale mit verschiedenen Frequenzen auf einem einzigen Draht überlagern. Jede Komponente einer solch komplexen Wellenform hat ihre eigene Frequenz, Phase und Amplitude, aber wir können sie trotzdem unterscheiden.

In einem AM-Sender kann Spannung in Amplitude und in einem FM-Sender in Frequenz umgewandelt werden. In beiden Fällen kann das Signal vom Empfänger in eine Kopie derselben Spannungswellenform zurückgewandelt werden, die die Modulation überhaupt erst erzeugt hat.

Wenn Sie also der Meinung sind, dass Sprache (und Musik) über eine Leitung übertragen werden können, ist es eine einfache Erweiterung, sie als Funksignal zu übertragen.

Dave Tweed
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Tatsächlich können Sie sogar die Spannung über eine Leitung vergessen. Wie kommt der Klang einer Stimme vom Mund einer Person zum Ohr einer anderen Person im selben Raum? Auch hier handelt es sich um einen einzelnen Wert, den momentanen Luftdruck, der sich mit der Zeit ändert.
@besmirched: Fair point, aber das ist eine EE-Seite, also musste ich meine Antwort auf das Thema beschränken :-)
Dave Tweed
Vielleicht zählen die winzigen Ladungen, die die Stereozilien als Reaktion auf Druckänderungen verursachen?
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Ton ist nur ein eindimensionales zeitveränderliches Signal. Mikrofone verfolgen im Wesentlichen kontinuierlich Luftdruckschwankungen. Dies ist zu jedem Zeitpunkt ein einzelner Wert. Dieser Wert wird auf den Träger "moduliert".

Dieses eindimensionale zeitveränderliche Signal enthält sowohl die Lautheits- als auch die Tonhöheninformation. Es kann tatsächlich die Lautheits- und Tonhöheninformationen für viele verschiedene Stimmen zur gleichen Zeit oder für viele Musikinstrumente zur gleichen Zeit usw. in diesem einzigen zeitveränderlichen Wert enthalten.

alex.forencich
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Die Stimme hat sowohl Tonhöhe, dh Frequenz, als auch Lautstärke, die zwei separate analoge Datenströme sind.

Es gibt mehr als zwei, je nachdem, wie Sie es wahrnehmen / analysieren und was sonst noch auf der Strecke vor sich geht. Es könnten Hunderte sein in einem My Bloody Valentine-Song sein, die Streams haben Streams und sie gehen auf 11.

Was wäre, wenn wir sie alle dazu zwingen würden, in einen Datenstrom zu passen?

Denn genau das passiert, wenn all diese Dinge in das Medium Luft eintreten , das das angeborene Medium für alle Geräusche ist. Es kann nur einen Datenstrom verarbeiten , daher wird die Komprimierung erzwungen.

Wenn wir ein Mikrofon in diese Luft stecken und eine Wellenform erhalten, erhalten wir den einen Datenstrom. Die Trennung von Bilinda Butchers atemlosem Triller im Refrain von dem, was ihr MP-41-Phasenkompressor (besonders) mit ihrer Gitarre gemacht hat, unter den 16 anderen Effektpedalen im Stack ... Es ist unmöglich. Weil bei der Komprimierung in diesen einzelnen Stream so viel Einzigartigkeit verloren gegangen ist.

Und doch ist Musik das, und wir lieben sie.

Dieser eine mikrofonierbare Stream wird auf AM oder FM codiert. Das haben Sie vermisst.

Ich ignoriere Stereo , das ist eine eigene Sache.

Harper - Setzen Sie Monica wieder ein
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In einem einfachen AM-System ist das übertragene Signal ungefähr so

x(t)=A(1+m(t))sinωct

m(t)

m(t) selbst sinusförmig.

m(t)m(t) .

Und wenn Sie ein musikalisches Audiosignal wünschen, addieren Sie mehrere Töne mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden und variieren sie auf melodische Weise.

Das Photon
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Die Stimme hat sowohl Tonhöhe, dh Frequenz, als auch Lautstärke, die zwei separate analoge Datenströme sind.

"Tonhöhe" / "Frequenz", "Lautstärke" / "Amplitude". Diese Wörter gehören zu einem Modell , das wir konstruieren, um Klang / Stimme / Musik und menschliches Gehör zu verstehen. Aber viele Phänomene können auf verschiedenen Ebenen modelliert und verstanden werden - manchmal auf vielen Ebenen.

Eine andere Art, Schall zu beschreiben, besteht in einer einzelnen Größe, dem Schalldruck , der mit der Zeit variiert. (Siehe Dave Tweeds Antwort ). Schalldruck ist ein Konzept, das zu einem primitiveren Modell gehört. Dies ist auch die Menge, die die AM- oder FM-Radiomodulation überträgt.

Warum scheint absolut niemand diese eklatante Frage anzusprechen ...?

IMO ist es für Autoren und Pädagogen weit verbreitet, sich auf die Vermittlung eines bestimmten Modells eines Phänomens zu konzentrieren, und sie verlieren den Überblick darüber, dass es andere Modelle und andere Verständnisebenen gibt. Jemand, dessen Hauptinteresse darin besteht, zu verstehen, wie menschliche Gehirne Sprache oder Musik verarbeiten, kann ein völlig anderes Verständnis davon haben, was Klang "tatsächlich ist" als jemand, der an der Gestaltung von Radios interessiert ist. Und wenn beide ausreichend geschlossen sind, können sie sich heftig darüber streiten, welcher von ihnen "richtig" ist.

Keiner von ihnen ist richtig. Ton ist eigentlich nicht das, was einer von ihnen sagt. Sound ist genau das, was er ist, und sie haben unterschiedliche Arten, ihn zu verstehen.


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Es wurde darauf hingewiesen, dass der momentane Signalpegel nur eine eindimensionale zeitvariable Variable ist. Warum also mit Sinussignalen? Weil sowohl AM als auch FM zur Übertragung von a verwendet werden bandbegrenzten Signals verwendet werden Signals über ein höherfrequentes Trägersignal verwendet werden und das einfachste bandbegrenzte Signal ein Sinussignal ist, da es nur eine einzige Frequenz hat. AM ist in Bezug auf die Frequenzspreizung recht einfach (und Sie können die Kapazität durch Verwendung der Seitenbandmodulation verdoppeln), während FM viel unschärfer ist und Reisverteilungen umfasst, wobei die Frequenzspreizung teilweise von der Modulationstiefe abhängt.

In jedem Fall bleibt das einfachste Signal zum Analysieren der Kombination einer Trägerfrequenz und eines bandbegrenzten Signals ein Sinussignal.


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Ich denke, sie wollten fragen, warum willkürlichere Wellenformen nicht häufiger als das in Beispielen zu sendende Signal verwendet werden. Ich glaube nicht, dass sie gefragt haben, warum die Trägerwelle eine Sinuswelle ist.
Kyle A
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Nicht erwähnt ist, wie FM das macht. Der Betrag der Frequenzabweichung von der Trägerfrequenz entspricht der Amplitude. Höhere Frequenz ist positive Amplitude, niedrigere Frequenz ist negative Amplitude. Die Änderungsrate des FM-Signals entspricht der Frequenz.

Der Wiki-Artikel enthält ein Bewegtbild für AM und FM.

https://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_modulation

rcgldr
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Sicher, aber das geht in keiner Weise auf die Frage oder das grundlegende Missverständnis ein, das sie antreibt. Antworten müssen entweder die Frage beantworten oder erklären, warum sie falsch ist, und keine tangentialen Kommentare abgeben.
Chris Stratton
@ChrisStratton - Das OP fragte, wie Frequenz- und Lautstärkeinformationen übertragen werden. Meine Antwort war FM-spezifisch, da es bereits andere Antworten für AM gibt. Ich nahm an, dass die Feststellung, dass die Amplitude mit der Frequenz zusammenhängt, erklären würde, wie die Lautheitsinformationen übertragen werden, und dass die Änderungsrate der Amplitude mit der Amplitudeninformation erklären würde, wie die Frequenzinformationen übertragen werden. Das animierte Bild im Wiki-Artikel zeigt dies ziemlich gut.
RCGLDR
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Lassen Sie mich zusätzlich zu den vorhandenen Antworten, die auf das grundlegende Missverständnis über Signale im Allgemeinen hinweisen, auf etwas hinweisen. Du schreibst:

Nahezu jedes Tutorial zur AM / FM-Modulation zeigt das modulierende Signal als einen einfachen Ton oder eine kontinuierliche Sinuswelle

Ja, und dank des Fourier-Theorems ist das völlig in Ordnung, ohne dass die Verallgemeinerung verloren geht , nach dem die meisten Signale, die uns interessieren, als Summe von Sinus ausgedrückt werden können.

Die (quasi) Linearität unserer Geräte erlaubt es dann, über einfache Sinuswerte nachzudenken, die garantieren, dass die Dinge auch bei komplexeren Signalen funktionieren - Linearität bedeutet im Wesentlichen, dass die Eingabe einer Sinussumme in ein Gerät der Summierung der Sinussumme entspricht Ergebnisse der Zuführung von n Sinus zu n Geräten.

Tobia Tesan
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Ich hatte in Betracht gezogen, Fourier in meiner Antwort zu kommentieren, aber ich entschied, dass es sich nur um periodische Signale handelte und allgemeine Musik und Stimme nicht in diese Kategorie passen würden.
Transistor
Dies ist nicht wirklich mein Fachgebiet, und ich glaube nicht, dass es beim OP hilfreich sein wird, zu viel in die Tiefe zu gehen. Daher halte ich ein Handwinken für in Ordnung, aber so wie ich es verstehe, wird ein nicht-periodisches Signal wie Sprache einfach als stückweise periodisch angesehen um den Satz von Fourier zu nutzen. Und siehe da, wir können immer noch MP3s von Milli Vanilli bekommen.
Tobia Tesan
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Ich stimme Ihnen zu, dass es zwei separate Informationskomponenten gibt für Schallwellen gibt, Tonhöhe (Frequenz) und Lautstärke (Amplitude).

Wie in Abb. 1 der Antwort von Transistor gezeigt, variiert die Schallwelle nicht nur in der Amplitude , sondern auch in Frequenz . Die Amplitude des Schalls moduliert die Amplitude des Trägers, während seine Frequenz die Frequenz des Trägers moduliert. Der Träger hat also auch beide Informationskomponenten der Schallwelle. Nachdem der Träger demoduliert ist , werden beide Informationskomponenten der ursprünglichen Schallwelle wiederhergestellt.
Hoffentlich klärt Ihr Missverständnis von den Fähigkeiten des Trägers und macht deutlich , dass es zwei (nicht ein) Grad an Variabilität.

Guill
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Schauen Sie sich meine Abbildung 1 noch einmal an. Sie können sehen, dass die AM-Frequenz konstant ist. Es gibt nur einen Variabilitätsgrad - die Amplitude. In Ihrem Verständnis von Modulation fehlt etwas.
Transistor
Sie machen den gleichen Fehler wie das Poster - die Amplitude ist nicht wirklich von der Frequenz trennbar, Sie haben nur die Stärken (und Phasen) der Frequenzkomponenten, oder anders ausgedrückt, eine Frequenz ist nur vorhanden, wenn sie eine nicht null größe. Um den ursprünglichen Fehler wirklich zu verstehen, betrachten Sie, wie das Timbre vermittelt wird, dh wie wir eine Trompete im Unterschied zu einer Klarinette hören. Ist das ein dritter Freiheitsgrad? Nein, es ist nur eine andere Mischung von Frequenzkomponentenstärken (sogar Obertöne fehlen auf einer Klarinette). Gleiches gilt für mehrere Instrumente oder mehrere Personen, die gleichzeitig sprechen.
Chris Stratton
Aber dann ist auch Transistor falsch - die Frequenz eines AM-Signals ist weder konstant noch singulär, wenn es keinen Informationsgehalt gäbe. Der Informationsgehalt befindet sich alle in Seitenbändern, die bezüglich der Frequenz von der Zentral- oder Trägerfrequenzkomponente versetzt sind. Der Träger dient lediglich als Referenz, um einfachere Detektoren zu ermöglichen, anstatt den lokalen Oszillator manuell oder algorithmisch abzustimmen, der den Produktdetektor speist, der benötigt würde, wenn die Energieverschwendung in der Konstantfrequenz-Trägerkomponente entfernt würde (als lange Routine außerhalb des Erbes) Einstellungen)
Chris Stratton
@Transistor: Die Frequenz, auf die ich mich beziehe, ist der Ton. Sie können deutlich sehen, dass die linke Seite der Welle eine höhere Frequenz hat als die rechte Hälfte. Der Ton hat keine konstante Frequenz (oder Amplitude).
Guill
@ Guill: Aber das ist nicht ganz das, was du gesagt hast. " Die Amplitude des Schalls moduliert die Amplitude des Trägers, während seine Frequenz die Frequenz des Trägers moduliert. "
Transistor