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Die Erfindung betrifft eine Kompressorschaltung
sowie eine Expanderschaltung zum frequenz- und pegelabhängigen Verstärken eines
Eingangssignals. Die Erfindung betrifft außerdem Vorrichtungen und Systeme,
in denen eine Kompressor- und/oder eine Expanderschaltung eingesetzt
werden kann, insbesondere ein Kompandersystem, eine Sendevorrichtung,
eine Empfängervorrichtung
und ein Übertragungssystem
für die
drahtlose Übertragung von
Audiosignalen.
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Kompressor- und Expanderschaltungen
sind in der Praxis vielfach bekannt. Eine Kompressorschaltung dient
dazu, ein Eingangssignal abhängig von
dem Signalpegel zu verstärken,
um den Dynamikbereich (der Umfang der vorhandenen Signalpegel im
Ausgangssignal) zu verringern. Kleine Signalpegel werden dazu stärker verstärkt als
große
Signalpegel, die nur geringfügig
oder. gar nicht verstärkt oder
sogar abgeschwächt
werden. Eine Expanderschaltung dient ebenfalls dazu, ein Eingangssignal abhängig von
dessen Signalpegel zu verstärken,
wobei jedoch der Dynamik bereich vergrößert werden soll. Die Verstärkung kann
dabei auch kleiner 0 dB sein, so dass niedrige Signalpegel stärker abgeschwächt werden
als größere Signalpegel,
die auch gar nicht abgeschwächt
oder auch verstärkt
werden können.
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Ein Kompandersystem, wie es vielfach
in Übertragungssystemen,
beispielsweise für
drahtlose Telefonie oder drahtlose Mikrofonübertragungen, eingesetzt wird,
weist eine solche Kompressorschaltung und eine dazu korrespondierende
Expanderschaltung auf. Eine durch den beispielsweise in einer Sendevorrichtung
angeordneten Kompressor bewirkte Verkleinerung des Dynamikbereichs
soll dabei durch den beispielsweise in einer Empfängervorrichtung angeordneten
Expander spiegelbildlich wieder rückgängig gemacht werden. Eine solche
Kompanderschaltung ist aus der Produktspezifikation "low voltage compandor
NE/SA575" von Philips
Semiconductors bekannt. Der darin beschriebene Baustein kann als
Expander oder Kompressor konfiguriert werden.
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Die in der Praxis in Übertragungssystemen für drahtlose
Mikrofone eingesetzten Kompandersysteme sind nur bedingt für die Übertragung
perkussiver oder hochtonreicher Musik (z. B. von Gitarre, Schellenring
oder Schlagzeug) einsetzbar und verschlechtern dabei die Übertragungsqualität deutlich hörbar. Auch
andere Nachteile wie eine starke Brummempfindlichkeit, starkes Rumpeln,
zu hoher Spannungsbedarf oder nicht ausreichender Signal-/Rauschabstand
treten bei in der Praxis verwendeten Schaltungen auf. Weitere Probleme
liegen darin, Übersteuerungen
bei plötzlich
einsetzenden Klängen zu
vermeiden, die Geschwindigkeit der Verstärkungsänderung so einzustellen, dass
Verzerrungen verhindert werden, aber Rauschfahnen bei abrupten Ausklingen
nicht hörbar
werden und einen Signal-/Rauschabstand von 120 dB zu erreichen.
Außerdem
soll die Kompanderschaltung möglichst
kostengünstig
zu realisieren sein und einen minimalen Platzbedarf erfordern.
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Aus der
DE 31 25 790 sind Kompressor- und Expander-Schaltungen
bekannt, die jeweils bilineare Charakteristiken haben. Ein Niedrigpegelteil
hat eine im wesentlichen konstante Verstärkung, ein Mittelpegelteil
weist eine sich ändernde
Verstärkung
auf, die für
ein maximales Kompressions- oder Expansionsverhältnis sorgt, und ein Hochpegelteil
weist wiederum eine im wesentlichen konstante Verstärkung auf. Die
Mittelpegelteile mit sich ändernder
Verstärkung der
Charakteristiken sind innerhalb der in Reihe liegenden Schaltungen
gestaffelt, derart, dass die resultierende Gesamtcharakteristik
ein maximales Kompressions- oder Expansions-Verhältnis hat.
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Aus der
DE 31 25 788 A1 ist eine
Netzwerk zur Unterdrückung
von Mittelfrequenz-Modulationseffekten in Kompressoren, Expandern
und Geräuschminderungssystemen
bekannt. Signale bei extrem hohen und/oder tiefen Frequenzen eines
Signalübertragungssystems,
bei dem diese extremen Fehlern im Übertragungskanal unterworfen
sind, werden so gedämpft,
dass sie die Wirkungsweise eines Kompressors, der den Übertragungskanal speist,
nicht steuern, und derart, dass sie im Kompressorausgang zum Kanal
gedämpft
werden. Dementsprechend wird ein komplementärer Expander, der vom Kanal
gespeist wird, keiner Steuerung durch Signale bei Frequenzen unterworfen,
die den Übertragungskanalfehlern
unterworfen sind.
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Aus der
DE 42 23 906 A1 ist eine
Signalverarbeitungsschaltung für
ein Audiogerät
bekannt, die einen Deemphasis-Abschnitt und einen Emphasis-Detektor
aufweist. Ein Emphasis-Signal zeigt an, dass ein Audiosignal einen
Frequenzgang mit angewandeter Peeemphasis hat. Der Deemphasis-Abschnitt
bewirkt eine Deemphasis in Bezug auf ein Audioeingangssignal und
erzeugt ein Audiosignal mit eingesetzter Deemphasis, wenn ihm das
Emphasis-Signal zugeführt
wird.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zugrunde, eine Kompressor- und eine Expanderschaltung für ein Kompandersystem
anzugeben, das hinsichtlich der geschilderten Nachteile und Probleme verbessert
ist und das sich insbesondere bei einem Übertragungssystem für die drahtlose Übertragung von
Audiosignalen einsetzen lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Kompressorschaltung gemäß Anspruch
1 und durch eine Expanderschaltung gemäß Anspruch 5 gelöst.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es vorteilhaft
ist, die Verstärkung
in der Kompressor- und der Expanderschaltung nicht nur pegelabhängig, sondern
auch frequenzabhängig
auszugestalten. Dies wird erfindungsgemäß auf einfache Weise dadurch
erreicht, dass in der Kompressorschaltung vor dem Verstärker eine
Vorverzerrung (Preemphasis) geschaltet wird, die dafür sorgt,
dass höhere
Frequenzen stärker
als niedrige Frequenzen verstärkt werden,
und dass in der Expanderschaltung dem Verstärker eine Nachentzerrung (Deemphasis)
nachgeschaltet ist, der das Ausgangssignal des Verstärkers abhänging von
der Frequenz nachverstärkt,
z. B. hohe Frequenzen geringer verstärkt (oder absenkt) als niedrige
Frequenzen. Vorverzerrung und Nachentzerrung können dabei einander korrespondierend
ausgestaltet sein. Die erfindungsgemäß in der Kompressorschaltung
vorgesehene Begrenzereinheit dient außerdem dazu, den Pegel des
Ausgangssignals zu begrenzen, um Übersteuerungen bei plötzlich auftretenden
hohen Signalpegeln zu verhindern.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
in den Unteransprüchen
angegeben. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Verstärkung des
Verstärkers
nicht nur abhängig
vom Pegel des jeweiligen Eingangssignals sondern auch vom Mittelwert
des gleichgerichteten Ausgangssignals in der Kompressorschaltung beziehungsweise
vom Mittelwert des gleichgerichteten Eingangssignals in der Expanderschaltung
eingestellt wird.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der
Kompressorschaltung bzw. der Expanderschaltung in einer Sendevorrichtung
bzw. einer Empfängervorrichtung,
die in einem drahtlosen Mikrofon, einem Kompandersystem und/oder
einem Übertragungssystem,
insbesondere für
die drahtlose Übertragung
von Audiosignalen, Verwendung finden.
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Ein solches Übertragungssystem weist eine Sendevorrichtung
mit einer Kom pressorschaltung und eine Empfängervorrichtung mit einer Expanderschaltung
auf, wobei erfindungsgemäß der Vorverzerrer
der Kompressorschaltung derart ausgestaltet ist, dass die Verstärkung oberhalb
einer unteren Grenzfrequenz (z. B. 1 kHz) kontinuierlich ansteigt bis
zu einer oberen Grenzfrequenz (z. B. 13 kHz), und wobei der Nachentzerrer
der Expanderschaltung derart ausgestaltet ist, dass die Verstärkung oberhalb der
unteren Grenzfrequenz kontinuierlich abfällt bis zu der oberen Grenzfrequenz
derart, dass die Verstärkung
des Vorverzerrers der Kompressorschaltung spiegelbildlich rückgängig gemacht
wird.
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Bei Einsatz der Erfindung in einem
solchen Übertragungssystem
für die
drahtlose Übertragung von
Audiosignalen hat sich eine deutliche Klangverbesserung verglichen
mit zur Zeit eingesetzten Übertragungssystemen
mit Rauschunterdrückung
gezeigt. Verbesserungen haben sich ergeben beim Signal-/Rauschverhältnis IS/N),
beim SINAD-Wert (signal noise and distortion), beim Frequenzgang,
bei der Linearität
des Verstärkungskennlinie
und beim Burstverhalten. Außerdem
ist der Platz- und Strombedarf reduziert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kompressorschaltung,
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2 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Expanderschaltung,
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3 ein
Schaltbild einer erfindungsgemäßen Kompressorschaltung
und
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4 ein
Schaltbild einer erfindungsgemäßen Expanderschaltung.
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Die in 1 gezeigte
Kompressorschaltung weist als zentrales Glied einen Verstärker 1 auf.
Diesem vorgeschaltet ist ein Vorverzerrer 2, der ein eingehendes
Eingangssignal Ui1 abhängig von dessen Frequenz verstärkt (Preemphasis).
Bei Verwendung dieser Kompressorschaltung in einem Übertragungssystem
für drahtlose
Mikrofone ist das Eingangssignal Ui1 ein
niederfrequentes Audiosignal, das im Vorverzerrer 2 oberhalb
von 1 kHz mit einer Steilheit von 6 dB/Oktave angehoben wird, wobei
dieser Anstieg bis zu einer oberen Grenzfrequenz von 13 kHz reicht.
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Das Maß der Verstärkung des rauscharmen Verstärkers 1 wird
durch den Regelkreis 4 bestimmt. Dazu ist im Gegenkopplungspfad
des Verstärkers 1 ein
Regel glied 5 mit einem Verstärkungsglied (gain cell) 51 und
einem Begrenzer (limiter) 52 angeoidnet. Dieses Regelglied 5 sorgt
dafür,
dass bei großem Eingangssignalpegel
die Verstärkung
des Verstärkers 1 geringer
ist als bei kleinem Eingangssignalpegel. Die Regeleinheit 4 weist
weiterhin einen Mittelwertgleichrichter 6 auf, dessen Ausgangssignal
zur Ansteuerung des Regelgliedes 5 dient. Dazu richtet der
Mittelwertgleichrichter 6 das Ausgangssignal Ua1 gleich
und berechnet den Mittelwert. Sowohl am Ausgang des Mittelwertgleichrichters 6 als
auch am Ausgang des Regelgliedes 5 wird ein den jeweiligen
Eingangsgrößen proportionales
Ausgangssignal geliefert.
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Dem Verstärker 1 nachgeschaltet
ist eine Begrenzereinheit 3 mit einem Begrenzer 31 und
einem Tiefpassfilter 32. Dadurch wird das Ausgangssignal des
Verstärkers 1 auf
einen definierten frequenzabhängigen
Signalpegel begrenzt. Das Tiefpassfilter 32 beseitigt dabei
bei der Begrenzung durch den Begrenzer 31 entstehende Oberwellen,
wozu das Tiefpassfilter 32 bei Verwendung der Kompressorschaltung
in einem Audio-Übertragungssystem
eine Eckfrequenz von 18 kHz aufweisen kann.
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Durch die Steuerung des Regelgliedes 5 vom
Mittelwertgleichrichter her und damit vom Ausgangssignal Ua1 her liefert auch das Regelglied 5 einen
Ausgangsstrom proportional dem Ausgangssignal Ua1.
Die Verstärkung
des Verstärkers 1 ist
damit umgekehrt proportional zum Ausgangssignal Ua1.
Bei einem Ausführungsbeispiel
für ein
Audio-Übertragungssytem
beträgt
die Verstärkung
des Verstärkers 1 bei kleinen
Signalen 55 dB, bei großen
Signalen reduziert sie sich auf –5 dB. Ein Eingangsspannungsbereich
von 120 dB wird somit durch den Kompressor auf 60 dB Dynamikbereich
reduziert.
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Die in 2 gezeigte
Expanderschaltung weist ebenfalls als zentrales Glied einen Verstärker 1 1
auf. Das Eingangssignal Ui2 wird jedoch
zunächst einem
Bandpassfilter 12 zugeführt,
das in einem Ausführungsbeispiel
Grenzfrequenzen von 30 Hz und 22 kHz aufweist. Dieses beseitigt
auf dem Übertragungsweg
zugefügte
Rauschanteile im tiefen und hohen Frequenzbereich (außerhalb
des Hörbereichs), ohne
das empfangene Nutzsignal zu beeinträchtigen. Die Regeleinheit 14 der
Expanderschaltung beziehungsweise der darin vorgesehene Mittelwertgleichrichter 16 wird
dadurch mit dem gleichen Signal angesteuert wie die Regeleinheit 4 bzw.
der Mittelwertgleichrichter 6 der Kompressorschaltung.
Somit sind auch die Ausgangssignale der beiden Mittelwertgleichrichter 16 und 6 identisch.
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Im Signalweg liegt ferner ein Verstärkungsglied
(gain-cell) 15, welches vom Mittelwertgleichrichter 16 angesteuert
wird. Der Ausgangsstrom des Verstärkungsgliedes 15 ist
somit proportional zu seinem Eingangssignal und proportional zum
Mittelwert seines Eingangssignals. Es besteht daher eine quadratische
Abhängigkeit
von seinem Eingangssignal. Ein Eingangsspannungsbereich im Eingangssignal Ui2 von 60 dB wird somit durch den Verstärker 11 aufgrund
dieser Abhängigkeit
auf 120 dB Dynamikbereich vergrößert.
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Dem Verstärker 1 1 ist ein Nachentzerrer 13 nachgeschaltet,
der hohe Frequenzen mit abfallendem Verstärkungsfaktor verstärkt (Deemphasis).
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
fällt die Verstärkung oberhalb
einer Frequenz von etwa 1 kHz mit einer Steilheit von 6 dB/Oktave
ab. Dadurch wird die von dem Vorverzerrer 2 in der Kompressorschaltung
vorgenommene Hochtonanhebung spiegelbildlich wieder rückgängig gemacht.
Rauschen, das im Übertragungsweg
(von Ua1 zu Ui2)
zugefügt
wurde, wird dabei ebenfalls abgesenkt, wodurch der Signal-/Rauschabstand
somit um ca. 20 dB verbessert wird.
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Ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Kompressorschaltung
ist in 3 gezeigt. Dabei kann
der eingangs genannte Baustein NE/SA575 von Philips Semiconductors
zur Realisierung des Mittelwertgleichrichters 6 und des
Verstärkungsgliedes 51 (Block 17)
verwendet werden. Dieser zeigt jedoch die unerwünschte Eigenart, den Arbeitspunkt
geringfügig
in Abhängigkeit
von der Aussteuerung zu verschieben. Diese Verschiebungen sind als
dem Nutzsignal überlagerte
tieffrequente Geräusche
hörbar. Durch
Einfügung
des Begrenzers 52 (antiparallele Dioden) über dem als Verstärkungsglied 51 dienenden
Operationsverstärker
wird nicht nur der Gleichspannungssprung bei Ansteuerung mit niederfrequenten
Bursts vermindert, sondern auch das gesamte Burstverhalten wird
stabilisiert und verkürzt. Durch
den Einsatz von wie gezeigt jeweils 2 Transistoren als Diodenstrecken
in Begrenzer 52 wird die Aussteuerung über dem Verstärkungsglied 51 verdoppelt
und damit besser an den Steuerbereich des Mittelwertgleichrichters 6 und
des Verstärkungsgliedes 51 angepasst,
wobei die Klirrdämpfung
unterhalb der Begrenzung erheblich verbessert wird. Dies resultiert
aus dem idealeren Verhalten der als Dioden geschalteten Transistoren.
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Eine weitere Optimierung des Verhaltens
der Kompanderschaltung kann durch eine niederohmige Arbeitspunkteinstellung
des Verstärkungsgliedes 51 (z.
B. über
20 kOhm) zur Verringerung von Arbeitspunktschwankungen im Rhythmus
mit der Aussteuerung erreicht werden. Durch Untersiebung der Referenzspannungsquelle
(Vref in Block 17) mit einer Kapazität kann der Rumpelgeräuschabstand
optimiert werden.
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In 4 ist
ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Expanderschaltung gezeigt.
Dabei kann ebenfalls der genannte Baustein NE/SA575 von Philips
Semiconductors zur Realisierung des Mittelwertgleichrichters 16 und
des Verstärkungsgliedes 15 (Block 18)
verwendet werden. Das Ausgangssignal des Bandpasses 12 gelangt
einerseits über
den Kondensator C90 an den Mittelwertgleichrichter 16 und andererseits über den
Kondensator C91 an das Verstärkungsglied 15.
Das Verstärkungsglied 15 ist
dabei gleich ausgelegt wie das Verstärkungsglied 51 bei der
in 3 gezeigten Kompressorschaltung.
Das Ausgangssignal des Verstärkungs gliedes 15 wird über den
Kondensator C99 dem Verstärker 1 1
zugeführt.
Dieses Ausgangssignal (der Strom) ist das Produkt aus dem Mittelwert
des gleichgerichteten Ausgangssignals des Bandpasses 12 und
dem Ausgangssignal selbst. Bei Verdopplung der Amplitude dieses
Signals wird der Ausgangsstrom des Verstärkungsgliedes 15 beispielsweise
viermal so groß.
In dem Verstärkungsglied 15 entsteht
somit der Effekt der Dynamikexpansion, wodurch kleine Signale, wie z.B.
Rauschstörungen,
stark abgesenkt werden und nicht mehr weiter störend in Erscheinung treten.
In Verbindung mit der Verstärkungswirkung
der Kompressorschaltung wird bei entsprechender spiegelbildlicher
Auslegung der Expanderschaltung die Gesamtverstärkung am Ausgang des Verstärkungsgliedes 15 wieder
konstant. Der in Verstärker 11 fließende Strom
wird dort in eine Ausgangsspannung verwandelt. Um höhere Frequenzen
abzusenken (spiegelbildlich zur Anhebung in der Kompressorschaltung)
ist in der Gegenkopplung des Verstärkers 11 ein Nachverstärker (Deemphasis)
vorgesehen, so dass der Frequenzgang der gesamten Kompanderschaltung
aus Kompressor- und Expanderschaltung wieder ideal flach ist.
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Die Zeitkonstante des Vorverzerrers 2 (Preemphasis)
bzw. des Nachentzerrers 13 (Deemphasis) der Expanderschaltung
ist optimiert. Eine zu starke Preemphasis müßte durch spiegelbildlich starke
Deemphasis gegenentzerrt werden, die Rumpelgeräusche und tieffrequente Störungen stark
anheben würde.
Eine zu schwache Deemphasis würde dagegen
Empfängerrauschen
nicht genügend
absenken. In einem Audio-Übertragungssystem
ist als Kompromiß eine
Grenzfrequenz von 1 kHz, entsprechend einer Zeitkonstante von 156,04 μs gewählt. Der
Arbeitsbereich einer Preemphasis kann jedoch nicht zu beliebig hohen
Frequenzen Bereichen, weshalb die Entzerrung bis ca. 13 kHz, entsprechend
einer Zeitkonstante von 11,896 μs,
wirksam sein soll. Eine höhere
Grenzfrequenz würde
keine hörbar
stärkere
Absenkung des Rauschens bewirken. Töne oberhalb 18 kHz können auch
zur Übersteuerung
des Verstärkers
führen
und sollen deshalb nicht stärker als
nötig angehoben
werden. Weiterhin stabilisiert die Preemphasis auch das Verhalten
des Verstärkungsgliedes 51 (Boucherot-Glied).
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Die Regelspannung in der Kompressorschaltung
wird erst nach allen Begrenzern und Filtern rückwirkend erzeugt. Das dynamische
Verhalten des Kompanders, insbesondere genau reziprokes Verhalten
zwischen Kompressor und Expander und damit stabile Verstärkung zu
jedem Zeitpunkt, auch bei gleichzeitigem Vorhandensein hoher und
tiefer Töne, wird
dadurch sichergestellt.
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Frequenzen von unterhalb ca. 40 Hz
werden aus dem Steuersignal für
die Mittelwertgleichrichter 6, 16 ausgefiltert.
Dadurch führen
tiefstfrequente Störungen,
die sich bei der drahtlosen Übertragung überlagern,
nicht zu Gleichlauffehlern zwischen Kompressor und Expander.
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In einem Beispiel ist die Zeitkonstante
der Mittelwertgleichrichter 6, 16 zu 10 ms als
Kompromiß aus
Klirrverzerrungen im Tieftonbereich und damit verbundenen Intermodulationsprodukten
sowie schnellstmöglicher
Rauschverdeckung gewählt
worden. Die Ansprechzeit (nach CCITT gemessen) wird damit zu 1,5
ms, die Abfallzeit zu 6 ms.
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Die verwendeten Filter und Begrenzer
sind bevorzugt so weit optimiert, daß der mit diesem so aufbereiteten
Signal frequenzmodulierte Träger
die ETSI-Richtlinien (belegte Bandbreite) problemlos einhält. Außerdem sind
alle kritisch klangbestimmenden Bauteile eng spezifiziert (mit Abweichungen
von 1 bis 5%).