Como exatamente AM / FM carrega o tom e o volume da voz?

Quase todo tutorial sobre modulação AM / FM mostra o sinal de modulação como algo como um tom simples ou uma onda senoidal contínua. Agora isso é fácil, e para AM você apenas sobrepõe o sinal de modulação sobre a onda portadora como um envelope e voila, e para FM você varia de forma contínua e consistente a frequência. mas ninguém parece apontar o problema óbvio ... A voz tem o tom, ou seja, a frequência e o volume, que são dois fluxos de dados analógicos separados. Nenhum tutorial ou explicação que eu vi, então, dá o próximo passo, extremamente necessário, para explicar como os dois aspectos são transmitidos por esquemas de rádio que aparentemente podem ter apenas um grau de variação, ou seja, amplitude para AM ou frequência para FM.

TL; DR:

1. Como a modulação AM ou FM, cada uma das quais possui apenas uma variável modulável, transmite tanto o tom quanto a intensidade da voz, que são pelo menos dois fluxos analógicos distintos de dados?

2. Por que absolutamente ninguém parece abordar essa questão flagrante em qualquer tutorial / vídeo / redação sobre modulação por rádio?

A voz tem o tom, ou seja, a frequência e o volume, que são dois fluxos de dados analógicos separados.

Não. A voz é transmitida inicialmente como um "fluxo" analógico de ondas de pressão sonora, em que a amplitude da variação da pressão do ar corresponde ao volume (naquele instante) e a taxa de alteração dá o tom.

Nenhum tutorial ... explica [s] como os dois aspectos são transmitidos através de esquemas de rádio que aparentemente podem levar apenas um grau de variação, ...

Os esquemas de modulação AM e FM são analógicos e são chamados analógicos porque a modulação é análoga ( adjetivo , comparável em certos aspectos, tipicamente de maneira a tornar mais clara a natureza das coisas comparadas) ao sinal original - voz ou música.

Mas também estou curioso para saber por que essa próxima pergunta óbvia que nunca parece surgir para as pessoas que fazem esses tutoriais e explicações, nem é a resposta facilmente encontrada por lá, como tenho procurado infrutífera.

Talvez haja uma oportunidade para você lá quando descobrir.

Os tutoriais demonstram os resultados com sinais sinusoidais porque, caso contrário, seria impossível ver a modulação de um sinal complexo em uma escala razoável em um diagrama.

Figura 1. A análise simplificada da AM padrão da Wikipedia descreve um pouco o que você está perguntando.

Observe na ilustração que a forma de onda não é sinusoidal, mas é uma forma de onda arbitrária. Observe também que a modulação de amplitude segue apenas a forma de onda do sinal. Não há muito mais. O microfone converterá a voz em um sinal elétrico analógico e o modulador também modulará a portadora de maneira análoga.

Esqueça o rádio - como você acha que a voz é transmitida por um fio, que só tem "voltagem" - novamente, uma única variável?

O ponto é que "pitch" e "amplitude" são parâmetros abstratos de uma função de tempo de valor único. De fato, você pode sobrepor muitos sinais diferentes em diferentes frequências em um único fio. Cada componente de uma forma de onda tão complexa tem sua própria frequência, fase e amplitude, mas ainda podemos diferenciá-las.

É possível converter tensão em amplitude em um transmissor AM e convertê-lo em frequência em um transmissor FM. Nos dois casos, o sinal pode ser convertido pelo receptor de volta em uma réplica da mesma forma de onda de tensão que criou a modulação em primeiro lugar.

Portanto, se você acredita que a voz (e a música) podem ser transmitidas por um fio, é uma extensão simples transmiti-la como um sinal de rádio.

O som é apenas um sinal variável no tempo, unidimensional. Os microfones controlam essencialmente continuamente as variações na pressão do ar. A qualquer momento, esse é um valor único. Esse valor é o que é 'modulado' na transportadora.

Esse sinal unidimensional de variação de tempo transporta as informações de volume e altura. Na verdade, pode conter as informações de volume e altura para muitas vozes diferentes ao mesmo tempo, ou para muitos instrumentos musicais ao mesmo tempo, etc., neste valor variável no tempo.

A voz tem o tom, ou seja, a frequência e o volume, que são dois fluxos de dados analógicos separados.

Há mais de dois, dependendo inteiramente de como você o percebe / analisa e o que mais está acontecendo na pista. Não poderia ser centenas em um Minha música Bloody Valentine, as correntes têm fluxos e eles vão para 11.

E se forçássemos todos eles para caberem em um fluxo de dados?

Porque é exatamente isso que acontece quando todas essas coisas entram no meio do ar , que é o meio inato de todos os sons. Ele pode lidar apenas com um fluxo de dados , portanto a compactação é forçada.

Quando colocamos um microfone nesse ar e obtemos uma forma de onda, estamos obtendo o único fluxo de dados. Separando o refrão ofegante de Bilinda Butcher no refrão do que seu MP-41 Phase Compressor (em particular) fez com sua guitarra entre os 16 outros pedais de efeitos da pilha ... É impossível. Porque muita singularidade foi perdida na compactação nesse fluxo único.

E, no entanto, é isso que a música é, e nós a amamos.

Esse fluxo microfonável é o que é codificado em AM ou FM. Isso é o que você está perdendo.

Estou ignorando o aparelho de som , isso é um negócio próprio.

Em um sistema AM simples, o sinal transmitido é algo como

$m(t)$

$m(t)$

$m(t)$$m(t)$

E se você deseja um sinal de áudio musical, soma vários tons com diferentes frequências e amplitudes e os varia de maneira melódica.

A voz tem o tom, ou seja, a frequência e o volume, que são dois fluxos de dados analógicos separados.

"Pitch" / "frequência", "volume" / "amplitude". Essas palavras pertencem a um modelo que construímos para entender som / voz / música e audição humana. Mas muitos fenômenos podem ser modelados e compreendidos em diferentes níveis - às vezes, em muitos níveis.

Outra maneira de descrever o som é com uma única quantidade, pressão sonora , que varia com o tempo. (Veja a resposta de Dave Tweed ). Pressão sonora é um conceito que pertence a um modelo de nível mais baixo / mais primitivo. Também é a quantidade que a modulação de rádio AM ou FM transmite.

Por que absolutamente ninguém parece abordar essa pergunta gritante ...?

Na OMI, é muito comum que autores e educadores se concentrem no ensino de um modelo específico de algum fenômeno, e eles perdem a noção do fato de que existem outros modelos e outros níveis de entendimento. Alguém que tem interesse principal é entender como o cérebro humano processa fala ou música pode ter uma compreensão completamente diferente do que o som "realmente é" em comparação com alguém que está interessado em projetar rádios. E, se os dois têm a mente fechada o suficiente, podem ter uma discussão quente sobre qual deles está "certo".

Nenhum deles está certo. O som não é exatamente o que qualquer um deles diz. O som é exatamente o que é, e eles têm maneiras diferentes de entendê-lo.

Tem sido apontado que o nível de sinal instantâneo é apenas uma variável unidimensional variável no tempo. Então, por que se preocupar com sinais senoidais? Como AM e FM são usados ​​para transmitir um sinal de banda limitada através de um sinal de portadora de frequência mais alta, e o sinal mais simples de banda limitada é um sinal senoidal, pois possui apenas uma única frequência. O AM é bastante direto em relação ao seu espalhamento de frequência (e você pode dobrar a capacidade usando a modulação de banda lateral) enquanto o FM é muito mais nebuloso e envolve distribuições de Rice, com o espalhamento de frequência parcialmente dependendo da profundidade da modulação.

De qualquer maneira, o sinal mais simples para analisar a combinação de uma frequência portadora e um sinal de banda limitada permanece um sinal senoidal.

Ainda não mencionado é como FM faz isso. A quantidade de desvio de frequência da frequência portadora corresponde à amplitude. Maior frequência é amplitude positiva, menor frequência é amplitude negativa. A taxa de alteração do sinal FM corresponde à frequência.

O artigo da Wiki inclui uma imagem em movimento para AM e FM.

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

Além das respostas existentes que apontam o equívoco fundamental sobre os sinais em geral, deixe-me apontar algo. Você escreve:

Quase todos os tutoriais sobre modulação AM / FM mostram o sinal de modulação como algo como um tom simples ou uma onda senoidal contínua

Sim, e isso é perfeitamente correto sem perda de generalização, graças ao teorema de Fourier , segundo o qual a maioria dos sinais com que nos preocupamos pode ser expressa como uma soma de senos.

A (quase) linearidade de nossos dispositivos torna admissível raciocinar sobre simples senos, garantindo que as coisas funcionem mesmo na presença de sinais mais complexos - linearidade significa essencialmente que alimentar uma soma de senos para um dispositivo é o mesmo que somar a resultados da alimentação de n senos a n dispositivos.

Concordo com você que existem dois componentes de informações separados de ondas sonoras, tom (frequência) e volume (amplitude).

Como mostra a figura 1 da resposta do Transistor, a onda sonora não apenas varia em amplitude , mas também em frequência . A amplitude do som modula a amplitude da portadora, enquanto sua frequência modula a frequência da portadora. Portanto, a transportadora também possui os dois componentes de informação da onda sonora. Depois que a portadora é desmodulada , os dois componentes de informação da onda sonora original são recuperados.
Esperamos que isso esclareça seu mal-entendido sobre as capacidades da transportadora e deixe claro que ela possui dois (não um) graus de variabilidade.