Die Erfindung betrifft einen Signalkompressor, der einen Hauptsignalkanal mit mindestens einer Verknüpfungsvorrichtung aufweist, der sich von einer Eingangsklemme bis zu einer Ausgangsklemme erstreckt, um der Ausgangsklemme eine Hauptsignalkomponente zuzuführen, deren dynamischer Bereich in bezug auf denjenigen eines der Eingangsklemme zugeführten Eingangssignals linear ist, sowie einen zweiten Signalkanal mit einem Eingang, der mit dem Eingang oder dem Ausgang des Hauptsignalkanals verbunden ist, und einem Ausgang, der mit der Verknüpfungsvorrichtung verbunden ist, um eine Verknüpfung von einer zweiten Signalkomponente mit der Hauptsignalkomponente durchzuführen, so dass deren Stärke verringert wird, sowie eine Verwendung des Signalkompressors.
Unter einem Signalkompressor versteht man bekanntlich eine Einrichtung, die den dynamischen Bereich eines Signals komprimiert, wogegen ein Signalexpander eine Einrichtung ist, die den dynamischen Bereich eines Signals expandiert. Signalkompressoren und Signalexpander arbeiten manchmal unabhängig voneinander; häufiger kommt es jedoch vor, dass ein Signalkompressor den dynamischen Bereich eines Eingangssignals komprimiert, bevor das Signal übertragen oder aufgezeichnet wird. Der komplementäre Expander expandiert den dynamischen Bereich des empfangenen Signals oder das von der Aufzeichnungsvorrichtung abgespielte Signal; das bedeutet, dass der Expander die Linearität des dynamischen Bereichs in bezug auf das Eingangssignal wiederherstellt.
Dabei wird das während der Übertragung oder der Aufzeichnung mit der nachfolgenden Abspielung eingeschleppte Geräusch ganz beträchtlich verringert, so dass eine Kombination eines Signalkompressors mit einem Signalexpander als Einrichtung zur Verringerung des Geräuschpegels verwendet werden kann.
Bei der Anwendung von Schaltungen zur Veränderung des dynamischen Bereichs in Einrichtungen zur Verringerung des Geräuschpegels tritt oft die Schwierigkeit auf, dass sehr starke Signale verzerrt werden oder fehlerhaft beeinflusst werden; bei Einrichtungen zur Verringerung des Geräuschpegels besteht aber keine Notwendigkeit, Signale hoher Signalstärke zu verändern, da das Geräusch gewöhnlich in bezug auf die maximale Signalstärke einen verhältnismässig niedrigen Wert hat. Daher sollten Kompressoren und Expander für derartige Einrichtungen so ausgelegt werden, dass Veränderungen der Signaldynamik bei hohen Signalstärken ausgeschaltet werden und sich nur auf niedrige Signalstärken beschränken.
Das kann durch Verwendung einer Gruppe von Schaltungen erzielt werden, die ein Ausgangssignal in einem genau definierten Frequenzband erzeugen, und zwar nach Massgabe eines Eingangssignals in diesem Band, und die bei jeder gegebenen Frequenz des Bandes eine Übertragungscharakteristik zwischen Eingang und Ausgang aufweisen, welche in einen Bereich niedriger Signalstärke und hoher Signalstärke unterteilt ist; dabei hat mindestens der Bereich hoher Signalstärke eine Übertragungscharakteristik, die ausschliesslich durch festeingestellte Schaltungsbauteile bestimmt ist; auf diese Weise wird eine praktisch lineare Übertragungskennlinie geliefert, die in einem Dezibel-Diagramm parallel zu der Kennlinie des Bereiches niedriger Signalstärke verläuft, jedoch gegen diese verschoben ist;
der Ubergang vom Bereich niedriger Signalstärke zum Bereich hoher Signalstärke wird mittels veränderlicher Schaltungen durchgeführt, deren Parameter nach Massgabe der Stärke von einem Signal oder mehreren Signalen in der Schaltung veränderlich sind; diese Parameter gelangen in extreme Zustände, wenn sie den Übergang aus dem Bereich niedriger Signalstärke in den Bereich hoher Signalstärke bewirken; dabei haben alle Änderungen und Unvollkommenheiten in den Parametern im Bereich hoher Signalstärke einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Übertragungskennlinie und das Ausgangssignal.
Die Schaltungen, die diese allgemeine Voraussetzung erfüllen, sind in den Schweizer Patentschriften Nr. 467 560 und Nr. 501 342 erläutert; in der letztgenannten Patentschrift werden Schaltungen vom Typ 1 und vom Typ 2 unterschieden, und auf diese Unterscheidung wird im folgenden zurückgegriffen. Durch die Erfindung wird eine weitere Schaltung geschaffen, deren Ausführungsformen im folgenden als Typ 3 und Typ 4 bezeichnet werden.
Gegenstand der Erfindung sind: a) ein Signalkompressor der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der zweite Signalkanal mindestens eine komplementäre Begrenzerschaltung aufweist, wobei der dynamische Bereich oberhalb eines bestimmten Schwellwerts der zweiten Signalkomponente in bezug auf den dynamischen Bereich des Signals am Eingang zum zweiten Signalkanal linear ist und wobei die Stärke der zweiten Signalkomponente unterhalb des bestimmten Schwellwerts in bezug auf das Signal am Eingang zum zweiten Signalkanal sinkt, wenn die Stärke des letztgenannten Signals unter den Schwellwert fällt; sowie b) eine Verwendung des Signalkompressors in einer Einrichtung zur Geräuschunterdrückung, welche einen zum Kompressor komplementären Signalexpander enthält.
Unter einer komplementären Begrenzerschaltung wird hier durchwegs eine Schaltung verstanden, die im Gegensatz zu einem üblichen Begrenzer ein Signal oberhalb eines Schwellwerts der Signalstärke durchlässt. Ein komplementärer Begrenzerkanal ist dementsprechend ein Signalkanal, der eine solche komplementäre Begrenzerschaltung enthält.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. la und lb Schaltung vom Typ 1 in Form eines Blockschemas, (nicht erfindungsgemäss);
Fig. 2a und 2b Schaltungen vom Typ 2 in derselben Darstellungsweise, (nicht erfindungsgemäss);
Fig. 3a und 3b zwei verschiedene Kennlinien eines üblichen Begrenzers;
Fig. 4a und 4b zwei verschiedene Kennlinien einer komplementären Begrenzerschaltung;
Fig. 5a und 5b Schaltungen vom Typ 3 in Form eines Blockschemas;
Fig. 6a und 6b Schaltungen vom Typ 4 in derselben Darstellungsweise;
Fig. 7a und 7b Kennlinien der Schaltungen vom Typ 3 und Typ 4;
Fig. 8 einen bekannten Expander vom Typ 3;
Fig. 9 bis 12 Schaltung vom Typ 3 und Typ 4 zum Umschalten zwischen Kompressor und Expander;
Fig. 13 eine verzerrungsfreie komplementäre Begrenzerschaltung;
;
Fig. 14 einen Kompressor vom Typ 3, der eine verzerrungsfreie komplementäre Begrenzerschaltung benutzt;
Fig. 15 einen Kompressor vom Typ 3, der unabhängig in zwei verschiedenen Frequenzbändern zu arbeiten gestattet;
Fig. 16 einen Kompressor vom Typ 3, der in einem sich verengenden Frequenzband arbeitet, um Signale grosser Stärke von der Kompression auszuschliessen, und
Fig. 1 6a und 1 6b die Frequenzabhängigkeit der Filterdurchlässigkeit in Form von Kennlinien, die sich auf die Schaltung der Fig. 16 beziehen.
Zur Vereinfachung der Darstellung wird die Verknüpfung der Signale mit einem Pluszeichen dargestellt, falls es sich um eine additive Verknüpfung handelt, wogegen die Verknüpfung, die durch ein Minuszeichen dargestellt worden ist, eine subtraktive Verknüpfung darstellt. Es ist leicht einzusehen, dass das Gesamtergebnis dasselbe bleibt, wenn man auf verschiedenen Wegen vorgeht und beispielsweise andere Inverter benutzt als die dargestellten oder wenn man z. B. Verknüpfungsschaltungen benutzt, die mit Differentialverstärkern ausgerüstet sind, welche tatsächlich ein Signal vom anderen subtrahieren. Es ist nur so viel erforderlich, dass die als umkehrend dargestellten geschlossenen Schleifen im Gesamtergebnis tatsächlich auch eine Umkehrwirkung dauernd ausüben.
Ferner ist es notwendig, dass die als nichtumkehrend dargestellten Schleifen im Gesamtergebnis tatsächlich auch dauernd eine nichtumkehrende Wirkung beibehalten.
Schliesslich ist es notwendig, dass die Ergebnisse der Verknüpfung von Signalen entweder additiv oder subtraktiv bleiben, je nach dem.
Es ist ferner zu beachten, dass nicht dargestellte Verstärker und/oder Abschwächer überall dort verwendet werden können, wo es notwendig ist, um die geeignetsten Bedingungen für die Signalstärke oder die Impedanzanpassung hervorzurufen. Es ist jedoch auch notwendig, dass geeignete relative Signalstärken an der Verknüpfungsvorrichtung im Hauptsignalweg hergestellt werden, um die gewünschte Kompressorwirkung zu schaffen.
In den Fig. la, 2a, sind bekannte und in den Fig. 5a, 6a erfindungsgemässe Kompressoren dargestellt, während die Fig. Ib, 2b, 5b und 6b Expander darstellen. Bei der vorgesehenen Verwendung des Kompressors speist dieser den Expander über einen Informationskanal N. Das bedeutet, dass das in den Informationskanal N gelangende Geräusch durch die Wirkung des Expanders verringert wird. Der Ausdruck Informationskanal wird entweder für einen Übertragungskanal benutzt, der das verschlüsselte Signal vom Kompressor dem Expander in der Istzeit zuführt, oder aber für ein Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät.
Bei dem genannten bekannten Kompressor vom Typ 1 (Fig. la) ist der Hauptsignalweg durch einen linearen Schaltkreis 10 gebildet worden, auf den eine Verknüpfungsvorrichtung 11 folgt. Der lineare Schaltkreis 10 kann entweder durch einen Verstärkungsfaktor gekennzeichnet sein, der entweder positiv oder im Falle der Abschwächung kleiner als eins ist; er kann aber auch für die Frequenzempfindlichkeit oder die Phasenänderungen verantwortlich sein, d. h. für die Filter und die Phasenverschiebungsvorrichtungen, die vorgesehen sein können; trotzdem besitzt der Hauptsignalkanal mindestens eine Linearität im dynamischen Bereich, er kann aber auch vollständig linear sein, d. h. auch linear in bezug auf Frequenz und Phase; im letztgenannten Fall ist die dadurch erzeugte Ausgangssignalkomponente proportional zum Eingangssignal, und zwar auf der augenblicklichen Basis.
Die Signalkomponente des Hauptsignalkanals wird durch die Signalkomponente eines begrenzenden zweiten Signalkanals 12 beeinflusst; diese kann zur Verstärkung oder zur Abschwächung beitragen und kann auf eine bestimmte Frequenz beschränkt sein; der zweite Kanal hat jedoch das wesentliche Merkmal, dass er die Signalkomponente davon begrenzt.
Der Begrenzer kann für diese Anwendung als Schaltkreis ausgebildet sein, der unterhalb eines vorgewählten Schwellwertes ein Signal durchlässt, das einen linearen dynamischen Bereich aufweist, jedoch oberhalb des Schwellwerts das Signal mit einem Verstärkungsfaktor durchlässt, der sich verkleinert, wenn die Stärke des Eingangssignals mit einer solchen Geschwindigkeit wächst, dass die Stärke des Ausgangssignals nicht wesentlich über einen Grösstwert ansteigen kann; letzterer wird als Grenzwert bezeichnet. Die Kennlinien eines solchen bekannten Begrenzers sind in Fig. 3a dargestellt, in der die Ausgangssignalstärke linear gegen die Eingangssignalstärke aufgetragen ist. Der Schwellwert T und die Grenzsignalstärke LL sind auch in Fig. 3a eingetragen.
Die Kurve 13 zeigt eine Möglichkeit, bei der die Ausgangssignalstärke auf dem Grenzwert oberhalb des Schwellwerts gehalten wird; die Fig. 3a zeigt die entsprechende Kurve, die die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors von der Eingangssignalstärke darstellt. Es gibt aber noch andere Möglichkeiten. In Fig. 3a zeigt die Kurve 14, dass die Ausgangssignalstärke von dem Grenzwert oberhalb des Schwellwerts abfällt, wogegen die Kurve 15 zeigt, dass die Ausgangssignalstärke oberhalb des Grenzwerts leicht ansteigt.
Bei dem genannten Expander vom Typ 1 (Fig. Ib) ist der Hauptsignalkanal durch eine Verknüpfungsvorrichtung 16 dargestellt, an die sich ein linearer Schaltkreis 17 anschliesst; dessen Verstärkungs- und Phasencharakteristik sind komplementär denen der Schaltung 10 des Kompressors. Die Signalkomponente des Hauptsignalkanals wird jetzt durch die Signalkomponente des zweiten Signalkanals mit Hilfe eines Inverters 18 geschwächt. Die begrenzenden zweiten Signalkanäle 12 im Kompressor (Fig. la) und im Expander (Fig. Ib) sind miteinander identisch.
Die genannten bekannten Schaltungen vom Typ 2 der Fig. 2a und 2b unterscheiden sich hauptsächlich durch die Stellen, von denen der zweite Signalkanal aus gespeist wird.
Schaltung Eingang des zweiten Signalkanals wird gespeist durch Typ 1-Kompressor: (Fig. la) Eingang des Hauptsignalkanals Typ l-Expander: (Fig. Ib) Ausgang des Hauptsignalkanals Typ 2-Kompressor: (Fig. 2a) Ausgang des Hauptsignalkanals Typ 2-Expander: (Fig. 2b) Eingang des Hauptsignalkanals
Bei den Schaltungen der Fig. 1 und 2 besteht die Notwendigkeit, dass alle Veränderungen und Unvollkommenheiten der Parameter im Bereich hoher Signalstärke des Begrenzers einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Übertragungscharakteristik haben; diese Anforderung wird dadurch erfüllt, dass man sicherstellt, dass der Grenzwert L genügend klein ist, damit der Ausgang des zweiten Signalkanals nicht ein Zehntel des Ausgangs des Hauptsignalkanals im Bereich hoher Signalstärke überschreiten kann.
Die Wirkung des Begrenzers ist mit anderen Worten eine solche, dass der Ausgang des zweiten Signalkanals im Bereich hoher Signalstärken einen vernachlässigbaren Beitrag zum Gesamtausgang des Kompressors bzw. Expanders liefert, der bei diesen Signalstärken praktisch nur als Hauptsignalkanal erscheint. Dieser hat aber, wie oben bereits festgestellt worden ist, einen linearen dynamischen Bereich.
Tatsächlich kann der Hauptsignalkanal nur aus einer direkten Verbindung bestehen, die durch die Verknüpfungsvorrichtung hindurch läuft; er kann jedoch auch einen Verstärker oder einen Abschwächer aufweisen, wie es oben bereits festgestellt worden ist. Der zweite Signalkanal kann einen Verstärker und/oder einen Abschwächer aufweisen, der dem Begrenzer vorausgeht oder folgt. Die Signalkanäle können auch Ausgleichsvorrichtungen für die Frequenzempfindlichkeit oder Phasenempfindlichkeit aufweisen. Unter allen Umständen müssen die oben angestellten Überlegungen an der Stelle einsetzen, wo der Hauptsignalkanal und der zweite Signalkanal bzw. ihre Komponenten tatsächlich miteinander verknüpft werden.
Wenn ein auf Frequenz empfindlicher Schaltkreis im Hauptsignalkanal benützt wird, so kann dieser auch dazu verwendet werden, um einen Ausgleich hervorzurufen, beispielsweise bei einer Audioanlage.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass es mög- lich ist, zweite Signalkanäle einzusetzen, deren Kennlinien komplementär zu den der bereits beschriebenen begrenzen den, zweiten Signalkanäle sind und dazu benutzt werden können, um Kompressoren zu bauen, die die oben genannte grundsätzliche Bedingung erfüllen. Eine komplementäre Begrenzerschaltung lässt oberhalb eines Schwellwerts ein Signal mit linearem dynamischen Bereich durch, während sie unterhalb des Schwellwerts das Signal mit einem Verstärkungsfaktor durchlässt, der sich in dem Masse verringert, wie die Signalstärke des Eingangssignals sinkt. Derartige Schaltungen sind bereits beschrieben worden, aber ihre Bedeutung und ihr Nutzen sind offenbar bis heute noch nicht erkannt worden, womit hier Abhilfe geschaffen wird.
Die Kennlinie einer komplementären Begrenzerschaltung sind in den Fig. 4a und 4b dargestellt, die zu den in den Fig. 3a und 3b dargestellten Begrenzerschaltungen komplementär sind und oberhalb des Schwellwerts lineare Kurven bilden.
Unter der Voraussetzung des Vorhandenseins eines zweiten Signalkanals mit den genannten komplementären Eigenschaften, dessen Ausführungsform weiter unten noch erläutert wird, wird es möglich, Kompressoren und Einrichtungen zur Verringerung des Geräuschpegels zu bauen, die im folgenden durch die Bezeichnungen Typ 3 und Typ 4 gekennzeichnet sind. Einrichtungen vom Typ 3 beziehen sich auf Einrichtungen vom Typ 1, wogegen Einrichtungen vom Typ 4 sich auf Einrichtungen vom Typ 2 beziehen; in jedem Falle ist der Begrenzer in dem zweiten Signalkanal ein Begrenzer mit den genannten komplementären Eigenschaften ( komplementärer Begrenzer ), wobei die Signalkomponente des zweiten Signalkanals von der Signalkomponente des Hauptsignalkanals abgezogen wird. Dagegen würde sie addiert, wenn es sich um einen Expander handelte.
Die wesentlichen Merkmale dieser beiden neuen Einrichtungen sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt, wobei vergleichsweise auch Expander gezeigt werden, welche bei der vorgesehenen Verwendung des Kompressors eingesetzt werden können.
Fig. 5a Typ 3-Kompressor 3C Fig. 5b Typ 3-Expander 3E Fig. 6a Typ 3-Kompressor 4C Fig. 6b Typ 3-Expander 4E
In diesen Figuren stellt der Block 19 den komplementär begrenzenden, zweiten Signalkanal dan Auf dieselbe Weise wie in den Fig. 1 und 2 sind die anderen Bauteile dargestellt worden.
Die Kennlinie 20 des komplementär begrenzenden, zweiten Signalkanals 19 ist in Fig. 7a dargestellt, wobei der Schwellwert mit T bezeichnet worden ist. Die Kennlinie des Hauptsignalkanals wird durch die Linie 21 in Fig. 7b dargestellt. Die Wirkung des Subtrahierens der Kennlinie 20 von der Kennlinie 21 besteht darin, dass auf diese Weise die Kompressorkennlinie 22 geschaffen wird, deren Punkt T dem Schwellwert T der Fig. 7a entspricht; dagegen entspricht der Kompressorschwellwert TT der Stelle, bei der der Ausgang der komplementären Begrenzervorrichtung auf einen vernachlässigbar kleinen Wert gefallen ist, beispielsweise auf -65db. In ähnlicher Weise besteht die Wirkung des Addierens der Kennlinie 20 zur Kennlinie 21 darin, dass die Expanderkennlinie 22 geschaffen wird.
In der bereits erwähnten Patentschrift Nr. 501 342 ist' eine Schaltung beschrieben, die noch einmal in Fig. 8 wiedergegeben ist. Diese Schaltung stellt einen Expander vom vereinfachten Typ 2 dar. Zurückblickend lässt sich jetzt feststellen, dass es sich bei dieser Schaltung tatsächlich um einen Expander vom Typ 4 handelt, bei welchem der Hauptsignalkanal durch den Widerstand Rl verläuft (Fig. 8). Der zweite Signalkanal wird durch eine komplementäre Begrenzervorrichtung geliefert und verläuft durch die Dioden Dl, D2 und ein Tiefpassfilter; letzteres wird durch die Widerstände R1, R2 den Kondensator Cl und die Dioden Dl, D2 gebildet. Die Addiervorrichtung wird mittels des Verbindungspunkts zwischen R1, R2 geliefert.
Die Schaltung der Fig. 8 ist einfacher zu verstehen, wenn man sich vor Augen führt, dass in der Fig. 8a die Widerstände R1, R2 durch einen einzigen Widerstand Rl, R2 ersetzt worden sind. Der Hauptsignalkanal wird durch eine direkte Verbindung 17 dargestellt, welche der Schaltung 17 in Fig. 6b entspricht, wobei die Verknüpfungsvorrichtung 16 das Eingangssignal und das Ausgangssignal des Begrenzers am unteren Ende von Cl addiert. Der Hauptsignalkanal und die zweiten Signalkanäle sind somit in Fig. 8a leicht identifizierbar. Die Vereinfachung in Fig. 8 ist deswegen möglich gewesen, da die Wirkung der Verknüpfungsschaltung 16 dadurch erzielt werden kann, dass man den Widerstand Rl, R2 in zwei Widerstände R1, R2 zerlegen und den Ausgang mit dem Verbindungspunkt zwischen beiden Widerständen R1, R2 elektrisch verbinden kann.
Die Summe der Werte der Widerstände R1, R2 ist gleich dem Wert des Widerstandes R1, R2; letzterer ist erforderlich, um genau die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters zu bestimmen. Das Verhältnis der Widerstände R1, R2 bestimmt nämlich das Verhältnis, mit welchem die Signalkomponenten des Hauptsignalkanals und die des zweiten Signalkanals miteinander verknüpft werden.
Die Wirkung der Schaltung lässt sich am leichtesten aus Fig. 8a erkennen. Die Hauptsignalkanalkomponente wird durch die Signalkomponente des zweiten Signalkanals nur in dem Bandpass des Tiefpassfilters verstärkt. Innerhalb dieses Bandpasses ist diese Verstärkung unabhängig von der Signalstärke. Daher findet keine Expansion des dynamischen Bereichs innerhalb des Bandpasses des Tiefpassfilters statt. Es ist festzustellen, dass das Filter parallel zu den Dioden des komplementären Begrenzers liegt. Der Grund dafür wird weiter unten noch näher erläutert werden.
Es wird angenommen, dass die Frequenz etwas oberhalb der normalen ruhenden Grenzfrequenz des Filters liegt. Bei dieser Frequenz ist keine Verstärkung bei niedrigen Signalstärken vorhanden. Bei hohen Signalstärken werden jedoch die Dioden Dl, D2 leitend und der verkleinerte Reihenwiderstand erhöht die Grenzfrequenz des Filters, so dass sie von dem Bandpass mitumfasst wird. Daher findet bei dieser Frequenz eine Verstärkungswirkung statt. Da die Verstärkungswirkung bei niedrigen Signalstärken fehlt, jedoch bei hohen Signalstärken vorhanden ist, wird gemäss Fig. 7b eine Expanderwirkung erzielt Die Filter- und komplementäre Begrenzervorrichtung der Fig. 8 kann nun auch bei den Schaltungen vom Typ 4 und Typ 3 ebenso wie auch in vollständigen Einrichtungen zur Verringerung des Geräuschpegels benutzt werden. Für derartige Schaltungen sind Videoanwendungen besonders wichtig.
Um sich Farbzwischenträgern anzupassen, kann der Kondensator Cl durch einen parallelgeschalteten Resonanzschaltkreis ersetzt werden; für zusammengesetzte Signal kann ein solcher Schaltkreis in Reihe mit dem
Kondensator Cl gelegt werden.
Der komplementäre Begrenzer in der soeben beschriebenen Schaltung besteht in einfacher Weise aus zwei im Gegentakt arbeitenden Dioden und stellt somit einen momentan wirkenden komplementären Begrenzer dar. Dieser Begrenzer kann auch als eine veränderliche Ankopplungsvorrichtung betrachtet werden, wie sie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 2 211 348 beschrieben ist. Die komplementären Begrenzer können jedoch auch verschiedene andere Formen haben, und beispielsweise Schaltungen aufweisen, in denen ein Impedanzelement so gesteuert wird, und zwar nach Massgabe der Signalhöhe im Kompressor oder Expander, dass die komplementäre Begrenzerwirkung erzielt wird. Diese Schaltungen können ziemlich komplex sein und eine Vielzahl von parallel zueinander liegenden Signalkanälen aufweisen.
So lange die Gesamtwirkung der Schaltung der oben angegebenen Bedingung entspricht, stellt die Schaltung im Sinne dieser Ausführungen einen kom plementären Begrenzer dar. Die in den deutschen Offenlegungsschriften Nr. 2 211 348 (veränderliche Ankopplungsvor richtung) und Nr. 2 211 374 (veränderliche Verknüpfungsvor richtung) beschriebenen Schaltungen sind Schaltungen, die so angeordnet werden können, dass sie als komplementäre
Begrenzer arbeiten. Die Schaltungen dieser Offenlegungsschriften weisen erste und zweite Signalkanäle auf; wie es in den Offenlegungsschriften beschrieben ist, sind die beiden Si gnalkanäle miteinander so verknüpft, dass eine Kompressor oder Expanderwirkung erzielt wird.
Wenn man jedoch die re lativen Wirkungen der beiden Signalkanäle abändert, und zwar quantitativ und weniger qualitativ, dann wird die kombinierte Wirkung der Signalkanäle dazu benutzt werden können, um eine komplementäre Begrenzerwirkung zu erzielen, und zwar derart, dass die Schaltung oberhalb eines unteren Schwellwertes eine lineare dynamische Kennlinie zeigt.
Daher kann eine Schaltung, wie sie in einer der beiden deutschen Offenlegungsschriften beschrieben worden ist, als komplementärer Begrenzer in dem zweiten Signalkanal des Kompressors oder Expanders vom Typ 3 oder 4 verwendet werden; dabei sind sowohl die ersten als auch die zweiten Signalkanäle der Schaltung innerhalb des zweiten Signalkanals des Kompressors oder Expanders angeordnet.
Eine veränderliche Verknüpfungsvorrichtung kann dazu benutzt werden, um selektiv verschiedene Verbindungen mit verschiedenen Signalstellen in dem zweiten Signalkanal bzw.
in den zweiten Signalkanälen hervorzurufen. Beispielsweise kann die veränderliche Verknüpfungsvorrichtung eine automatisch veränderliche Auswahl des Eingangs zu oder des Ausgangs von einem Filter in dem zweiten Signalkanal hervorrufen.
Veränderliche Ankopplungsvorrichtungen können auf verschiedene Weise benutzt werden, mit der Ausnahme, dass die veränderliche Ankopplung eine frequenzselektive Wirkung ausübt, welche von der veränderlichen Ankopplung und nicht nur von fest eingestellten Filtern herrührt. Die ver änderliche Ankopplungsvorrichtung kann beispielsweise eine automatisch veränderliche Impedanz aufweisen, die ein Filter in dem zweiten Signalkanal überbrückt; der Eingang zu und der Ausgang von dem Filter sind somit auf veränderliche Weise angekoppelt; das hat insgesamt das Ergebnis, dass Veränderungen der Frequenzcharakteristik erzielt werden.
Die Fig. 9 bis 12 zeigen Blockschemata für Umschaltvorrichtungen vom Typ 3 und 4, welche wahlweise zwischen dem Kompressor- und dem Expanderteil umschalten. In jedem Fall wird das Umschalten durch einen Umschalter 25 bewirkt, dessen beide Anschlüsse entweder mit 3C, 3E oder mit 4C, 4E bezeichnet sind, um anzuzeigen, ob die Kompressor- oder die Expanderwirkung vorliegt. Dig Fig. 9 und 11 zeigen den Einschaltzustand an der Eingangsseite des zweiten Signalkanals 19 für Schaltungen vom Typ 3 bzw. Typ 4. Die Fig. 10 und 12 zeigen den Einschaltzustand an der Ausgangsseite des zweiten Signalkanals 19 für Schaltungen vom Typ 3 bzw. vom Typ 4.
Diese umschaltbaren Schaltungen sind wichtig, um eine Verringerung des Geräuschpegels bei einem Aufzeichnungsund Wiedergabeverfahren zu erzielen; dabei wird der Kompressor dazu benutzt, um das Signal vor der Aufzeichnung zu komprimieren, wogegen der Expander dazu benutzt wird, um das Signal bei der Wiedergabe zu entschlüsseln.
Im allgemeinen weist eine vollständige Einrichtung zur Verringerung des Geräuschpegels einen Kompressor vom Typ 3 und einen Expander vom Typ 3 oder aber einen Kompressor vom Typ 4 mit einem Expander vom Typ 4 auf.
Falls jedoch die Kennlinien von Hauptsignalkanal und Nebensignalkanal im Kompressor und Expander die gleichen sind, ist die Expanderwirkung zwangsläufig komplementär der Kompressorwirkung. Dabei wird das ursprüngliche Informationssignal vollständig wieder hergestellt, nachdem es zuerst durch den Kompressor verschlüsselt und dann durch den Expander entschlüsselt worden ist. Wenn der Informationskanal ein Aufzeichnungs- und Wiedergabesystem ist, dann kann der Kompressor und der Expander dieselbe Verarbeitungsschaltung mit dem Umschaltvorrichtungen aufweisen wie in Fig. 9 bis 12.
Es gibt jedoch Fälle, bei denen es erwünscht ist, nur den dynamischen Bereich eines Signals zu komprimieren oder zu expandieren; die Kompressoren und Expander vom Typ 3 und 4 können selbstverständlich unabhängig voneinander für derartige Anwendungsfälle verwendet werden.
Bei den Einrichtungen vom Typ 3 und Typ 4 liefert die Differenz oder die Summe von Hauptsignalkomponente und Nebensignalkomponente ein insgesamt als Kompressoroder Expanderwirkung zu bezeichnendes Ergebnis. Oberhalb des Schwellwerts besteht der Ausgang des Kompressors oder Expanders aus der Differenz oder der Summe der beiden Komponenten, die beide einen linearen dynamischen Bereich haben. Daraus folgt, dass der Ausgang des Kompressors oder Expanders oberhalb des Schwellwerts linear ist.
Bei Einrichtungen zur Verringerung des Geräuschpegels reicht es gewöhnlich aus, nur den Bereich niedriger Signalstärke des dynamischen Gesamtbereiches zu beeinflussen, d. h. Signalstärken, die unter -20db, -40db oder selbst unterhalb von -60db in bezug auf den maximalen Nenn-Betriebswert liegen, d. h. eine, zwei oder drei Grössenordnungen tiefer. Alle durch die Inbetriebnahme der komplementären Begrenzervorrichtung im Bereich zwischen T und TT in Fig.
7b eingeschleppten Verzerrungen sind daher auf verhältnismässig kleine Signalstärken beschränkt, bei denen sie nicht stören.
Wenn Kompressoren und komplementäre Expander in Einrichtungen zur Verringerung des Geräuschpegels benutzt werden sollen, so ist es wichtig, dass signalmodulierte Geräuscheffekte vermieden werden. Das wird am besten dadurch erzielt, dass man sicherstellt, dass die verschiedenen Abschnitte des Frequenzspektrums komprimiert oder expandiert werden, und zwar so unabhängig voneinander wie es irgend geht. Daher sollte der Kompressionsgrad oder Expansionsgrad, d. h. die Verringerung des Geräuschpegels, die man beispielsweise bei extrem hohen Audiofrequenzen erzielt, so wenig wie möglich durch die Signalstärken bei niedrigen und mittleren Frequenzen beeinflusst werden.
Zu diesem Zweck kann der zweite Signalkanal ein Filter aufweisen, welches die Signalkomponente, die durch den zweiten Signalkanal bis zu einem bestimmten Teil des gesamten Frequenzbandes hindurchgeht, zu begrenzen; letzteres ist weiter oben bei der grundsätzlichen Überlegung als spezifiziertes Frequenzband bezeichnet worden.
Bei einer Anwendung für Audiozwecke kann beispielsweise die Übergangsfrequenz bei niedrigen Signalstärken bei etwa 3 kHz angesetzt werden und die Verstärkung kann 10 db betragen (bei -40 db oder darunter). Ein solcher Kompressor, der in Verbindung mit einem komplementären Expander verwendet wird, kann dann eine Verringerung des Geräuschpegels bei hohen Frequenzen von 10 db liefern.
Wie es in der oben erwähnten Druckschrift erläutert worden ist, kann selbstverständlich auch eine Vielzahl von zweiten Signalkanälen in Parallelschaltung benutzt werden.
Wenn das zu verarbeitende Signal eine Trägerfrequenz ist, dann wird der Kompressor zweckmässigerweise so ausgelegt, dass er die Trägerfrequenz und deren Seitenbänder ver arbeitet. Das hat gewöhnlich eine automatische Verengung und Verbreiterung des Frequenzbandes auf symmetrischer Basis zur Folge, obwohl es möglich ist, dass die Bandbreitensteuerung asymmetrisch ist, um einem einzelnen Seitenband den Vorzug zu geben oder aber Trägersignalen von Restseitenbändern. Dabei können Trennschaltungen verwendet werden, um Trägerfrequenzen auszuschliessen, die sonst die Wirkung des Kompressors oder Expanders unterdrücken würden.
In den oben erwähnten Druckschriften ist auch beschrieben worden, wie frequenzselektive Schaltungen dazu benutzt werden können, um die Kompressor- oder Expanderwirkung auf bestimmte Abschnitte des gesamten Frequenzbandes zu beschränken. Wenn eine Komponente hoher Signalstärke bei irgend einer Frequenz innerhalb des beschränkten Frequenzbandes auftaucht, dann passt sich die Schaltung selbst an und bewirkt, dass das beschränkte Frequenzband sich verengt, um einen Einfluss des Kompressors oder Expanders auf diese Frequenz auszuschliessen; bei dieser Frequenz wird somit die normale Charakteristik erhalten, wie sie durch den Hauptsignalkanal gegeben ist.
Die veränderte, d. h. komprimierte oder expandierte Kennlinie gilt auch noch für die Signale mit niedriger Signalstärke innerhalb des verengten Frequenzbandabschnitts; dabei wird eine Kompressor- oder Expanderwirkung und somit auch eine Verringerung des Geräuschpegels innerhalb dieses verengten Frequenzbandabschnitts erzielt. Das wird im folgenden als Bandverengungsprinzip bezeichnet, da das eingeschränkte Frequenzband eine Verengung erfährt, um die Kompression, die Expansion und die Geräuschverringerung auf Frequenzen zu beschränken, wo nur Signalkomponenten niedriger Signalstärke anwesend sind.
Nach diesem Verfahren lässt sich ein hoher Kompressions- und Expansionsgrad bei Frequenzen erzielen, die von der Frequenz der Signale mit hoher Signalstärke entfernt sind: eine Folge davon ist eine sehr gute Geräuschverringerung und die Vermeidung von Einflüssen signalmodulierter Geräusche.
Bei der Anwendung dieses Prinzips auf die bekannten Vorrichtungen vom Typ 1 und Typ 2 bestimmt der Bandpass des Filters die Begrenzungscharakteristik unterhalb des Schwellwerts (Fig. 3a), wogegen der Sperrbereich des Filters die Charakteristik oberhalb des Schwellwerts bestimmt; der Bandpass hat sich somit selbsttätig zu verengen, wenn das Signal mit einer Frequenz innerhalb dieses Bandpasses den Schwellwert überschreitet. Ein Komplementärprinzip kann auf Einrichtungen vom Typ 3 und Typ 4 angewendet werden; es lässt sich jedoch, insbesondere aus der Beschreibung der Wirkungsweise der Fig. 8a, erkennen, dass es der Sperrbereich des Filters ist, der die komplementäre Begrenzercharakteristik unterhalb des Schwellwerts bestimmt (Fig. 4a), wogegen der Bandpass des Filters die Charakteristik oberhalb des Schwellwerts bestimmt.
Obwohl sehr ähnliche Schaltungen wie die in den oben genannten Druckschriften benutzt werden können, ist im Falle der Einrichtungen vom Typ 3 und Typ 4 festzustellen, dass jetzt der Sperrbereich verengt werden muss, um eine Frequenz, bei der der Schwellwert überschritten ist, in den Bandpass zu legen; die Einrichtungen vom Typ 3 und Typ 4 erfordern mit anderen Worten, dass der Bandpass verbreitert wird, wogegen die Einrichtungen vom Typ 1 und Typ 2 erfordern, dass der Bandpass verengt wird.
Wie die Fig. 8 zeigt, lassen sich nach den beschriebenen Ausführungen verschiedene Arten von momentanen oder mindestens nichtlinearen Kompressoren und Expandern herstellen, die den dynamischen Bereich individueller Wellenformen des zu verarbeitenden Bereichs komprimieren bzw. expandieren. Derartige Vorrichtungen eignen sich zur Verarbei tung von Videosignalen und anderen Signalen, in denen die Phase beibehalten wird. Die obigen Ausführungen gelten jedoch auch für lineare Vorrichtungen, die auf dem Gebiete der Nachrichtentechnik als syllabische oder verzerrungsfreie Vorrichtungen bezeichnet werden, bei denen individuelle Wellenformen nicht verzerrt werden.
In diesem Zusammenhange bezieht sich das Wort linear nur auf die lineare Behandlung von individuellen Wellenformen. Über grössere Zeiträume weist der zweite Signalkanal die in Fig. 4a oder Fig. 7a dargestellte Nichtlinearität auf. Zu diesem Zweck wird die komplementäre Begrenzervorrichtung so angeordnet, dass sie mit einer geeigneten Zeitkonstante auf eine Signalstärke oder Differenzen verschiedener Signalstärken im Kompressor oder Expander anspricht. Eine sehr einfache komplementäre Begrenzerschaltung zur Erzielung dieses Ergebnisses ist in Fig. 13 dargestellt.
Zwischen einer Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme 10 ist ein elektrischer Widerstand R3 angeschlossen, der mittels eines Feldeffekttransistors Fl geerdet ist.
Ein Steuerkreis 26 leitet ein Steuersignal vom Eingang des komplementären Begrenzers dadurch ab, dass er das Eingangssignal gleichrichtet, bei Bedarf verstärkt und mit der erforderlichen Zeitkonstante glättet. Die Polarität des Steuersignals und die Art des Feldeffekttransistors werden so gewählt, dass letzterer beim Ansteigen des Eingangssignals nach und nach weniger leitend wird und vollständig sperrt, sobald der Schwellwert T der Fig. 4a erreicht worden ist.
Oberhalb des Schwellwerts ist die komplementäre Begrenzervorrichtung daher linear. Unterhalb des Schwellwerts wirkt die Schaltung als Abschwächerschaltung, wobei der Abschwächungsgrad in dem Masse ansteigt, wie die Signalstärke sinkt. Diese Schaltung kann daher als zweiter Signalkanal 19 des komplementären Begrenzers in Fig. 5, 6, 9, 10,11 oder 12 benutzt werden.
Fig. 14 zeigt eine weitere Möglichkeit, und zwar in Form einer vollständigen Schaltung eines Kompressors vom Typ 3. Der Hauptsignalkanal ist durch einen Widerstand R4 dargestellt. Der zweite Signalkanal weist ein Filter 28 auf, dessen Bandpass das Frequenzband definiert, innerhalb dessen der Kompressor wirksam ist. Das Filter ist mit dem komplementären Begrenzer in Reihe geschaltet. Der zweite Signalkanal liefert eine Signalkomponente, die von der Komponente des ersten Signalkanals mittels eines Transistors T1 und dessen Lastwiderstand R5 am Kollektor subtrahiert wird.
Der Transistor Tl mit seiner Emitterschaltung wirkt als komplementärer Begrenzer; die Emitterschaltung ist durch einen Transistor T2 mit Emitterwiderstand R6 und einer festen Vorspannung an der Basis und mittels der Paral lelverbindung mit derselben dargestellt, und zwar über einen Ankopplungstransistor C2, eines Widerstands R7 und eines
Feldeffekttransistors F2. Der leitende Zustand des letzteren wird mittels einer Steuerschaltung 29 gesteuert, die im we sentlichen die Funktionen der Schaltung 26 der Fig. 13 hat; die Ausnahme besteht darin, dass sie so angeordnet ist, dass die Signalstärke am Ausgang des Filters ansteigt, der Feldef fekttransistor in zunehmendem Masse leitend wird und voll ständig leitend ist, sobald der Schwellwert erreicht worden ist.
Im folgenden wird zuerst der Zustand bei den niedrigen
Signalstärken und innerhalb des Bandpasses des Filters 28 be trachtet. Der Feldeffekttransistor F2 stellt eine sehr hohe Im pedanz dar, und der Emitterstrom des Emitters T1 wird voll ständig durch T2 bestimmt. Dieser Strom wird so bemessen, dass er praktisch konstant ist, und zwar mittels der hohen Im pedanz von T2 am Kollektor, wobei T1 eine geringe oder gar keine Stärkung liefert und die zweite Signalkanalkompo nente geschwächt ist. Im folgenden wird jetzt die Lage beim
Erreichen des Schwellwerts betrachtet. F2 ist vollständig lei tend und stellt eine Impedanz von ungefähr 100 Ohm dar.
Die Widerstände R5, R7 können einige Zehntausend Ohm aufweisen, sie sind jedoch klein im Vergleich mit der tatsächlichen Impedanz von T2 und R6. Die Verstärkung der Signalkomponente des zweiten Signalkanals wird jetzt beträchtlich höher ausfallen und wird tatsächlich durch das Verhältnis von R5 und R7 bestimmt; die Impedanz von F2 kann im Hinblick auf R7 vernachlässigt werden. Daher wirkt der komplementäre Begrenzer oberhalb des Schwellwerts mit linearem dynamischen Bereich. Innerhalb des Bandpassfilters wird die Signalkomponente des zweiten Signalkanals, die von der Signalkomponente des Hauptsignalkanals abgezogen wird, bei niedrigen Signalstärken geschwächt, jedoch nicht bei hohen Signalstärken. Daher wird der dynamische Bereich des Ausgangssignals komprimiert.
Innerhalb des Sperrbereichs des Filters wird die Signalkomponente des zweiten Signalkanals nicht bei niedrigen Signalstärken geschwächt, so dass keine Kompressorwirkung erzeugt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem das Filter und der komplementäre Begrenzer in Reihe liegen, besteht jedoch die Gesamtwirkung darin, dass der Ausgang des Kompressors eine Ausgleichscharakteristik überlagert wird; der Ausgang bei Ohm-Signalstärken wird in dem Frequenzbereich des Bandpasses grösser sein.
Die Charakteristik der Schaltung der Fig. 14 bei hohen Signalstärken hängt nicht von der genauen Charakteristik von F2 ab. Das stellt einen beachtlichen Vorteil der Kompressoren und Expander vom Typ 3 und 4 dar; es ist nämlich auf diese Weise mit Hilfe von gedruckten Schaltungen, insbesondere mit Hilfe von Feldeffekttransistoren oder gedruckten Schaltkreisen möglich, komplementäre Begrenzer zu bauen und auch Subtraktions- und Additionsschaltungen, deren Kennlinien ausserhalb der Übertragungsbereiche mittels festgelegter Schaltungsbauteile bestimmt werden. Es ist auf diese Weise möglich, eine sehr hohe Stabilität und Reproduzierbarkeit der Leistung zu erzielen, und zwar unabhängig von den Änderungen der Parameter der Halbleitervorrichtungen, die durch Produktionsunterschiede oder durch Temperaturunterschiede oder durch Alterungseffekte bedingt sind.
Bezüglich der Stabilitätsfrage ist festzustellen, dass der Verstärkungsgrad des zweiten Signalkanals in den Einrichtungen vom Typ 2 kleiner als 1 sein muss; das gilt also auch für die Einrichtungen vom Typ 3. Wenn diese einfache Anforderung erfüllt ist, dann sind die Kompressoren und Expander von sich aus stabil.
Der Eingang zur Steuerschaltung 26 und 29 kann von einer ganzen Anzahl von Stellen in der Einrichtung abgenommen werden. Die in den Fig. 13 und 14 gewählten Stellen sind deswegen vorzuziehen, um eine stabile Wirkungsweise zu erzielen. Die Glättung kann mittels eines zweistufigen Intergrierschaltkreises erfolgen, der es ermöglicht, die Anstiegszeit des Systems kurz zu halten und gleichzeitig die Signalverzerrung und die Erzeugung von Modulationsprodukten auf ein Mindestmass zu verringern. Die erste Stufe sollte eine kleine Zeitkonstante aufweisen. Die zweite Stufe mit einer grösseren Zeitkonstante wird auf nichtlineare Weise mit der ersten Stufe angekoppelt, beispielsweise durch eine Kombination einer Diode mit einem Widerstand; auf diese Weise ist es unter verhältnismässig gleichförmigen Signalbedingungen möglich, dass die zweite Stufe eine zusätzliche Glättung bewirkt.
Für grosse abrupte Änderungen der Signallamplitude wird jedoch die nichtlineare Schaltung leitend und bewirkt, dass die Zeitkonstante der zweiten Schaltung verringert wird.
Während der Anstiegszeit können Überschwünge oder Unterschwünge auftreten. Es ist aber möglich, diese auf eine geringe Amplitude zu begrenzen, indem man in geeigneter Weise geschaltete nichtlineare Bauteile verwendet, wie z. B.
Dioden. Die Benutzung dieser Dioden ist in den Fig. 13 und 14 beispielsweise dargestellt. In Fig. 13 werden die Dioden D3, D4 leitend, wenn die Signalstärke abrupt ansteigt; auf diese Weise werden Unterschwünge in dem durch den komplementären Begrenzer hindurchgehenden Signal vermieden, die sonst in der endlichen Zeit auftreten würden, welche notwendig ist, damit der Feldeffekttransistor F1 seinen leitenden Zustand verliert. In Fig. 14 werden die Dioden D5, D6 leitend, wenn die Signalstärke abrupt ansteigt; auf diese Weise wird ein Überschwang verhindert, welcher in der endlichen Zeit auftreten würde, die notwendig ist, damit der Feldeffekttransistor F2 leitend wird.
In den vorstehenden Ausführungen sind Kompressoren und Expander je für sich beschrieben worden; es ist jedoch auch möglich, die Funktion unter Benutzung von Verstärkern mit negativer Wirkung auszutauschen; dabei wird ein Kompressor oder Expander in die Rückkopplungsschleife gelegt, um eine Expander- oder Kompressorwirkung auszuführen.
Bei den Einrichtungen vom Typ 3 und 4 muss sehr streng auf die Wirkungen der Filter in beiden Signalkanälen geachtet werden, da der Ausgang bei hohen Signalstärken durch die Differenz oder die Summe zweier Filterausgänge geliefert wird. Manchmal sind Phasenverschiebungsschaltungen für diesen Zweck nützlich, die in beiden oder in einem der beiden Signalkanäle eingesetzt werden; das gilt insbesondere zur Optimierung der Gesamtcharakteristik des Systems bei verschiedenen Signalstärken.
Wie die Fig. 14 zeigt, besteht ein Verfahren darin, dass man ein Filter in Reihe mit der komplementären Begrenzerschaltung legt; dabei bestimmt der Bandpass des Filters das Band, in dem die Kompression oder die Expansion erfolgt.
Es können aber auch verschiedene parallele Bänder und Signalkanäle benutzt werden. Es ist dann möglich, in verschiedenen Frequenzbändern eine Kompression oder Expansion unabhängig voneinander zu erzielen.
Eine weitere Technik zur Frequenzauswahl besteht darin, dass man in Reihe geschaltete Filter verwendet, an die veränderliche Verknüpfungs- oder Ankupplungsvorrichtungen angeschlossen sind, welche als komplementäre Begrenzervorrichtungen dienen, wie es beispielsweise in Fig.
15 dargestellt ist. Die komplementäre Begrenzervorrichtung vermeidet die Kompressions- oder Expansionswirkung durch Überbrückung des Filters oder durch Änderung von dessen
Kennlinie, so dass das Signal bei hohen Signalstärken übertra gen wird.
In Fig. 15 ist der Hauptsignalkanal durch eine direkte Ver bindung 17 und die Verknüpfungsvorrichtung 11 dargestellt.
Ein erster Abschnitt des zweiten Signalkanals weist eine steu ernde komplementäre Begrenzervorrichtung 31 auf, die mit einem Band-Sperrfilter 32 verbunden ist. Das am Bandsperr filter auftretende Signal wird mittels eines Differentialverstär kers 33 festgestellt und einem Steuerkreis 34 zugeführt; letz terer richtet das Signal gleich und glättet es, um das Steuersi gnal abzuleiten; letzteres bewirkt, dass die komplementäre
Begrenzervorrichtung 31 das Signal in dem Sperrband beför dert, wenn die Signalstärke im Sperrband ansteigt.
Der erste Abschnitt des zweiten Signalkanals führt zu einem zweiten Abschnitt, welcher eine gesteuerte komple mentäre Begrenzervorrichtung 35, ein Band-Sperrfilter 36 und einen Steuerkreis 37 aufweist. Wahlweise kann dann statt des Differentialverstärkers 33 der zweite Abschnitt ein
Bandpassfilter 38 aufweisen, welches den Frequenzbereich auswählt, der durch das Band-Sperrfilter 36 ausgeschlossen worden ist.
Ähnliche Überlegungen gelten für die Verengung des
Bandes eines Kompressors vom Typ 3, wie er in Fig. 16 dar gestellt ist. Die komplementäre Begrenzervorrichtung ist hier eine veränderliche Ankopplungsvorrichtung; diese weist einen Feldeffekttransistor F3 auf, der an ein abgestimmtes Bandpassfilter angelegt ist.
Letzteres wird durch einen Reihenwiderstand R8 und einen Querzweig dargestellt, welcher einen Induktor Ll und einen Kondensator C3 in Parallelschaltung enthält. Im Nebenschluss vom Widerstand R8 liegen zwei im Gegentakt arbeitende Dioden D7, D8, um Unterschwünge auszuschalten.
Das Signal im Sperrband des Filters wird mittels eines Differentialverstärkers 40 festgestellt, der am Widerstand R8 liegt; das Signal wird dann gleichgerichtet und mittels eines Steuerkreises 41 geglättet, um ein Steuersignal abzuleiten, welches den leitenden Zustand von dem Feldeffekttransistor F3 verstärkt, wenn die Signalstärke des Signals in den Sperrbändern ansteigt.
Wenn der Feldeffekttransistor F3 eine hohe Impedanz hat, dann schaffen die Bauteile R2, L1 und C3 einen verhältnismässig schmalen Bandpass, wie es die Kurve 42 in der Fig. 16a zeigt. Dieser Bandpass kann auf eine Trägerfrequenz fc zentriert werden, wobei das Trägersignal und dessen innere Seitenbänder ständig von der Kompressorwirkung ausgeschlossen sind; das hat seinen Grund darin, dass die Trägersignale immer von dem Filter bis zum Inverter 18 der Verknüpfungsvorrichtung durchgelassen werden. In den Sperrbändern 43, 44 werden jedoch Signale mit niedriger Signalstärke daran gehindert, durch den zweiten Signalkanal hindurchzugehen.
Wenn die Signalstärke der äusseren Seitenbänder des Trägersignals anwächst, verringert das Steuersignal den Widerstand des Feldeffekttransistors F3; auf diese Weise wird der Reihenwiderstand des Filters verkleinert und der Bandpass verbreitert, wie es beispielsweise an der Stelle 45 in Fig. 16a angegeben ist. Die Signale innerhalb des erweiterten Bandpasses 45 werden jetzt von der Kompressorwirkung ausgeschlossen. Die verschiedenartige Behandlung der Signale innerhalb der Frequenzbereiche 46 beim Eintreten des Falles 42 mit niedriger Signalstärke und des Falles 45 mit hoher Signalstärke hat jedoch den Effekt, dass der dynamische Bereich dieser Signale komprimiert wird.
Wenn der Induktor L1 weggelassen wird, wird der abgestimmte Bandpass 42 der Fig. 16a zum Tiefpass 47 der Fig.
16b; dieser bleibt als solcher so lange aufrechterhalten, wie keine Hochfrequenzkomponenten hoher Signalstärke im Sperrband 48 auftreten. Wenn jedoch diese Komponenten auftreten, dann verbreitert der Bandpass die Kennlinie 49.
Die Kompression wird auf das Hochfrequenzsperrband des Filters beschränkt, weil nur in diesem Sperrband die Komponenten mit niedriger Signalstärke nicht die Komponente des Hauptsignalkanals an der Verknüpfungsvorrichtung 11 abschwächen. Die umgekehrte Situation bei der Kompression lässt sich dann erzielen, in dem man den Kondensator C3 fortlässt und nur die Bauteile R8 und L1 benutzt, wobei die Kompression auf ein Niederfrequenz-Sperrband beschränkt wird.
Obwohl die Fig. 14 bis 16 nur Kompressoren vom Typ 3 zeigen, geht aus den Fig. 5 und 6 hervor, wie die Schaltkreise angeordnet werden können, um Expander vom Typ 3 oder Kompressoren und Expander vom Typ 4 aufzubauen.
The invention relates to a signal compressor which has a main signal channel with at least one logic device, which extends from an input terminal to an output terminal in order to supply a main signal component to the output terminal, the dynamic range of which is linear with respect to that of an input signal supplied to the input terminal, as well as a second signal channel having an input which is connected to the input or the output of the main signal channel, and an output which is connected to the combining device in order to perform a combination of a second signal component with the main signal component so that its strength is reduced, as well as a Using the signal compressor.
As is well known, a signal compressor is understood to mean a device which compresses the dynamic range of a signal, whereas a signal expander is a device which expands the dynamic range of a signal. Signal compressors and signal expanders sometimes work independently of one another; more often, however, a signal compressor will compress the dynamic range of an input signal before the signal is transmitted or recorded. The complementary expander expands the dynamic range of the received signal or the signal played back by the recording device; this means that the expander restores the linearity of the dynamic range with respect to the input signal.
The noise introduced during the transmission or the recording with the subsequent playback is very considerably reduced, so that a combination of a signal compressor with a signal expander can be used as a device for reducing the noise level.
When using circuits for changing the dynamic range in devices for reducing the noise level, the problem often arises that very strong signals are distorted or incorrectly influenced; in devices for reducing the noise level, however, there is no need to change signals of high signal strength, since the noise usually has a relatively low value with respect to the maximum signal strength. Compressors and expanders for such devices should therefore be designed in such a way that changes in the signal dynamics are switched off at high signal strengths and are only limited to low signal strengths.
This can be achieved by using a group of circuits which generate an output signal in a precisely defined frequency band, in accordance with an input signal in this band, and which have a transfer characteristic between input and output at any given frequency of the band, which in a Low signal strength and high signal strength area is divided; At least the area of high signal strength has a transmission characteristic which is determined exclusively by permanently set circuit components; In this way, a practically linear transfer characteristic is provided which, in a decibel diagram, runs parallel to the characteristic of the range of low signal strength, but is shifted relative to it;
the transition from the range of low signal strength to the range of high signal strength is carried out by means of variable circuits, the parameters of which can be changed according to the strength of one or more signals in the circuit; these parameters reach extreme states when they cause the transition from the area of low signal strength to the area of high signal strength; All changes and imperfections in the parameters in the high signal strength range have a negligible influence on the transfer characteristic and the output signal.
The circuits that meet this general requirement are explained in Swiss patents No. 467 560 and No. 501 342; In the latter patent, a distinction is made between type 1 and type 2 circuits, and this distinction is used in the following. The invention creates a further circuit, the embodiments of which are hereinafter referred to as type 3 and type 4.
The invention relates to: a) a signal compressor of the type mentioned at the beginning, which is characterized in that the second signal channel has at least one complementary limiter circuit, the dynamic range above a certain threshold value of the second signal component in relation to the dynamic range of the signal at the input to the second signal channel is linear and wherein the strength of the second signal component falls below the certain threshold value with respect to the signal at the input to the second signal channel when the strength of the latter signal falls below the threshold value; and b) a use of the signal compressor in a device for noise suppression which contains a signal expander which is complementary to the compressor.
A complementary limiter circuit is understood here to mean a circuit which, in contrast to a conventional limiter, allows a signal above a threshold value for the signal strength to pass through. A complementary limiter channel is accordingly a signal channel which contains such a complementary limiter circuit.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings.
Show it:
1a and 1b circuit of type 1 in the form of a block diagram (not according to the invention);
2a and 2b circuits of type 2 in the same representation (not according to the invention);
3a and 3b show two different characteristics of a conventional limiter;
4a and 4b show two different characteristics of a complementary limiter circuit;
Figures 5a and 5b show type 3 circuits in the form of a block diagram;
6a and 6b type 4 circuits in the same manner of representation;
7a and 7b show characteristics of the type 3 and type 4 circuits;
8 shows a known type 3 expander;
9 to 12 circuit of type 3 and type 4 for switching between compressor and expander;
Figure 13 shows a distortion-free complementary limiter circuit;
;
Figure 14 shows a type 3 compressor employing a distortion-free complementary limiter circuit;
15 shows a type 3 compressor which allows it to operate independently in two different frequency bands;
16 shows a type 3 compressor operating in a narrowing frequency band in order to exclude signals of great strength from the compression, and FIG
FIGS. 1 6a and 1 6b show the frequency dependence of the filter permeability in the form of characteristic curves which relate to the circuit of FIG.
To simplify the representation, the combination of the signals is shown with a plus sign if it is an additive combination, whereas the combination that has been shown by a minus sign represents a subtractive combination. It is easy to see that the overall result remains the same if one proceeds in different ways and, for example, uses different inverters than those shown or if one z. B. logic circuits are used, which are equipped with differential amplifiers, which actually subtract one signal from the other. All that is required is that the closed loops shown as reversing actually have a permanent reversal effect in the overall result.
Furthermore, it is necessary that the loops shown as non-reversing actually permanently maintain a non-reversing effect in the overall result.
Finally, it is necessary that the results of the combination of signals remain either additive or subtractive, as the case may be.
It should also be noted that amplifiers and / or attenuators (not shown) can be used wherever necessary in order to create the most suitable conditions for the signal strength or the impedance matching. However, it is also necessary that suitable relative signal strengths are established at the linking device in the main signal path in order to create the desired compressor effect.
In FIGS. 1 a, 2 a, known compressors according to the invention are shown in FIGS. 5 a, 6 a, while FIGS. 1 b, 2 b, 5 b and 6 b show expanders. With the intended use of the compressor, it feeds the expander via an information channel N. This means that the noise entering the information channel N is reduced by the action of the expander. The term information channel is used either for a transmission channel that feeds the encrypted signal from the compressor to the expander in the actual time, or for a recording and reproducing device.
In the known compressor of type 1 mentioned (FIG. 1 a), the main signal path has been formed by a linear circuit 10, which is followed by a logic device 11. The linear circuit 10 can either be characterized by a gain factor which is either positive or, in the case of attenuation, less than one; but it can also be responsible for the frequency sensitivity or the phase changes, i. H. for the filters and phase shifting devices that may be provided; nevertheless the main signal channel has at least one linearity in the dynamic range, but it can also be completely linear, i.e. H. also linear in terms of frequency and phase; in the latter case, the output component thereby produced is proportional to the input signal on the instantaneous basis.
The signal component of the main signal channel is influenced by the signal component of a limiting second signal channel 12; this can contribute to amplification or weakening and can be limited to a certain frequency; however, the essential feature of the second channel is that it limits the signal component thereof.
For this application, the limiter can be designed as a circuit which lets through a signal below a preselected threshold value which has a linear dynamic range, but above the threshold value allows the signal to pass through with an amplification factor which decreases when the strength of the input signal has such a gain Speed increases so that the strength of the output signal cannot increase significantly above a maximum value; the latter is referred to as the limit value. The characteristics of such a known limiter are shown in Fig. 3a, in which the output signal strength is plotted linearly against the input signal strength. The threshold value T and the limit signal strength LL are also entered in FIG. 3a.
Curve 13 shows one way in which the output signal strength is kept at the limit value above the threshold value; FIG. 3a shows the corresponding curve which shows the dependence of the gain factor on the input signal strength. But there are other options. In FIG. 3 a, curve 14 shows that the output signal strength falls from the limit value above the threshold value, whereas curve 15 shows that the output signal strength increases slightly above the limit value.
In the aforementioned type 1 expander (FIG. 1b), the main signal channel is represented by a linking device 16 to which a linear circuit 17 is connected; its gain and phase characteristics are complementary to those of the circuit 10 of the compressor. The signal component of the main signal channel is now weakened by the signal component of the second signal channel with the aid of an inverter 18. The limiting second signal channels 12 in the compressor (Fig. 1a) and in the expander (Fig. Ib) are identical to one another.
The aforementioned known circuits of type 2 in FIGS. 2a and 2b differ mainly in the points from which the second signal channel is fed.
Circuit Input of the second signal channel is fed by type 1 compressor: (Fig. La) Input of the main signal channel Type I expander: (Fig. Ib) Output of the main signal channel Type 2 compressor: (Fig. 2a) Output of the main signal channel type 2- Expander: (Fig. 2b) input of the main signal channel
In the circuits of FIGS. 1 and 2 it is necessary that all changes and imperfections of the parameters in the range of high signal strength of the limiter have a negligible influence on the transmission characteristics; This requirement is met by ensuring that the limit value L is sufficiently small so that the output of the second signal channel cannot exceed a tenth of the output of the main signal channel in the high signal strength range.
In other words, the effect of the limiter is such that the output of the second signal channel in the area of high signal strengths makes a negligible contribution to the overall output of the compressor or expander, which practically only appears as the main signal channel with these signal strengths. However, as has already been stated above, this has a linear dynamic range.
In fact, the main signal channel can only consist of a direct link running through the linking device; however, it can also have an amplifier or an attenuator, as has already been stated above. The second signal channel may have an amplifier and / or an attenuator preceding or following the limiter. The signal channels can also have compensation devices for frequency sensitivity or phase sensitivity. Under all circumstances, the above considerations must apply at the point where the main signal channel and the second signal channel or their components are actually linked to one another.
If a frequency-sensitive circuit is used in the main signal channel, this can also be used to produce compensation, for example in an audio system.
The invention is based on the knowledge that it is possible to use second signal channels whose characteristics are complementary to those of the limiting second signal channels already described and which can be used to build compressors that meet the above-mentioned basic condition fulfill. A complementary limiter circuit allows a signal with a linear dynamic range to pass above a threshold value, while below the threshold value it allows the signal to pass with a gain factor that decreases as the signal strength of the input signal decreases. Such circuits have already been described, but their importance and use have apparently not yet been recognized, which is a remedy here.
The characteristics of a complementary limiter circuit are shown in FIGS. 4a and 4b, which are complementary to the limiter circuits shown in FIGS. 3a and 3b and form linear curves above the threshold value.
Assuming the presence of a second signal channel with the complementary properties mentioned, the embodiment of which will be explained below, it is possible to build compressors and devices for reducing the noise level, which are identified below by the designations type 3 and type 4. Type 3 devices refer to Type 1 devices, while Type 4 devices refer to Type 2 devices; in any case, the limiter in the second signal channel is a limiter with the complementary properties mentioned (complementary limiter), the signal component of the second signal channel being subtracted from the signal component of the main signal channel. On the other hand, it would be added if it was an expander.
The essential features of these two new devices are shown in FIGS. 5 and 6, with expanders also being shown for comparison, which can be used in the intended use of the compressor.
Fig. 5a Type 3 compressor 3C Fig. 5b Type 3 expander 3E Fig. 6a Type 3 compressor 4C Fig. 6b Type 3 expander 4E
In these figures, the block 19 represents the complementary limiting, second signal channel. In the same way as in FIGS. 1 and 2, the other components have been shown.
The characteristic curve 20 of the complementarily limiting, second signal channel 19 is shown in FIG. 7a, the threshold value having been designated by T. The characteristic of the main signal channel is shown by line 21 in Fig. 7b. The effect of subtracting the characteristic curve 20 from the characteristic curve 21 is that the compressor characteristic curve 22 is created in this way, the point T of which corresponds to the threshold value T of FIG. 7a; on the other hand, the compressor threshold value TT corresponds to the point at which the output of the complementary limiter device has fallen to a negligibly small value, for example to -65 dB. Similarly, the effect of adding the characteristic curve 20 to the characteristic curve 21 is that the expander characteristic curve 22 is created.
In the aforementioned patent specification no. 501 342, a circuit is described which is shown again in FIG. This circuit represents an expander of the simplified type 2. Looking back it can now be determined that this circuit is actually a type 4 expander, in which the main signal channel runs through the resistor R1 (FIG. 8). The second signal channel is supplied by a complementary limiter device and runs through the diodes D1, D2 and a low-pass filter; the latter is formed by the resistors R1, R2, the capacitor Cl and the diodes Dl, D2. The adder is provided by means of the connection point between R1, R2.
The circuit of FIG. 8 is easier to understand if one realizes that in FIG. 8a the resistors R1, R2 have been replaced by a single resistor R1, R2. The main signal channel is represented by a direct connection 17, which corresponds to the circuit 17 in FIG. 6b, the logic device 16 adding the input signal and the output signal of the limiter at the lower end of C1. The main signal channel and the second signal channels can thus be easily identified in FIG. 8a. The simplification in FIG. 8 has been possible because the effect of the logic circuit 16 can be achieved by dividing the resistor R1, R2 into two resistors R1, R2 and electrically connecting the output to the connection point between the two resistors R1, R2 can.
The sum of the values of the resistors R1, R2 is equal to the value of the resistor R1, R2; the latter is required to precisely determine the cutoff frequency of the low-pass filter. The ratio of the resistors R1, R2 determines the ratio with which the signal components of the main signal channel and those of the second signal channel are linked to one another.
The effect of the circuit can be seen most easily from FIG. 8a. The main signal channel component is amplified by the signal component of the second signal channel only in the bandpass of the low-pass filter. Within this bandpass, this gain is independent of the signal strength. Therefore, there is no expansion of the dynamic range within the bandpass of the low-pass filter. It should be noted that the filter is parallel to the diodes of the complementary limiter. The reason for this will be explained in more detail below.
It is assumed that the frequency is slightly above the normal resting cut-off frequency of the filter. At this frequency there is no gain at low signal strengths. At high signal strengths, however, the diodes D1, D2 become conductive and the reduced series resistance increases the cut-off frequency of the filter so that it is also included in the bandpass. Therefore, at this frequency there is a reinforcing effect. Since the amplification effect is absent at low signal strengths, but is present at high signal strengths, an expander effect is achieved according to FIG. 7b. The filter and complementary limiter device of FIG. 8 can now also be used in circuits of type 4 and type 3 as well as in complete Devices to reduce the noise level are used. Video applications are particularly important for such circuits.
In order to adapt to color subcarriers, the capacitor C1 can be replaced by a parallel-connected resonance circuit; for composite signal, such a circuit can be in series with the
Capacitor Cl are placed.
The complementary limiter in the circuit just described consists in a simple way of two diodes operating in push-pull mode and thus represents a complementary limiter that is active at the moment. This limiter can also be viewed as a variable coupling device, as described, for example, in German Offenlegungsschrift No. 2 211 348 is described. The complementary limiters can, however, also have various other forms, and for example have circuits in which an impedance element is controlled in accordance with the signal level in the compressor or expander, so that the complementary limiter effect is achieved. These circuits can be quite complex and have a large number of signal channels in parallel.
As long as the overall effect of the circuit corresponds to the condition given above, the circuit represents a complementary limiter in the sense of these explanations. The in German Offenlegungsschrift No. 2 211 348 (variable coupling device) and No. 2 211 374 (variable link device ) circuits are circuits that can be arranged so that they are complementary
Limiter work. The circuits of these laid-open specifications have first and second signal channels; As described in the laid-open specifications, the two signal channels are linked to one another in such a way that a compressor or expander effect is achieved.
However, if you change the relative effects of the two signal channels, quantitatively and less qualitatively, then the combined effect of the signal channels can be used to achieve a complementary limiting effect, in such a way that the circuit above a lower threshold value a shows linear dynamic characteristic.
Therefore, a circuit as it has been described in one of the two German laid-open specifications can be used as a complementary limiter in the second signal channel of the compressor or expander of type 3 or 4; Both the first and the second signal channels of the circuit are arranged within the second signal channel of the compressor or expander.
A variable linking device can be used to selectively connect different connections to different signal points in the second signal channel or
in the second signal channels. For example, the variable combination device can produce an automatically variable selection of the input to or the output from a filter in the second signal channel.
Variable coupling devices can be used in various ways, with the exception that the variable coupling exerts a frequency selective effect, which results from the variable coupling and not just from fixed filters. The variable coupling device can, for example, have an automatically variable impedance which a filter in the second signal channel bridges; the input to and output from the filter are thus variably coupled; the overall result is that changes in the frequency characteristic are achieved.
9 to 12 show block diagrams for switching devices of type 3 and 4, which switch between the compressor part and the expander part. In any case, the switching is effected by a changeover switch 25, the two connections of which are designated either with 3C, 3E or with 4C, 4E, in order to indicate whether the compressor or the expander effect is present. 9 and 11 show the switched-on state on the input side of the second signal channel 19 for circuits of type 3 and type 4. FIGS. 10 and 12 show the switched-on state on the output side of the second signal channel 19 for circuits of type 3 and type 4, respectively Type 4.
These switchable circuits are important to achieve a reduction in the noise level in a recording and reproducing process; the compressor is used to compress the signal before recording, while the expander is used to decrypt the signal during playback.
In general, a complete system for reducing the noise level comprises a type 3 compressor and a type 3 expander or a type 4 compressor with a type 4 expander.
However, if the characteristics of the main signal channel and secondary signal channel in the compressor and expander are the same, the expander effect is inevitably complementary to the compressor effect. The original information signal is completely restored after it was first encrypted by the compressor and then decrypted by the expander. If the information channel is a recording and reproducing system, the compressor and the expander may have the same processing circuitry with the switching devices as in Figs. 9-12.
There are cases, however, when it is desirable to compress or expand only the dynamic range of a signal; the compressors and expanders of type 3 and 4 can of course be used independently of one another for such applications.
In the case of devices of type 3 and type 4, the difference or the sum of the main signal component and the secondary signal component provides a result that can be referred to as a compressor or expander effect. Above the threshold, the output of the compressor or expander is the difference or the sum of the two components, both of which have a linear dynamic range. It follows that the output of the compressor or expander is linear above the threshold value.
In the case of devices for reducing the noise level, it is usually sufficient to only influence the low signal strength portion of the total dynamic range, i.e. H. Signal strengths that are below -20db, -40db or even below -60db with respect to the maximum rated operating value, i.e. H. one, two or three orders of magnitude lower. All through the commissioning of the complementary limiter device in the area between T and TT in Fig.
7b introduced distortions are therefore limited to relatively small signal strengths at which they do not interfere.
If compressors and complementary expanders are to be used in noise reduction devices, it is important that signal modulated noise effects are avoided. The best way to do this is to make sure that the various sections of the frequency spectrum are compressed or expanded as independently as possible. Therefore, the degree of compression or expansion, i.e. H. the reduction of the noise level, which is achieved, for example, at extremely high audio frequencies, are influenced as little as possible by the signal strengths at low and medium frequencies.
For this purpose, the second signal channel can have a filter which limits the signal component which passes through the second signal channel up to a certain part of the entire frequency band; the latter has been referred to above in the fundamental consideration as the specified frequency band.
In an application for audio purposes, for example, the crossover frequency for low signal strengths can be set at around 3 kHz and the gain can be 10 db (at -40 db or below). Such a compressor, used in conjunction with a complementary expander, can then provide a 10 dB reduction in noise level at high frequencies.
As has been explained in the above-mentioned document, a plurality of second signal channels can of course also be used in parallel connection.
If the signal to be processed is a carrier frequency, then the compressor is expediently designed so that it processes the carrier frequency and its sidebands. This usually results in an automatic narrowing and widening of the frequency band on a symmetrical basis, although it is possible that the bandwidth control may be asymmetrical to give preference to a single sideband or carrier signals from residual sidebands. Isolation circuits can be used to exclude carrier frequencies that would otherwise suppress the effect of the compressor or expander.
The above-mentioned documents also describe how frequency-selective circuits can be used to limit the compressor or expander effect to certain sections of the entire frequency band. If a high signal strength component appears at any frequency within the constrained frequency band, then the circuit adapts itself and causes the constrained frequency band to narrow in order to prevent the compressor or expander from influencing that frequency; at this frequency the normal characteristic is thus obtained as it is given by the main signal channel.
The changed, d. H. The compressed or expanded characteristic also applies to the signals with low signal strength within the narrowed frequency band section; a compressor or expander effect and thus also a reduction in the noise level within this narrowed frequency band section is achieved. This is referred to in the following as the band narrowing principle, since the restricted frequency band is narrowed in order to restrict compression, expansion and noise reduction to frequencies where only signal components of low signal strength are present.
According to this method, a high degree of compression and expansion can be achieved at frequencies that are distant from the frequency of the signals with high signal strength: a consequence of this is very good noise reduction and the avoidance of the influence of signal-modulated noise.
When this principle is applied to the known devices of type 1 and type 2, the bandpass of the filter determines the limiting characteristic below the threshold value (FIG. 3a), whereas the blocking range of the filter determines the characteristic above the threshold value; the bandpass has to narrow automatically if the signal with a frequency within this bandpass exceeds the threshold value. A complementary principle can be applied to type 3 and type 4 devices; However, in particular from the description of the mode of operation of FIG. 8a, it can be seen that it is the blocking range of the filter that determines the complementary limiter characteristic below the threshold value (FIG. 4a), whereas the bandpass of the filter determines the characteristic above the threshold value certainly.
Although circuits very similar to those in the above-mentioned documents can be used, it should be noted in the case of devices of type 3 and type 4 that the stop range must now be narrowed in order to pass a frequency at which the threshold value is exceeded to lay; in other words, the Type 3 and Type 4 devices require that the bandpass be widened, whereas the Type 1 and Type 2 devices require that the bandpass be narrowed.
As FIG. 8 shows, according to the embodiments described, various types of instantaneous or at least non-linear compressors and expanders can be produced which compress or expand the dynamic range of individual waveforms of the range to be processed. Such devices are suitable for processing video signals and other signals in which phase is maintained. However, the foregoing also applies to linear devices, referred to in the telecommunications field as syllabic or distortion-free devices, in which individual waveforms are not distorted.
In this context, the word linear only refers to the linear treatment of individual waveforms. Over longer periods of time, the second signal channel exhibits the non-linearity shown in FIG. 4a or FIG. 7a. For this purpose, the complementary limiter device is arranged in such a way that it responds with a suitable time constant to a signal strength or differences in different signal strengths in the compressor or expander. A very simple complementary limiter circuit for achieving this result is shown in FIG.
An electrical resistor R3 is connected between an input terminal and an output terminal 10 and is grounded by means of a field effect transistor F1.
A control circuit 26 derives a control signal from the input of the complementary limiter in that it rectifies the input signal, amplifies it if necessary and smooths it with the required time constant. The polarity of the control signal and the type of field effect transistor are selected so that the latter gradually becomes less conductive when the input signal rises and blocks completely as soon as the threshold value T of FIG. 4a has been reached.
The complementary limiter device is therefore linear above the threshold value. Below the threshold value, the circuit acts as an attenuator circuit, the degree of attenuation increasing as the signal strength decreases. This circuit can therefore be used as the second signal channel 19 of the complementary limiter in FIGS. 5, 6, 9, 10, 11 or 12.
Fig. 14 shows a further possibility, namely in the form of a complete circuit of a compressor of type 3. The main signal channel is represented by a resistor R4. The second signal channel has a filter 28, the bandpass of which defines the frequency band within which the compressor is effective. The filter is connected in series with the complementary limiter. The second signal channel supplies a signal component which is subtracted from the component of the first signal channel by means of a transistor T1 and its load resistance R5 at the collector.
The transistor Tl with its emitter circuit acts as a complementary limiter; the emitter circuit is represented by a transistor T2 with an emitter resistor R6 and a fixed bias voltage at the base and by means of the Paral lel connection with the same, namely via a coupling transistor C2, a resistor R7 and a
Field effect transistor F2. The conducting state of the latter is controlled by means of a control circuit 29 which essentially has the functions of circuit 26 of FIG. 13; the exception is that it is arranged in such a way that the signal strength at the output of the filter increases, the field effect transistor becomes increasingly conductive and is fully conductive as soon as the threshold value has been reached.
The following first describes the state of the low
Signal strengths and within the band pass of the filter 28 be sought. The field effect transistor F2 is a very high impedance, and the emitter current of the emitter T1 is fully constantly determined by T2. This current is measured in such a way that it is practically constant by means of the high impedance of T2 at the collector, with T1 providing little or no boost and the second signal channel component being weakened. The following is the situation at
Considered reaching the threshold. F2 is fully conductive and represents an impedance of approximately 100 ohms.
The resistors R5, R7 can be tens of thousands of ohms, but they are small compared to the actual impedance of T2 and R6. The gain of the signal component of the second signal channel will now be considerably higher and is actually determined by the ratio of R5 and R7; the impedance of F2 can be neglected with regard to R7. Therefore, the complementary limiter acts above the threshold with a linear dynamic range. Within the bandpass filter, the signal component of the second signal channel, which is subtracted from the signal component of the main signal channel, is weakened at low signal strengths, but not at high signal strengths. Therefore, the dynamic range of the output signal is compressed.
Within the blocking range of the filter, the signal component of the second signal channel is not weakened at low signal strengths, so that no compressor effect is generated.
In this embodiment, however, in which the filter and the complementary limiter are in series, the overall effect is that a compensating characteristic is superimposed on the output of the compressor; the output at ohm signal strengths will be greater in the frequency range of the band pass.
The characteristic of the circuit of FIG. 14 at high signal strengths does not depend on the exact characteristic of F2. This is a significant advantage of Type 3 and Type 4 compressors and expanders; This is because it is possible in this way with the help of printed circuits, in particular with the help of field effect transistors or printed circuits, to build complementary limiters and also subtraction and addition circuits, the characteristics of which are determined outside the transmission areas by means of fixed circuit components. In this way, it is possible to achieve a very high stability and reproducibility of the performance, regardless of the changes in the parameters of the semiconductor devices that are caused by differences in production or by temperature differences or by aging effects.
With regard to the stability issue, it should be noted that the gain of the second signal channel in type 2 devices must be less than 1; This also applies to type 3 devices. If this simple requirement is met, then the compressors and expanders are inherently stable.
The input to control circuitry 26 and 29 can be taken from a number of locations in the facility. The locations selected in Figs. 13 and 14 are therefore preferable in order to achieve stable operation. The smoothing can be done by means of a two-stage integrating circuit, which makes it possible to keep the rise time of the system short and at the same time to reduce the signal distortion and the generation of modulation products to a minimum. The first stage should have a small time constant. The second stage with a larger time constant is coupled to the first stage in a non-linear manner, for example by a combination of a diode and a resistor; In this way, under relatively uniform signal conditions, it is possible for the second stage to effect additional smoothing.
For large, abrupt changes in the signal amplitude, however, the non-linear circuit becomes conductive and has the effect that the time constant of the second circuit is reduced.
During the rise time, overshoots or undershoots can occur. But it is possible to limit this to a low amplitude by using appropriately switched non-linear components, such as. B.
Diodes. The use of these diodes is shown in FIGS. 13 and 14, for example. In Fig. 13 the diodes D3, D4 become conductive when the signal strength increases abruptly; In this way, undershoots in the signal passing through the complementary limiter are avoided, which would otherwise occur in the finite time which is necessary for the field effect transistor F1 to lose its conductive state. In Fig. 14, the diodes D5, D6 become conductive when the signal strength increases abruptly; in this way an excess is prevented, which would occur in the finite time that is necessary for the field effect transistor F2 to become conductive.
In the foregoing, compressors and expanders have each been described separately; however, it is also possible to exchange the function using amplifiers with a negative effect; a compressor or expander is placed in the feedback loop to perform an expander or compressor action.
With devices of types 3 and 4, the effects of the filters in both signal channels must be observed very strictly, since the output at high signal strengths is provided by the difference or the sum of two filter outputs. Phase shifting circuits which are used in both or in one of the two signal channels are sometimes useful for this purpose; this applies in particular to the optimization of the overall characteristics of the system with different signal strengths.
As Figure 14 shows, one method is to put a filter in series with the complementary limiter circuit; The bandpass of the filter determines the band in which the compression or expansion takes place.
However, different parallel bands and signal channels can also be used. It is then possible to achieve compression or expansion independently of one another in different frequency bands.
Another technique for frequency selection consists in using series-connected filters to which variable linking or coupling devices are connected, which serve as complementary limiter devices, as shown for example in FIG.
15 is shown. The complementary limiter device avoids the compression or expansion effect by bridging the filter or by changing it
Characteristic curve so that the signal is transmitted at high signal strengths.
In Fig. 15, the main signal channel is represented by a direct connection 17 and the linking device 11.
A first section of the second signal channel has a controlling complementary limiter device 31, which is connected to a band-stop filter 32. The signal occurring on the band-stop filter is detected by means of a differential amplifier 33 and fed to a control circuit 34; the latter rectifies the signal and smooths it in order to derive the control signal; the latter causes the complementary
Limiter device 31 transports the signal in the stop band when the signal strength increases in the stop band.
The first section of the second signal channel leads to a second section which has a controlled complementary limiter device 35, a band-stop filter 36 and a control circuit 37. Optionally, instead of the differential amplifier 33, the second section can then be a
Have band-pass filter 38, which selects the frequency range that has been excluded by the band-stop filter 36.
Similar considerations apply to the narrowing of the
Band of a compressor of type 3, as it is shown in Fig. 16 is. The complementary limiter device is a variable coupling device here; this has a field effect transistor F3 which is applied to a matched bandpass filter.
The latter is represented by a series resistor R8 and a shunt arm, which contains an inductor Ll and a capacitor C3 in parallel. Two diodes D7, D8 working in push-pull are shunted to resistor R8 in order to switch off undershoots.
The signal in the stop band of the filter is detected by means of a differential amplifier 40 which is connected to resistor R8; the signal is then rectified and smoothed by means of a control circuit 41 in order to derive a control signal which increases the conductive state of the field effect transistor F3 when the signal strength of the signal in the stop bands increases.
If the field effect transistor F3 has a high impedance, then the components R2, L1 and C3 create a relatively narrow bandpass, as shown by the curve 42 in FIG. 16a. This band pass can be centered on a carrier frequency fc, the carrier signal and its inner sidebands being constantly excluded from the compressor effect; the reason for this is that the carrier signals are always allowed to pass from the filter to the inverter 18 of the logic device. In the stop bands 43, 44, however, signals with low signal strength are prevented from passing through the second signal channel.
If the signal strength of the outer sidebands of the carrier signal increases, the control signal reduces the resistance of the field effect transistor F3; in this way the series resistance of the filter is reduced and the bandpass is broadened, as indicated, for example, at point 45 in FIG. 16a. The signals within the extended band pass 45 are now excluded from the compressor effect. The different treatment of the signals within the frequency ranges 46 when the case 42 with low signal strength and the case 45 with high signal strength occur, however, has the effect that the dynamic range of these signals is compressed.
If the inductor L1 is omitted, the tuned bandpass filter 42 of FIG. 16a becomes the lowpass filter 47 of FIG.
16b; this is maintained as such as long as no high-frequency components of high signal strength occur in the stop band 48. However, if these components occur, then the bandpass broadens the characteristic curve 49.
The compression is restricted to the high-frequency cut-off band of the filter because the components with low signal strength do not weaken the components of the main signal channel at the linking device 11 only in this cut-off band. The reverse situation for compression can then be achieved by omitting the capacitor C3 and using only the components R8 and L1, the compression being restricted to a low-frequency stop band.
Although Figures 14-16 show only Type 3 compressors, Figures 5 and 6 show how the circuitry can be arranged to make up Type 3 or Type 4 compressors and expanders.