CS257031B1 - Zapojení pro kompresi a expanzi akustických signálů - Google Patents

Abstract

Zapojení umožňuje vytvoření dynamicky zahuštěného signálu a zpětně z tohoto komprimovaného signálu snadno a přesně vytvořit signál s originální dynamikou. Zdroj /1/ nízkofrekvenčního signálu je připojen jednak na signálový vstup řízeného zesilovače /2/ a jednak na vstup filtru /3/ s dolní a horní propustí. Výstup filtru /3/ je přes obvod /4/ absolutní hodnoty a přes obvod /5/ časové konstanty, jehož časová konstanta je při kompresi poloviční než při expanzi, připojen na obvod /6/ logaritmického převodu, jehož výstup je přes dvoupólový přepínač spojen s řídicím vstupem řízeného zesilovače /2/, tedy se sedmým odporem /R·?/. Při expanzi je výstupem obvodu /6/ logaritmického převodu výstup třetího operačního zesilovače /60/ logaritmického převodníku /61/, mezi nějž a emitor třetího tranzistoru /T^/ převodníku je zapojen třináctý odpor /R^/. Při kompresi je výstupem výstup čtvrtého operačního zesilovače /70/, kam je připojen sedmnáctý odpor /R^-,/, jehož druhý konec je spojen s emitorem pátého tranzistoru /T^./ s uzemněnou bází a kolektroem. Invertující vstup čtvrtého operačního zesilovače /70/ je spojen přes čtrnáctý odpor /Ry^/ s emitorem třetího tranzistoru /T^/ a přes patnáctý odpor /P15/ s emitorem pátého tranzistoru /T5/, neinvertující vstup pak s emitorem čtvrtého tranzistoru /T4/ s uzemněným kolektorem a bází a se šestnáctým odporem /Ry^/ připojeným na záporné napájecí napětí. Mezi odpory platí tyto relace: Ry3 = Ryy - 2 R; R14 = 2 R15

Description

Vynález se týká zapojení pro kompresi a expanzi akustických signálů, které umožňuje vytvoření dynamicky zhuštěného signálu a zpětně z tohoto komprimovaného signálu snadno a přesně vytvořit signál s originální dynamikou.

V současné době se pro kompresi a expanzi používá řada systémů. Všechny tyto systémy dělí akustický resp. nízkofrekvenční signál na pásma například anglický systém Dolby A na čtyři pásma, japonský systém dbX na tři pásma a americký systém CX na dvě pásma. Nevýhodou těchto systémů je, že při dělení nízkofrekvenčního signálu na pásma vznikají problémy s posuvem fáze, čímž je nutno doplnit zařízení dalšími obvody a systém se tak stává složitým. Navíc je u některých těchto systémů nutné dodržet určitou nastavovací úroveň.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zapojení pro kompresi a expanzi akustických signálů podle vynálezu. Jeho podstatou je, že sestává ze zdroje nízkofrekvenčního signálu, který je připojen jednak na signálový vstup řízeného zesilovače a jednak na vstup filtru, který je tvořen horní a dolní propustí. Výstup filtru je přes obvod absolutní hodnoty a přes obvod časové konstanty s impedančním převodníkem připojen na obvod logaritmického převodu.

Obvod časové konstanty má při kompresi poloviční hodnotu časové konstanty než při expanzi, což je zaručeno tím, že je tvořen kondenzátorem, jehož jeden konec je uzemněn a k druhému jsou připojeny vždy paralelně osmý a devátý odpor shodné velikosti, kde osmý odpor je spojen se vstupem obvodu časové konstanty přímo a devátý odpor přes spínač. Obvod logaritmického převodu má na výstupu dvoupólový přepínač, který je spojen s řízeným vstupem řídicího zesilovače, který má na tomto řízeném vstupu sedmý odpor, který je připojen ke spojeným emitorům prvního a druhého tranzistoru řízeného zesilovače.

Při expanzi je tento dvoupólový přepínač spojen s výstupem třetího operačního zesilovače a dále přes třináctý odpor s emitorem třetího tranzistoru, který je součástí logaritmického převodníku, který v tomto případě tvoří obvod logaritmického převodu. Tento třináctý odpor má dvojnásobnou hodnotu, než je hodnota sedmého odporu na vstupu řízeného zesilovače.

V případě komprese je přepínač spojen s výstupem čtvrtého operačního zesilovače, jehož invertující vstup je jednak přes čtrnáctý odpor spojen s emitorem třetího tranzistoru logaritmického převodníku obvodu logaritmického převodu a jednak přes patnáctý odpor, který má hodnotu rovnou polovině hodnoty čtrnáctého odporu, s emitorem pátého tranzistoru, který je přes sedmnáctý odpor spojen s polohu přepínače pro kompresi.

Tento sedmnáctý odpor má shodnou hodnotu jako třináctý odpor;v emitoru třetího tranzistoru logaritmického převodníku. Báze a kolektor pátého tranzistoru jsou uzemněny. Neinvertující vstup čtvrtého operačního zesilovače je spojen s emitorem čtvrtého tranzistoru, který je zároveň přes šestnáctý odpor připojen na záporné napájecí napětí. Kolektor a báze čtvrtého tranzistoru jsou rovněž uzemněny.

Výhodou zapojení podle vynálezu je, že zpracovává nízkofrekvenční signál jako celek, nedělí jej na pásma a je tedy jednoduchý. Nevznikají zde žádné problémy s posuvem fáze.

Barva zvuku zůstává nedotčena, celkové zesílení je regulováno na subakustickém kmitočtu, přičemž okamžité výchylky signálu jsou nedotčeny. Další výhodou systému je, že nemá nastavovací úroveň.

Příklad uspořádání zapojení pro kompresi a expanzi akustických signálů podle vynálezu je naznačen na přiložených výkresech. Na obr. 1 je blokové schéma systému a na obr. 2 je konkrétní zapojení řízeného zesilovače, obvodu časové konstanty a obvodu logaritmického převodu a jejich konkrétní napojení.

Systém je tvořen zdrojem £ nízkofrekvenčního signálu, jehož výstup je spojen jednak se signálovým vstupem řízeného zesilovače £ a jednak s filtrem £, tvořeným horní a dolní propustí. Výstup filtru 3 je přes obvod £ absolutní hodnoty a obvod £ časové konstanty spojen se vstupem obvodu £ logaritmického převodu, jehož výstup je spojen s řídicím vstupem řízeného zesilovače 2.

Řízený zesilovač 2 je tvořen prvním a druhým tranzistorem T₁, T·, v diferenciálním zapojení. K bázi prvního tranzistoru je připojen jednak první odpor R^, který je spojen s výstupem zdroje 2 nízkofrekvenčního signálu a jednak druhý odpor > který je uzemněn.

Báze druhého tranzistoru T₂ je uzemněna. Emitory prvního a druhého tranzistoru , T₂ jsou spojeny přes sedmý odpor R? s výstupem obvodu 2 logaritmického převodu. Kolektor prvního tranzistoru je spojen s neinvertujícím vstupem prvního operačního zesilovače 20. ^a dále se společným bodem třetího a čtvrtého odporu Rg a R , kde čtvrtý odpor R₄ je uzemněn a třetí odpor Rg je připojen na kladné napájecí napětí +U. Kolektor druhého tranzistoru T₂ je spojen s invertujícím vstupem prvního operačního zesilovače 20 a zároveň se společným bodem pátého a šestého odporu a R^, kde pátý odpor R^ je připojen na kladné napájecí·napětí a šestý odpor Řg j^e spojen s výstupem prvního operačního zesilovače 20, kde je též výstup celého systému.

Obvod 2 časové konstanty obsahuje-druhý operační zesilovač 50 ve funkci sledovače, tzn., že jeho ínvertující vstup je spojen s jeho výstupem, který je výstupem tohoto obvodu 2 časové konstanty a je připojen na vstup obvodu 2 logaritmického převodu. Na neinvertující vstup druhého operačního zesilovače 50 jsou připojeny jedním koncem osmý odpor Rg, který je druhým koncem připojen na výstup obvodu 2 absolutní hodnoty, první kondenzátor , který má druhý konec uzemněn a devátý odpor , jehož druhý konec je přes spínač 51 připojen k výstupu obvodu 2 absolutní hodnoty. Osmý odpor Rg a devátý odpor R^ mají stejnou hodnotu.

Součástí obvodu 2 logaritmického převodu je logaritmický převodník 21· Tento logaritmický převodník 61 má na svém vstupu desátý odpor R^^, který je spojen jednak s kolektorem třetího tranzistoru Tg, který je zároveň připojen na Ínvertující vstup třetího operačního zesilovače 60 a jednak přes jedenáctý odpor R-^g s běžcem potenciometru Rg₂, jehož jeden konec je uzemněn a druhý je připojen na malé kladné napětí. Báze třetího tranzistoru Tg je spojena s neinvertujícím vstupem třetího operačního zesilovače 60 a je uzemněna.

V emitoru třetího tranzistoru Tg je zapojen třináctý odpor Rgg, jehož druhý konec je spojen s výstupem třetího operačního zesilovače 60 a je přes jednu polohu dvoupólového přepínače 62 spojen s řízeným vstupem, tzn. vlastně se sedmým odporem R?, řízeného zesilovače 2 a má dvojnásobnou hodnotu než tento sedmý odpor R?. Ve druhé poloze je dvoupólový přepínač 62 připojen k sedmnáctému odporu R^^ o hodnotě shodné s hodnotou třináctého odporu R^g, který je připojen k emitoru pátého tranzistoru T^, jehož kolektor je spojen s bází a je uzemněn.

Emitor pátého tranzistoru T_ je zároveň spojen přes patnáctý a čtrnáctý odpor R a R·^, kde velikost odporu R^₄ je dvojnásobkem velikosti odporu R^^, ^s emitorem třetího tranzistoru Tg logaritmického převodníku 22· Společný bod čtrnáctého a patnáctého odporu Rg₄ a Rg je připojen k invertujícímu vstupu čtvrtého operačního zesilovače 70, jehož výstup je spojen s druhou polohou dvoupólového přepínače 62 a tedy i se sedmnáctým odporem Rg-,. Neinvertující vstup čtvrtého operačního zesilovače 70 je spojen jednak s emitorem čtvrtého tranzistoru , jehož báze a kolektor jsou uzemněny a jednak přes šestnáctý odpor se záporným napájecím napětím -U. Mezi kolektor a šestnáctý odpor Rg₆ je zapojen druhý kondenzátor £₂.

První až pátý tranzistor Tg až T<- systému jsou shodné a jsou umístěny na jednom čipu, čímž jsou teplotně svázány. Napájecí napětí musí být stabilizováno.

Nový účinek vlastně spočívá ve způsobu vytváření řídicího napětí, který umožňuje systém pro kompresi a expanzi podle vynálezu. Řídicí napětí se vytváří přes filtr 3_, obvod 2 absolutní hodnoty a obvod 2 časové konstanty a dále se převádí, nyní již jako řídicí proud, na diferenciální dvojici prvního a druhého tranzistoru Tg a T₂ v řízeném zesilovači 2. Je-li zařízení ve funkci expanderu, znamená to jednak, že obvod 2 časové konstanty je tvořen kondenzátorem Cg a pouze osmým odporem Rg a obvod 2 logaritmického převodu polohou .dvoupólového přepínače 62 zařazuje do funkce pouze logaritmický převodník 61, tzn. bez čtrnáctého odporu Rg₄ a dalších, jím připojených prvků.

Je-li zařízení ve funkci kompresoru, je časová konstanta obvodu 5^ časové konstanty poloviční, nebot je zařazen i devátý odpor R_g a je zapojen celý obvod 2 logaritmického převodu. U expandéru, který je základem tohoto systémy je velikost řídicího proudu přímo odvozena od úrovně vstupního signálu s převodem 1:1, t j . 100% expanze.

Znamená to, že například změna úrovně signálu o +6 dB na vstupu systému vyvolá změnuzisku řízeného zesilovače 2_ též o +6 dB, čili výsledná změna úrovně je +12 dB. Ve statických parametrech tedy expander dynamiku záznamového média vyjádřenou v dB zdvojnásobí. Systém nemá nastavovací úroveň. V celém rozsahu je průběh regulace logaritmický.

Při kompresi je nutné, aby obvod 2 časové konstanty měl poloviční hodnotu časové konstanty a změna napětí převodního tranzistoru, tedy pátého tranzistoru Τ₃,^-*υ_ΒΕ, které je přímo závislý řídicí proud diferenciální dvojice prvního a druhého tranzistoru a T₂ £í^ze ného zesilovače 2^ ^a tudíž zesílení kompresoru, byla poloviční a opačné polarity, tedy - Αϋ_βΕ/2, než napětí U_Bfí na třetím tranzistoru T^, které je odvozeno ze vstupního signálu.

Uvedeným uspořádáním se dosáhne velmi výhodných dynamických poměru systému.

Na výstup zdroje !_ nízkofrekvenčního signálu je připojen signálový vstup řízeného zesilovače 2. Střídavý signál U__ na báži prvního tranzistoru T- řízeného zesilovače 2 způsobuje změny kolektorových proudů prvního a druhého tranzistoru T^ a T₂ tohoto řízeného zesilovače 2· Tyto změny se projeví jako napětové změny na třetím a pátém odporu R^ a Rg.

První operační zesilovač 20 srovná rozdíly napětí na svých vstupech přes šestý odpor Rg výchylkou výstupu. Tím je dáno určité průchozí zesílení.

Změní-li se nyní napětí na výstupu obvodu 6 logaritmického převodu tak, že proud, probíhající přes sedmý odpor R-_z do emitorů prvního a druhého tranzistoru a stoupne například dvakrát, změny kolektorových proudů zůstanou ve vzájemném poměru nezměněny, nebot se nezměnilo napětí^ υ_βΕ, avšak napětové změny na třetím odporu R_g a pátém odporu Rg budou vlivem většího proudu dvakrát větší, což má za následek dvojnásobnou výchylku na výstupu prvního operačního zesilovače 20 Znamená to tedy, že při stejném vstupním napětí na bázi prvního tranzistoru Τ_χ se dosáhne různý zisk změnou proudu prvním a druhým tranzistorem Tj a T₂· Tato závislost je lineární.

Na výstup zdroje JL nízkofrekvenčního signálu je též připojen filtr 3, tvořený zde dolní a horní propustí 2. řádu Butterwathova.typu, kde kritický kmitočet pro dolní propust je 3,2 kHz a pro horní propust je 110 Hz. Okolem filtru 2 í^e omezit vliv okrajových pásem na vytváření řídicího napětí. Princip funkce systému je založen na zcela shodném napětí výstupu kompresoru a vstupu expandéru a je proto nutné případné chyby vyloučit. Z výstupu : filtru 2 jde signál na vstup obvodu 4_ absolutní hodnoty, kde dochází k dvoucestnému usměrnění nízkofrekvenčního signálu s kladný výstupem. Z výstupu obvodu £ absolutní hodnoty je zvlněný stejnosměrný signál veden do obvodu 2 časové konstanty přes osmý odpor R_fj.

Při kompresi se k osmému odporu R_g spínačem 51 připojí devátý odpor Rg shodné velikosti. Tím je splněna nutná podmínka systému, tj. poloviční časová konstanta při kompresi. Dále je signál veden na vstup obvodu 2 logaritmického převodu. Zde platí, že třináctý a sedmnáctý odpor R^₃ a R]y jsou shodné a mají dvojnásobnou hodnotu než sedmý odpor R?, na řídicím vstupu řízeného zesilovače 2· Dále platí, že patnáctý odpor R^g má poloviční hodnotu než čtrnáctý odpor R₁₄· Kladné napětí z výstupu druhého operačního zesilovače 52, který je součástí obvodu 2 časové konstanty, způsobí proudové změny při průchodu desátým odporem R^q na vstupu obvodu 6 logaritmického převodu, která se projeví změnou napětí υ_βΕ třetího tranzistoru T_g.

Toto napětí je zcela přesně přeneseno při expanzi spojením výstupu třetího operačního zesilovače 60 s třináctým odporem R_lg a sedmým odporem R? na první a druhý tranzistor a T?2 řízeného zesilovače 2, nebot při expanzi je dvoupólový přepínač 62. připojen právě na třináctý odpor R_lg obvodu logaritmického převodu.

Tím je tedy zaručena naprostá shoda kolektorových proudů prvního, druhého a třetího tranzistoru Tj, a .

Při kompresi jsou změny emitoru třetího tranzistoru T^ obvodu ji logaritmického převodu zmenšeny na polovinu poměrem 1:2 patnáctého a čtrnáctého odporu R^,. a R^ a polarita je přes napětí emitoru čtvrtého tranzistoru T^ pomocí čtvrtého operačního zesilovače 70 převrácena. Změnou hodnoty šestnáctého odporu Ι^θ lze měnit napětí na emitoru čtvrtého tranzistoru T^ a tím regulovat pracovní bod pátého tranzistoru T^ a tím též prvního a druhého tranzistoru a Ί\ řízeného zesilovače _2·

Proudová shoda prvního, druhého a pátého tranzistoru T^ , ^a Σ5 j^e zajištěna spojením výstupu čtvrtého operačního zesilovače 70 se sedmnáctým odporem R^^, přes dvoupólový přepínač· se sedmým odporem R?. Druhý kondenzátor ^v kolektoru čtvrtého tranzistoru T^ zamezuje vznik případného šumu. Malé kladné napětí nastavené potenciometrem R^ zabraňuje při nulovém signálu překlopení třetího tranzistoru T3 do inverzního stavu. Zároveň omezuje funkci kompresoru při nejmenších signálech a zabraňuje limitaci na výstupu řízeného zesilovače 2^.

Velmi důležitou vlastností systému je jeho odezva na úrovňové skoky, která je nejkritičtější při prudkém zvýšení úrovně. Pro vysvětlení je uvažována tzv. společná úroveň, zvolená z hlediska magnetofonového záznamu - 10 dB; je to úreveň, na které nedochází ani při kompresi ani při expanzi k žádné změně, to znamená, že zisk řízeného zesilovače 2_ je při této úrovni 0 dB. Nyní jde o reakci systému na skok z nuly, tedy z úrovně šumu, na 100% úroveň, to je 0 dB z hlediska magnetofonového záznamu. Vychází se z nové výsledné úrovně, jejíž velikost se objeví na výstupu obvodu £, absolutní hodnoty.

Touto úrovní je nabíjen při kompresi přes osmý a devátý odpor Rg a Rg první kondenzátor Při časové konstantě při kompresi rovné zhruba 20 ms to znamená, že napětí na prvním kondenzátorů dosáhne úrovně - 10 dB z hlediska nové úrovně, pokud by se tato ustálila, za zhruba 8 ms. Toto zvýšení napětí se projeví poklesem zisku řízeného zesilovače 2 na úroveň +5 dB z hlediska nové úrovně, pokud by se tato ustálila. Z hlediska střední úrovně je nyní zisk řízeného zesilovače 2_ 0 dB, čili na výstupu kompresoru je 0 dB.

Zůstane-li vstupní úroveň dále, zisk řízeného zesilovače 2_ klesne na 0 dB z hlediska nové úrovně a z hlediska společné úrovně na -5 dB. Na výstupu kompresoru bude tedy -5 dB.

Z tohoto rozboru vyplývá, že za 6 až 10 ms při sebevětším skoku již nemůže vzniknout zkreslení.

Při expanzi reaguje na náhlé zvýšení úrovně řízený zesilovač 2^ rychlým zvyšováním zisku, zatímco zaznamenaný signál má tendenci klesat. Zhruba 8 ms po uvažovaném skoku je zisk řízeného zesilovače 2_ -5 dB pod novou zvýšenou úrovní, pokud by tato zůstala; z hlediska společné úrovně je zisk řízeného zesilovače 2_ 0 dB. V témže čase je zaznamenaný signál na úrovni 0 dB a na výstupu expanderu je též úroveň 0 dB. Po ustálení, v případě, že zůstane stejná úroveň, bude zisk řízeného zesilovače 2_ z hlediska nové úrovně 0 dB, z hlediska zvýšené úrovně +5 dB, protože na vstupu expandéru bude -5 dB, na výstupu bude opět 0 dB.

Sledování dějů při dynamickém skoku dolů je mnohem jednodušší a podrobnější analýza jasně prokazuje nutnost použití dvojnásobné časové konstanty pro expanzi a při nejnižších akustických kmitočtech nedochází k žádným defektům a nepatrný posuv fáze, vzniklé při kompresi, je při expanzi zcela opraven.

Systém pro kompresi a expanzi podle vynálezu je určen jako doplňkové zařízení ke stávajícím magnetofonům. Umožňuje prakticky bezšumový záznam náročných hudebních snímků s velkou dynamikou. Komprimovaný signál lze bez problému zaznamenat případně i na gramofonovou desku nebo vysílat rozhlasem.

Claims (1)

1. Zapojení pro kompresi a expanzi akustických signálů vyznačující se tím, že sestává ze zdroje /1/ nízkofrekvenčního signálu, který je připojen jednak na signálový vstup řízeného zesilovače /2/ a jednak na vstup filtru /3/, tvořeného horní a dolní propustí, jehož výstup je přes obvod /4/ absolutní hodnoty a přes obvod /5/ Časové konstanty s impedančním převodníkem, kde obvod /5/ časové konstanty má při kompresi poloviční hodnotu časové konstanty· než při expanzi, připojen na vstup obvodu /6/ logaritmického převodu, jehož výstup.je připojen na řídicí vstup řízeného zesilovače /2/, tvořený sedmým odporem /R^/, spojeným s emitory prvního a druhého tranzistoru /T^ a tohoto řízeného zesilovače /2/, přičemž obvod /6/ logaritmického převodu je při expanzi tvořen logaritmickým převodníkem /61/, kde k emitoru třetího tranzistoru /T₃/ je připojen jeden konec třináctého odporu /R₁₃/, jehož hodnota je dvojnásobná než hodnota sedmého odporu /R_?/ a jehož druhý konec je spojen s výstupem třetího operačního zesilovače /60/ a je zároveň při expanzi výstupem obvodu /6/ logaritmického převodu a při kompresi je výstupem obvodu /6/ logaritmického převodu výstup čtvrtého operačního zesilovače /70/, jehož neinvertující vstup je připojen na emitor čtvrtého tranzistoru /T^/, který je dále přes šestnáctý odpor /R^^/ připojen na záporné stabilizované napájecí napětí a jehož báze a kolektor jsou uzemněny a invertujcí vstup tohoto čtvrtého operačního zesilovače /70/ je připojen jednak přes čtrnáctý odpor /R^/ na emitor třetího tranzistoru /Τ^/ logaritmického převodníku obvodu /6/ logaritmického převodu a jednak přes patnáctý odpor /R₁₅/r jehož velikost je rovna polovině velikosti Čtrnáctého odporu /R₁₄/, k emitoru pátého tranzistoru /T^/, kde k tomuto emitoru je zároveň připojen jeden konec sedmnáctého odporu /R^y/, jehož velikost je rovna dvojnásobku velikosti sedmého odporu /R?/ na vstupu řízeného zesilovače /2/ a jehož druhý konec je spojens výstupem čtvrtého operačního zesilovače /70/ a tento společný bod je při kompresi spojen s řídicím vstupem řízeného zesilovače /2/ a kolektor a báze tohoto pátého tranzistoru /T^/ jsou uzemněny.