Модуляция аудиосигналов: AM, тремоло, FM

Модуляция

Модуляция — это приём переноса информации из одного диапазона частот в другой. В аудиотехнике модуляция чаще всего применяется для создания эффектов (тремоло, фленжер, хор) и для подготовки сигнала к передаче по радиоканалу. Здесь мы сосредоточимся на амплитудной модуляции и вариантах частотного изменения, которые используются для художественных и утилитарных задач.

Амплитудная модуляция

Как следует из названия, амплитудная модуляция изменяет амплитуду несущей синусоиды в соответствии с сообщением, которое нужно передать. Синусоиду называют несущей (carrier), потому что она «переносит» информацию. AM широко использовалась в радиовещании на средних волнách (AM-band) и в любительской радиосвязи.

Для чего нужна амплитудная модуляция?

Модуляция радиации. Для передачи сигнала по свободному пространству нужны антенны. Эффективность излучающей антенны связана с длиной волны сигнала. Низкочастотные аудиосигналы (например, 100 Гц) имеют крайне длинную длину волны, поэтому прямая передача таких сигналов требует огромных антенн. Перенос сообщения на высокочастотную несущую (например, 100 МГц) позволяет использовать антенны разумного размера.
Мультиплексирование. С помощью модуляции несколько сигналов можно разместить в разных частях спектра и передавать по одному каналу одновременно. Приёмник затем выбирает нужную полосу. Это основной принцип радио, телевидения, телеметрии и многих систем связи.
Преодоление ограничений оборудования. Фильтры и усилители проектировать проще для определённых частотных диапазонов. Модуляция перемещает сигнал туда, где аппаратные требования легче реализовать.
Аудиоэффекты. Во многих звуковых процессах AM используется не для передачи, а для создания тембра и амплитудных изменений: тремоло, хорус, фленжер и т. п. Именно на этой художественной стороне мы сосредоточены в этом руководстве.

Тремоло

Тремоло — это один из самых простых примеров амплитудной модуляции в аудио: исходный сигнал умножается на периодическую огибающую (обычно синус). В результате амплитуда звука плавно меняется во времени.

Простейшая синтетическая реализация в MATLAB-/Octave-подобном синтаксисе:

>> tremolo='tremolo.ogg';  
>> fs=44100;  
>> t=0:1/fs:10;  
>> wo=2*pi*440*t;  
>> wa=2*pi*1.2*t;  
>> audiowrite(tremolo, cos(wa).*cos(wo),fs);

Форма сигнала с тремоло (синусоидная огибающая)

Этот фрагмент создаёт синусоиду 440 Гц с низкочастотной синусоидальной огибающей 1.2 Гц — слышимый эффект «тремоло».

Схема огибающей тремоло

Тремоло на реальных аудиофайлах

Далее показан рабочий пример с реальной голосовой записью. Предполагается файл ‘A.ogg’ — одиночное произнесение буквы «A».

>> [y,fs]=audioread('A.ogg');  
>> plot(y);

Записанный голосовой сигнал — 'A'

Создадим синусоидальную огибающую с параметрами:

Амплитуда = 1
Частота = 1.5 Гц
Фаза = 0

>> t=0:1/fs:4.99999999;  
>> t=t(:);  
>> w=2*pi*1.5*t;  
>> q=cos(w);  
>> plot(q);

Примечание: при создании массива времени по умолчанию он может иметь форму строки; команда t=t(:) гарантирует столбцовый вектор, совместимый с записью сигнала.

Синусоидальная огибающая 1.5 Гц

Теперь умножаем огибающую на аудиосигнал и сохраняем результат:

>> tremolo='tremolo.ogg';  
>> audiowrite(tremolo, q.*y,fs);

Результирующий модулированный сигнал тремоло

Практическое замечание: если огибающая принимает отрицательные значения, это приведёт к фазовому инвертированию. Для чистого тремоло часто используют огибающую, смещённую вверх (например, 0.5*(1 + cos(ωt))), чтобы избежать нулевой или отрицательной амплитуды.

Изменение частоты

Изменение частоты (frequency variation) используется для создания эффектов тембра, «дрожания» высоты, фейзерных искажений и специальных эффектов для кино и игр. В одном из наиболее простых случаев частота самой несущей подвергается периодической модуляции.

Синусоидальная частотная модуляция

Ниже показан пример синусоидальной частотной модуляции. Формула демонстрирует идею вкладывания модулятора в аргумент косинуса:

Y = Ac cos(wo cos(wo/k))

Где:

Ac — амплитуда
wo — базовая (фундаментальная) угловая частота
k — скалярный делитель, управляющий глубиной/тембром

Пример кода:

>> fm='fm.ogg';  
>> fs=44100;  
>> t=0:1/fs:10;  
>> w=2*pi*442*t;  
>> audiowrite(fm, cos(cos(w/1500).*w), fs);  
>> [y,fs]=audioread('fm.ogg');  
>> figure (); plot (y);

График частотно-модулированного сигнала (FM)

Вы можете использовать почти любую периодическую функцию в роли модулятора. Синус — только один из вариантов. Экспериментируйте с частотами, смешением функций и смещением фаз.

Практические советы и шаблоны применения

Контроль глубины: для тремоло глубина обычно выражается как коэффициент 0–1. 0 — нет модуляции, 1 — полное выключение в пике модулятора. Для музыкально приятного эффекта используйте значения 0.2–0.8.
Частоты модулятора: 0.5–8 Гц — типичный диапазон для тремоло. Медленные значения создают «волнообразный» эффект, быстрые — «вибрато»-подобные или пульсирующие.
Форма огибающей: синус, треугольник и прямоугольник дают разные ощущения. Прямоугольник создаёт «ритмичную» амплитудную вибрацию.
Синхронизация с тактом: для ритмических эффектов синхронизируйте частоту модулятора с BPM проекта.
Предотвращение клиппинга: при умножении сигнала следите за пределами амплитуды; при необходимости применяйте лимитер или нормализацию.

Когда модуляция не подходит

Чистота речи: для чёткой передачи речи тремоло и сильная AM не подходят — они ухудшают разборчивость.
Тонкие акустические источники: сильная AM может подчеркнуть шумы записи.
Фазочувствительные цепи: отрицательная огибающая приведёт к фазовому инвертированию; это следует контролировать при полярности микрофонов и суммировании каналов.

Альтернативные подходы

Кольцевая модуляция (ring modulation): часто используется для «металлических» и атональных эффектов; даёт побочные тоны — комбинации сумм и разностей частот.
Частотная модуляция (FM synthesis): популярна в синтезаторах; даёт богатые гармоники и характерный тембр.
Файловая автоматизация огибающей: вместо умножения статической синусоидой используйте огибающую LFO в DAW с кривыми ADSR.

Мини-методология: как быстро применить тремоло к записи

Подготовьте исходную дорожку и сделайте резервную копию.
Создайте LFO (огибающую) нужной формы и частоты.
Нормируйте огибающую в диапазон 0–1 или 0.5–1 по желанию.
Умножьте сигнал на огибающую (или используйте модуль амплитуды в DAW).
Проверьте на клиппинг и фазовые проблемы; при необходимости примените фильтр низких частот на модулятор.

Чек-листы по ролям

Звукорежиссёр:

Проверить целостность оригинальной записи
Установить частоту LFO и глубину
Слушать на наушниках и мониторах

Звуковой дизайнер:

Экспериментировать с формой модулятора
Комбинировать AM и FM для новых тембров
Документировать настройки для повторяемости

Разработчик плагинов:

Реализовать контролы частоты, глубины, формы LFO
Добавить фазовый сдвиг и режимы смещения
Тестировать на разных sample rate

Критерии приёмки

Эффект слышим и отвечает заданным параметрам частоты/глубины.
Нет непреднамеренного клиппинга или артефактов при нормальном уровне сигнала.
При суммировании каналов сигнал не теряет существенной части энергии из-за фазовых инверсий.

Краткий глоссарий

Несущая — базовый сигнал, на который наносится модуляция.
Огибающая (LFO) — низкочастотный осциллятор, управляющий амплитудой или частотой.
Глубина модуляции — интенсивность изменения параметра (амплитуды/частоты).

Резюме

Амплитудная модуляция и её художественный эквивалент тремоло — простые и мощные инструменты для создания движения в звучании. Частотная модуляция расширяет палитру тембров и даёт богатые гармоники. Практика и эксперимент — лучший путь подобрать правильные параметры для конкретной задачи.

Важное: всегда сохраняйте оригинальные файлы и проверяйте результат на нескольких системах прослушивания.