DE1954328A1

DE1954328A1 - Signalkompressor oder -expander

Info

Publication number: DE1954328A1
Application number: DE19691954328
Authority: DE
Inventors: Dolby Ray Milton
Original assignee: Dolby Laboratories Inc
Current assignee: Dolby Laboratories Inc
Priority date: 1968-11-01
Filing date: 1969-10-29
Publication date: 1970-06-11
Also published as: NO127166B; CH508312A; DE1954328B2; BE740914A; JPS5148008B1; DK143150C; SE346189B; NL6916490A; AT294920B; FR2022422A1; DK143150B; NL163078C; US3631365A

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Willislm Beichel
Dipl-ing. Wolfecni Beichel

6 Frankfurt a. M. 1
Pkiite I

DOLBY LABORATORIES INC., New York, N.Y. VStA

Signalkompressor oder -expander

Die Erfindung betrifft einen Signalkompressor oder -expander mit einem Geradeaus-Signalkanal und einer Vorrichtung, die dem Ausgangssignal dieses Kanals zur Verstärkung oder Dämpfung (additiv oder substraktiv) das Ausgangssignal eines Zusatzkanals überlagert, dem entweder das Eingangssignal oder das Ausgangssignal des Kompressors oder Expanders als Eingangssignal zugeführt wird und der sowohl eine Vorrichtung zur Begrenzung der Amplitude dieses Ausgangssignals als auch ein Filter mit veränderbarer Grenzfrequenz zur Einschränkung der Signale, die den Zusatzkanal durchlaufen, auf ein beschränktes Band (bzw. einen beschränkten Frequenzbereich),das bis zu der einen Grenze des gesamten Signalfrequenzbereichs reicht, wobei das veränderbare Filter die Grenzfrequenz in Abhängigkeit von der Amplitude des Ausgangssignals näher an die eine Grenze des Signalfrequenzbereiches heranschiebt, wenn diese Amplitude zunimmt» enthält.

Derartige Kompressoren und Expander sind in den deutschen Patentanmeldungen P 14 87 276.5 und P 19 00 639.4 beschrieben. Die Erfindung ist auf beide Vorrichtungen, Typ I und Typ II, die in der zweiten dieser Anmeldungen beschrieben sind, anwendbar und befaßt sich mit der Y/eiterbildung von Vorrichtungen, wie sie in Fig. 11 der ersten dieser Anmeldungen dargestellt sind. 009824/1279

Pie Haupteigenschaften aller in den beiden erwähnten Anmeldungen beschriebenen Vorrichtungen bestehen darin, daß nicht· versucht wird, das erforderliche Kompensions- oder Expansions-■ gesetz durch Einwirken auf den gesamten Dynamikbereich des Signals zu verwirklichen. Es ist vielmehr ein Haupt-Geradeaus-Signalkanal vorgesehen, durch den die Signale, insbesondere Signale hoher Amplitude, ungehindert- durchgehen können. Diesen Signalen wird das Ausgangssignal eines weiteren Kanals überlagert, dessen Eingangssignal entweder vom Eingang oder vom Ausgang der Vorrichtung abgenommen wird. Bei Signalen mit geringer Amplitude wird das Hauptsignal jeweils zur Kompression oder

ψ Expansion entweder verstärkt oder geschwächt. Dieser v/eitere oder Zusatzkanal enthält jedoch einen Begrenzer, so daß das Ausgangssignal dieses Kanals bei Signalen mit hoher Amplitude im Vergleich zum Hauptsignal vernachlässigbar ist, was eine minimale Verstärkung oder Schwächung zur irolge hat. Auf diese Weise erhält man eine Kompressions- oder Expansionskennlinie, bei der die sich bei bekannten Vorrichtungen ergebenden Schwierigkeiten weitgehend beseitigt sind, die sich daraus ergeben, daß diese bekannten Vorrichtungen nach einer nichtlinearen Beziehung auf das gesamte Signal einwirken. Besonders wichtig ist dabei, daß Kompressoren und Expander nach der Erfindung genau komplementär ausgebildet werden können,* so daß sich eine

. vollständige Störsignalunterdrückungseinrichtung ausbilden ■ läßt, die selbst keine Verzerrung bewirkt.

Zur Vereinfachung der Darstellung und zur Erläuterung der Erfindung sind Blockschaltbilder der Vorrichtungen des Typs I und des Typs II in den Figuren 1 und 2 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt.

Es ist an sich bekannt, daß es vorteilhaft ist, die Störsignalunterdrückung oder -verringerung in einem ausgewählten Signalfrequenzbereich durchzuführen, z.B. in einem Hörfrequenzbereich, gewöhnlich in einem oberen und/oder einem unteren Frequenzbereich des gesamten Signalfrequenzbereichs. Nach der erwähnten Fig. 11 wird ein Zusatzkanal mit einem Filter veränderbarer

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Grenzfrequenz verwendet, das die Kompression oder Expansion auf einen extremen Frequenzbereich (d.h. den Durchlaßbereich auf hohe oder niedrige Frequenzen) des Signalfrequenzbereiches begrenzt. Wenn die Ausgangsamplitude des vom Filter durchgelassenen Signals ansteigt, wird dabei die Grenzfrequenz selbsttätig näher an den betreffenden extremen Signalfrequenzbereich herangeschoben^ so daß der Durchlaßbereich des Filters verringert wird und dennoch in diesem schmaleren Frequenzbereich eine StörSignalverringerung stattfinden kann, ohne daß dies durch die Signale größerer Amplitude beeinflußt wird, die durch die Verschiebung der Filtergrenzfrequenz ausgeschlossen bzw. unterdrückt werden.

Die Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung der im Zusatzkanal liegenden Filteranordnung.

Die Erfindung besteht darin, daß das Filter aus zwei in Reihe geschalteten Filtern besteht, von denen das erste Filter Bauelemente mit festem Wert und das zweite Filter eine veränderbare Grenzfrequenz aufweist, die im Ruhezustand weiter von der. erwähnten Grenze wegliegt als die Grenzfrequenz des ersten Filters, und daß das zweite Filter eine Vorrichtung mit durch eine Steuerspannung veränderbarem Widerstand enthält, die in Abhängigkeit von der erwähnten Amplitude die Parameter des Filters verändert und die. veränderbare Grenzfrequenz in Richtung auf die erwähnte Grenze verschiebt.

Dies hat den Vorteil, daß sich die Grenzfrequenz der Filteranördnung nur mit Hilfe einer einzigen spannungsgesteuerten Vorrichtung veränderbaren Widerstands verändern läßt.

Bei der Vorrichtung mit veränderbarem Widerstand handelt es sich vorzugsweise um einen Feldeffekttransistor.

Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

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Die Erfindung und ihre Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden im folgenden an Hand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen eines Kompressors und eines Expanders näher beschrieben. Bei diesen Ausführungsbeispielen handelt es sich um Vorrichtungen des Typs I, doch können praktisch die gleichen Schaltungsanordnungen in Vorrichtungen des Typs Il verwendet werden. Diese Ausführungsbeispiele sind nur für Betrieb am oberen Ende des Audiosignal-Frequenzbereiches ausgelegt, da sie in Heim-Bandgeräten verwendet v/erden sollen. Die eine Grenze des Signalfrequenzbereiches ist daher die obere Grenzfrequenz des Bandes. Die Erfindung läßt sich auch an un-" teren Ende des Audiosignal-Frequenzbereiches anwenden (wobei die erwähnte eine Grenze die untere Grenzfrequenz des Frequenzbereiches ist). In diesem Falle würden die im folgendenbeschriebenen Hochpaßfilter Tiefpaßfilter (bei entsprechender Auslegung der gesamten Schaltungsanordnung). Die Erfindung ist ferner nicht auf Audiosignale beschränkt, da es sich in folgenden nur um die Beschreibung von Ausführungsbeispielen handelt.

Die Figuren 1 und 2 stellen die erwähnten Blockschaltbilder

der Vorrichtung des Typs I und II dar.

Fig. 3 ist ein ausführlicheres Blockschaltbild

eines Kompressors des Typs I mit gleitendem Frequenzbereich.

Fig. 4 ist ein Schaltbild eines Kompressors nach

der Erfindung.

Fig. 5 ist ein Schaltbild eines komplementären

Expanders.

Fig. 6 ist ein Partialschaltbild eines geschalte

ten Kompressor/Expanders.

Fig. 7 stellt ein einfaches passives Entzerrungs

netzwerk dar.

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Die Figuren 8 und 9 stellen Kennlinienfelder' des Kompressors dar.

Fig. 10 ist ein Schaltbild eines verbesserten

Filter/Begrenzers.

Die Figuren 11 bis 13 stellen Kennlinienfelder der Ausführung

nach Fig. 10 dar.

Die Figuren 1, 2 und 3 beziehen sich generell auf die Verbesserungen in den zuvor erwähnten Anmeldungen und die nach der Erfindung. Die Figuren 1 und 2-wurden bereits beschrieben. In Fig. 3 ist ein Kompressor des Typs I mit gleitendem Frequenzbereich ausführlicher dargestellt. Die Änderungen, die vorgenommen werden müssen, um einen Expander und eine Vorrichtung des Typs II zu erhalten, ergeben sich aus den Figuren 1 und 2.

Mach Fig. 3 wird das einem Eingang 1 zugeführte Signal über einen den Hauptkanal darstellenden Widerstand 2 geleitet und zu dem Signal addiert, das dem Ausgang 3 über einen Widerstand 2a zugeführt wird, der im Zusatzkanal liegt. Der Zusatzkanal enthält ferner einen Filter/Begrenzer 4 mit einem Eingang A und einem Ausgang B, an den sich ein Verstärker 5 und ein Clipper 6 (auch Schwellwertbegrenzer genannt) anschließen, von denen der Clipper 6 Übergangsüberschwingungen eliminiert, die im Signal verbleiben, das durch den im wesentlichen syllabischen Begrenzer 4 durchgelassen wird. Die syllabische Wirkung wird dadurch erzielt, daß einem Steueranschluß C des Filter/Begrenzers ein geglättetes Steuersignal zugeführt wird. Dieses Steuersignal wird aus dem Ausgangssignal und/oder Eingangssignal des Zusatzkanals (Leitungen 7 und 8, von denen nur eine vorgesehen zu " sein braucht) über einen Verstärker 9, Gleichrichter 11 und eine Glättungs schaltung 13 gewonnen „wrrdr. .In der Leitung 8 kann ebenfalls ein Filter 8a liegen. Wenn die Amplitude des Steuersignals zunimmt, wird dadurch der Durchlaßbereich des Filter/ Begrenzers 4 eingeengt oder verringert.

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Kompressor nach der Erfindung

Die Schaltung nach Fig. 4 ist speziell für den Einbau in den Aufzeichnungskanal eines Heim-Bandgeräts ausgelegt, wobei für ein Stereo-Bandgerät zwei dieser Schaltungen erforderlich sind. Das Eingangssignal wird einer Emitterfolgerstufe 12, die einen niederohmigen Ausgang aufweist, über einen Eingang 10 zugeführt. Das Ausgangssignal der. Stufe 12 wird zum einen über einen Haupt-Geradeaus-Kanal, in dem ein Widerstand 14 liegtj einem Ausgang 16 und zum anderen über einen Zusatzkanal, in dem als letztes Bauelement ein Widerstand 18 liegt, ebenfalls dem Ausgang 16 ™ zugeführt. Die Widerstände 14 und 18 addieren die Ausgangssignale dieser beiden Kanäle, um das erforderliche Kompressionsgesetz zu verwirklichen.

Der Zusatzkanal enthält ferner ein festes Filter 20, ein Filter 22 mit veränderbarer Grenzfrequenz, das seinerseits einen Feldeffekttransistor 24 enthält, (diese bilden den Filter/Begrenzer) und einen Verstärker 26, dessen Ausgang an einen Doppeldioden-Begrenzer oder -Clipper" 28 und an den Widerstand 18 angeschlossen ist. Der Verstärker 26 verstärkt das Signal im Zusatzkanal so weit, daß der Knick in der Kennlinie des Begrenzers 28, der Siliciumdioden enthält, bei dem 'geeigneten Signalk pegel während des Einschwing- oder Übergangszustands wirksam . wird. Die Widerstände 14 und 18 sind so bemessen, daß das Signal im Zusatzkanal entsprechend dem erforderlichen Kompensationsgrad gedämpft wird.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 26 wird ferner einem Verstärker 30 zugeführt, dessen Ausgangssignal durch eine Germanium-Diode 31 gleichgerichtet und durch ein Glättungsfilter integriert wird, um die Steuerspannung für den Feldeffekttransistor 24 zu erzeugen. Die Punkte A, B und C entsprechen den mit gleichen Bezugszeichen versehenen Punkten in Fig. 3.

Filter/Begrenzer

Es werden zwei einfache RC-Filter verwendet, obwohl auch äquivalente LC- oder LCR-Filter verwendet wer'den können. Das feste

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Filter 20 hat eine Grenzfre'quenz von 1700 Hz, unterhalb der eine verminderte Konpression stattfindet. Das Filter 22 umfaßt einen Vorschaltkondensator 34 und einen Nebenschlußwiderstand 3o, denen ein Reihenwiderstand 38 und der FET 24 nachgeschaltet sind, wobei die Quelle-Senke-Strecke als Nebenschlußwiderstand geschaltet ist. Im Ruhezustand, wenn das dein Tor des FET 24 zugeführte Signal Null ist, ist der FET 24 gesperrt, so daß er einen nahezu unendlichen Widerstand darstellt. Der Widerstand kann dann unberücksichtigt bleiben. Die Grenzfrequenz des Filters 22 beträgt dann 800 Hz, womit sie, was besonders betont sei, weit unterhalb der Grenzfrequenz des festen Filters 20 liegt.

Wenn das dem Tor zugeführte Signal ansteigt, so daß der Widerstand des FET auf weniger als etwa 1■Kiloohm abnimmt, liegt der Widerstand 38 praktisch zum Widerstand 36 parallel, so da.ß die Grenzfrequenz auf 3500 Hz ansteigt und der Durchlaßbereich des Filters merklich kleiner oder eingeengt wird. Die Grenzfrequenz steigt jedoch nur allmählich an.

Die Verwendung'eines FET ist insofern zweckmäßig, als die.ses Bauelement innerhalb eines angemessenen Signalamplitudenbereiches weitgehend wie ein linearer Widerstand (für beide Signalpolaritäten) wirkt,■dessen Wert durch die dem Tor zugeführte Steuerspannung bestimmt wird.

Die Verwendung zweier hintereinander geschalteter Filter (12 dB/Oktave) ist insofern wichtig, als dies eine geringere Rauschmodulation zur Folge hat als ein einfaches einstufiges Filter mit veränderbarer Grenzfrequenz (6 dB/Oktave). Die durch die beiden hintereinander geschalteten Filter hervorgerufene Verzögerung oder Phasenverschiebung, die sich in Abhängigkeit von der Frequenz ändert, ist derart, daß die Kompressionsfrequenzkennlinie (die Abhängigkeit der Kompresssion von der Frequenz) bei einem um 44 dB unter einem Maximaleingangssignal, dem 0 dB zugeordnet sind, liegenden Eingangssignal den durch die Kurve 40 nach Fig. 8 und nicht den gewünschten durch die Kurve 42 dargestellten Verlauf hat. Legt man dagegen

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die Ruhe-Grenzfrequenz des Filters 22 erheblich unter die des Filters 20, dann ist es möglich, einen Kompromiß zu erzielen, wie er durch die Kurve 44 dargestellt ist, die auf einer Messung tatsächlicher Verhältnisse beruht und bei der das Koch- ■ frequenzende um etwa 10 dB über dem Niederfrequenzende liegt. Die Kennlinien für Eingangssignale mit -16 dB, -10 dB und 0 dB sind ebenfalls dargestellt, um zu zeigen, wie die Kompression im selben Maße allmählich abnimmt, wie die Amplitude zunimmt und die Bandbreite des Filters 22 abnimmt. In den Zeichnungen liegen die Kennlinien in vertikaler Richtung dichter beieinander, als dies tatsächlich der Fall ist.

Die Veränderung der Bandbreite ist an den Kennlinien nach Fig.9 deutlicher zu erkennen, die sich dadurch ergeben, daß man dem Eingang 10 ein starkes (0 dB) Signal fester Frequenz zuführt und diesem ein schwaches (-41 dB) Signal überlagert, das durch das gesamte Frequenzspektrum gewobbelt wird. Das am Ausgang 16 mit der Frequenz des schwachen Signals auftretende Signal wird durch, einen Schwingungsanalysator nachgewiesen. Es weist naturgemäß ein starkes Signal mit der festen Frequenz des starken Eingangs signal s auf und gibt auch die Hochfrequenzanhebung wieder, die durch die Kompression hervorgerufen wird. Man sieht deutlich, wie sich bei zunehmender Frequenz des starken Signals (200 Hz, 400 Hz, 700 Hz, 1 kHz, 2' kHz) der Frequenzbereich, in dem die Kompression stattfindet, allmählich einengt bzw. verringert .

Wie weiter aus der in Fig. 4 dargestellten Schaltungsanordnung zu ersehen ist, sind der Widerstand 36 und der Feldeffekttransistor 24 mit einem verstellbaren Abgriff 46 eines Spannungsteilers verbunden, der eine Temperaturkompensationsdiode 48 aus Germanium enthält. Mit Hilfe des Abgriffs 46 läßt sich der Kompressionsschwellwert des Filters 22 einstellen.

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Verstärker und Begrenzer

Der Verstärker 26 nach Fig. 4 enthält komplementäre Transistoren, die bewirken, daß der Verstärker einen hohen Eingangswiderstand und einen niedrigen Ausgangsv/iderstand aufweist. Da der Verstärker den Dioden-Begrenzer 28 ansteuert, ist ein endlicher Ausgangswiderstand erforderlich, der durch einen. Koppelwiderstand 50 erzielt wird. Bei den Dioden 28 handelt es sich, wie bereits erwähnt, um Silicium-Dioden mit einem scharfen Knick in der Strom-Spannungs-Kennlinie bei etwa einem halben Volt.

Das Signal am Begrenzer und mithin am Widerstand 18 kann durch einen Schalter 53 gegen Masse kurzgeschlossen werden, wenn der Kompressor ausgeschaltet bzw.· wirkungslos gemacht werden soll.

Regelverstärker und Glättungsfilter

Der Verstärker 30 ist ein npn-Transistor mit einem RC-Netzwerk 52 im Emitterkreis, das die Verstärkung bei hohen Frequenzen erhöht bzw. hohe Frequenzen anhebt. Starke Signale mit hohen Frequenzen, v/ie sie z.B. durch einen Schlag auf ein Schlagzeug hervorgerufen werden, bewirken daher eine sofortige Einengung des Bandes, in dem eine Kompression stattfindet, so daß eine Signalverzerrung vermieden wird.

Der Verstärker ist über die als Gleichrichter wirkende Diode 31 r'.it dem Glättungsfilter 32 verbunden. Das Filter enthält einen Reihenwiderstand 54 und einen Ableit- oder Nebenschlußkondensator 56. Dem Widerstand 54 ist eine Silicium-Diode 58 parallelgeschaltet, die eine schnelle Aufladung des Kondensators 56 gestattet, um eine kurze Einschwingzeit oder Ansprechzeit sowie eine gute Glättung im stationären Zustand zu erzielen. Die Spannung am Kondensator 56 wird direkt dem Tor des FET 24 zugeführt.

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Komplementärer Expander

Ein Schaltbild des Expanders ist in Fig. 5 dargestellt, doch braucht dies nicht vollständig beschrieben zu werden, da praktisch die gesamte Schaltungsanordnung mit der nach Fig. 4 übereinstimmt. Die Werte der meisten Bauelemente sind daher ebenfalls nicht in Fig. 5 angegeben. Die Kennlinien sind nicht dargestellt, doch sind sie komplementär zu denen nach Fig. S.

Die Schaltungsanordnungen nach den Figuren 4 und 5 unterscheiden sich in folgendem:

Nach Fig. 5 erhält der Zusatzkanal sein Eingangssignal vom Ausgang 16a, während der Verstärker 26a das Vorzeichen umkehrt und die über die Widerstände 14 und 18 geleiteten und einander überlagerten Signale dem Eingang (der Basis) des Emitterfolgers 12 zugeführt werden, dessen Ausgang (Emitter) mit dem Ausgang 16a verbunden ist. Um niederohmig steuern zu können, ist der Eingang 10a über einen Emitterfolger 60 mit dem Widerstand verbunden. Um zu verhindern, daß die Vorspannung in den Expander gelangt, sind geeignete Vorkehrungen getroffen.

Der Verstärker 26a wirkt dadurch als Umkehrverstärker, daß das Ausgangssignal vom Emitter, statt vom Kollektor, des zweiten (pnp)Transistors abgenommen'wird. Zu dieser Änderung gehört ferner, daß der 10-Kiloohm-Widerstand 62 (Fig. 4) aus dein Kollektorkreis entfernt und in den Emitterkreis (Fig. 5) geschaltet wird, wodurch sich automatisch ein geeigneter Ausgangswiv-derstand zum Ansteuern des Begrenzers ergibt. Der Widerstand 50 ist daher in Fig. 5 weggelassen.

Beim Abgleichen einer vollständigen Rausch- oder Störsignal- reduziereinrichtung ist es ferner wichtig, darauf zu achten, daß die Signale an den Emittern der Transistoren 12 des Kompressors und des Expanders gleich sind. Aus diesem Grunde sind an diese Emitter Meßgeräte M angeschlossen.

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Kompressor/Expander-Umschaltung

Bei einem hochwertigen Bandgerät kann sowohl im Aufzeichnungsais auch im Wiedergabekanal jeweils ein Kompressor bzw. Expander vorgesehen sein. Wirtschaftlicher ist es jedoch, eine einzige Kompressor/Expander-Schaltungsanordnung zu verwenden, die mit Hilfe eines Betriebsartenwählschalters auf Kompressor- oder Expander-Betrieb umgeschaltet wer-den kann. Der Zusatzkanal für diesen Kompressor/Expander kann so ausgebildet sein, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, d.h. alles, was rechts von den Punkten X und Y in Fig. 5 liegt, wird unverändert verwendet, während die links von den Punkten X und Y liegende Schaltungsanordnung entsprechend Fig. 6 abgeändert ist.

Nach Fig. 6 wird das am Eingang 10b angelegte Signal einer ersten Emitterfolgerstufe 70 zugeführt, deren Ausgangssignal über einen Widerstand 72 einer zweiten Emitterfolgerstufe 74 (entsprechend der Stufe 12 nach Fig. 4 und 5) zugeführt wird. Der Emitter dieser Stufe ist mit dem Punkt X verbunden und liefert das nicht umgekehrte Eingangssignal des Zusatzkanals. Es sei unter Hinweis auf die Beschreibung der Fig. 5 daran erinnert, daß, bei diesem Ausführungsbeispiel, der Zusatzkanal eine Umkehr (des Vorzeichens) bewirkt. Dementsprechend ist das am Punkt Y eintreffende und dem Ausgang 16b im Aufzeichnungsbetrieb über einen Betriebsartenv/ählschalter 76 und den Widerstand 18 zugeführte. Signal umgekehrt. Um eine Kompression zu erzielen, muß der Hauptkanal ebenfalls eine Umkehr bewirken, die mit Hilfe eines weiteren Transistors 78 erzielt wird, der durch den Emitterfolger 74 an der Basis angesteuert wird. Das Hauptkanalsignal wird an einem Kollektorwiderstand 80 abgegriffen.

Bei der Wiedergabe (d.h. bei Betrieb der Anordnung als Expander) wird das Ausgangssignal des Zusatzkanals über den Schalter 76 der Basis des Emitterfolgers'74 zugeführt, d.h. vor der Umkehrstufe 78. Das Ausgangssignal des Zusatzkanals wird daher dem Signal im Hauptkanal subtraktiv überlagert, um eine Expansion zu bewirken. 009824/1279

Einfache Entzerrung

Der Kompressor und Expander sind zum Einbau in ein hochwertiges Tonbandgerät vorgesehen, das dem Benutzer das Aufzeichnen und Wiedergeben von eigenen Bändern mit Geräuschunterdrückung oder Rauschverminderung gestattet. Dieses Bandgerät kann auch zur Wiedergabe bereits bespielter Bänder verwendet werden, die unter Verwendung des Kompressors nach Fig. 4 oder eines Kompressors mit ähnlichen Eigenschaften bespielt wurden. Damit diese Bänder in größeren Stückzahlen verkauft und universell verwendet werden können, ist es zweckmäßig, zum Entfernen des Signals eine billigere Vorrichtung für den Einbau in weniger kostspielige Bandgeräte zu schaffen. Nur mit Hilfe eines komplementären Expanders läßt sich ein Signal unverzerrt wiedergeben, für ein unkritisches Ohr besteht der einzige merkliche Mangel jedoch darin, daß die hohen Frequenzen im komprimierten Signal stärker angehoben sind. Diese Anhebung läßt sich jedoch mit Hilfe einer einfachen, passiven Höhenabschneidungsschaltung (die auf das gesamte Signal einwirkt) weitgehend korrigieren. Eine dafür geeignete Schaltung ist in Fig. 7 dargestellt. Die angegebenen Vierte der Bauelemente sind zur Entzerrung eines Signals geeignet, das über den Kompressor nach Fig. 4 aufgezeichnet wurde.

Weiterbildung des Filter/Begrenzers

Bei der so weit beschriebenen Audiorauschverminderungs- oder Geräuschunterdrückungseinrichtung stellt die Filter/Begrenzer-Schaltung, wie'bereits erwähnt, einen Kompromiß dar. Um eine bestmögliche Rauschverminderung zu erzielen, insbesondere im ■ Hinblick auf Rausch- oder Geräuschmodulationseffekte, ist es zv/eckmäßig, ein Zusatzkanalfilter zu verwenden, dessen Dämpfungsänderungsgeschwindigkeit mindestens 12 dB/Oktave beträgt. Das zum Vermindern des Zischeffekts benötigte Hochpaßfilter erhält man zweckmäßigerweise durch Verwendung eines zweistufigen RC-Netzwerks. Zum letzten Kondensator liegt der FET 24 parallel, der die Grenzfrequenz der letzten Stufe nach oben verschiebt, um das Signal zu begrenzen.

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Leider bewirkt die durch das zweistufige Filter hervorgerufene Phasenverschiebung eine Dämpfung im mittleren Bereich (midband dip) des Kompressor-Amplitudengangs. Zu den Nachteilen dieser Dämpfung oder Eindellung gehören ein Anstieg des Rauschoder Geräuschpegels in dem "einige-100-Hz-Bereich" (im Gegensatz zur Geräuschunterdrückung oder Rauschverminderung) und eine Ungleichheit in der Signalamplitude (etwa 1 dB) im 1-kHz-Bereich bei hohen Amplituden, wenn die Zusatzkanal-Komponente ein- und ausgeschaltet wird (Sin- und Ausschaltung der Geräuschunterdrückung oder Rauschverminderung). Im folgenden wird eine verbesserte Filter/Begrenzer-Schaltung beschrieben, die das Mittenbanddämpfungsproblem löst und noch weitere Vorteile bietet, die an verringerten Dynamik- und Frequenzgangfehlern bei unvollkommenem Kompressor- und Expanderabgleich erkennbar sind. .

In Fig. 10 ist die verbesserte Schaltung dargestellt, die die Schaltung zwischen den Punkten A, B und C in den Figuren 4 und 5 ersetzen kann. Wenn der FET 24 gesperrt ist, ist das zv/eite RC-Netzwerk 22 unwirksam, so daß nur das erste RC-Netzwerk 20 den Frequenzgang des Zusatzkanals steuert. Die verbesserte Schaltung vereinigt die Phasen-Vorteile, die sich durch die Verwendung nur einer einzigen RC-Stufe im Ruhezustand ergeben, mit der 12-dB-pro-Oktave-Dämpfungskennlinie eines zweistufigen RC-Filters unter Signalbedingungen.

Bei Verwendung eines Feldeffekttransistors des Typs MPF104 ist der 39-Kiloohm-Widerstand 36a notwendig, um einen endlichen Quellenwiderstand zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors zu erhalten. Auf diese Weise v/ird das Kompressionsverhältnis (Änderungen des Eingangssignals in Dezibel, dividiert durch Änderungen des Kompressorausgangssignals in Dezibel) bei allen Frequenzen und Amplituden auf einem Maximalwert von etwa 2 gehalten. Der Widerstand 36a in der'verbesserten Schaltung dient

ebenso zur Begrenzung des Kompressionsverhältnisses wie der Widerstand 36 in der Schaltung nach Fig. 4 oder Fig. 5. Außerdem stellt dieser Widerstand einen Niederfrequenzkanal für das Si-

S^{nal dar}· 009824/1278

Fig. 11 ist ein Kennlinienfeld des Kornpressor-Amplitudengangsbei Verwendung der verbesserten Filter/Begrenzer-Schaltung nach Fig. 10 und der Werte 47 Ohm und 0,1 Mikrofarad ira Emitter-RC-Kreis 52 des Regelverstärkers, anstelle der Werte von 220 Ohm und 0,15 Mikrofarad nach Fig. 4. In Fig. 12 ist der Amplitudengang der Schaltung unterhalb des Kompressionsschwellwertes sowie der Amplitudengang des Expanders dargestellt.

Wie man sieht, ist die Mittenbanddämpfung nach Fig. 8 bei Verwendung der Schaltung nach Fig. 10 beseitigt. Das Bestreben der Geräuschunterdrückungs- bzw. Rauschverminderungseinrichtung, den Rauschpegel im Bereich der Eindellung oder Dämpfung zu erhöhen, ist beseitigt, so daß dadurch insgesamt eine Rauschverminderungswirkung oder Geräuschunterdrückung erzielt wird. Die Beseitigung der Eindellung bei hohen Amplituden ist ebenfalls hervorzuheben. Wenn daher die Rauschverminderungs- oder Geräuschunterdrückungseinrichtung ein- und ausgeschaltet wird, ändert sich der Pegel nicht, so daß bei Pegelmessungen oder Pegelbestimmungen für Normierungszwecke keine Mehrdeutigkeiten auftreten. Die Beseitigung der Dämpfung bzw. Eindellung bei hoher Amplitude bzw. hohem Pegel ist eine Folge des vorteilhaften Phasengangs der verbesserten Schaltung bei hoher Kompression, nämlich dadurch, daß durch den Widerstand 36a ein Nieder- und Mittelfrequenzkanal ausgebildet wird. Durch entsprechende Einstellung des Widerstands 36a im zweiten RC-Netzwerk 22 ist es möglich, im Mittelfrequenzbereich entweder eine Dämpfung oder Anhebung (dip or hump) zu erzielen.

Ein..-weiteres Merkmal der verbesserten Schaltung nach Fig. 10 besteht darin, daß es möglich ist, eine wirksamere Begrenzung der Zusatzkanal-Komponente bei hohen Frequenzen zu erzielen, ohne den Abgleich bzw. die Ausgleicheigenschaften nachteilig zu beeinflussen. Die Verbesserung wird durch die bei hohen Frequenzen stattfindende Phasenvorverschiebung bzw. Voreilung, bewirkt, die durch die den gesamten Frequenzbereich verschiebende Schaltung hervorgerufen wird. Außerdem erhöht sich dis Verstärkung des -Regelv jr.=:f-ärkers bei hohen Frequenzen. Die bei

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hohen Frequenzen erfolgende Verminderung des Schwellertes und Zunahme der Kompression sind in Fig. 11 zu erkennen. Die dargestellten Kennlinien haben zur Folge, daß die Wahrscheinlichkeit einer Bandüberlastung bei kurzen Wellenlängen minimal ist, obwohl der Begrenzungsschwellwert mit abnehmender Frequenz allmählich zunimmt, um Rauschmodulationseffekte zu reduzieren.

Ein weiteres Merkmal der verbesserten Schaltung betrifft ebenfalls Rausch- oder Geräuschmodulationseffekte. Bei der Schaltung nach Fig. 4 geht die Bandveränderung in eine normale Kompression über, wenn der Widerstand des FET unter den des Widerstands 38, der mit dem FET in Reihe liegt, abnimmt. Die höchste Übergangsfrequenz des veränderbaren Filters ist ausreichend hoch, um zulässig geringe Rauschmodulationseffekte bei normalem Bandaufzeichnungsrauschpegel zu erzielen. Kassetten haben jedoch sehr hohe Rauschpegel, und es hat sich als am günstigsten erwiesen, wenn man den Widerstand 38 wegläßt und nur mit gleitendem Band arbeitet, um eine Begrenzung zu bewirken. Der Zusatzkanal hat dann ein besseres Hochfrequenzübertragungsverhalten bei Signalen mit hoher Amplitude und niedriger Frequenz (die die Schaltung zwangsläufig in Betrieb setzen).

Die durch die verbesserte Schaltung bewirkte Bandveränderung ist in Fig. 13 dargestellt, wobei man diese Darstellung in derselben Weise wie die nach Fig. 9 durch Aufzeichnung des Kompressor-Amplitudengangs mit Hilfe eines schwachen Prüftons (dessen Amplitude unter dem Kompressor-Schwellwert liegt) bei Anwesenheit eines Signals hoher Amplitude gewinnt. Der Prüfton wird am Kompressorausgang mit Hilfe eines Nachlauffilters erfaßt. Das Signal hoher Amplitude setzt die Kompressor-Schaltung in Betrieb; die.graphische Darstellung zeigt den Einfluß auf die Uboreanecfrequenz des Filters. Man sieht, daß die Schaltung mit veränderbarem Frequenzbereich, insbesondere bei Verwendung der Anordnung mit vollständiger Frequenzbereichsverschiebung, für eine erhebliche Verminderung des Hochfrcquenzrauschcns unter Signalbedingungen sorgt. Die Figuren 11, 12 und 13 stellen die Verhältnisse bei der Schaltung nach Fig. 10 dar, wie sie

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tatsächlich gemessen wurden.

Bei richtigem Abgleich sind Kompressor und Expander bei allen Amplituden und Frequenzen bis auf etwa + 1 dB komplementär. Wie Kessungen gezeigt haben, läßt sich dies bei allen Signalamplituden erreichen. In der. Praxis ist es jedoch wichtig, daß Fehler, die dadurch entstehen, daß Kompressor und Expander nicht vollständig komplementär sind, die V/iedergabecualität nicht merklich beeinflussen sollten. Die durch die verbesserte Filter/Begrenzer-Schaltung nach Fig. 10 hervorgerufenen Fehler, sind geringer als die bei der Schaltung nach Fig. 4. Versuche haben gezeigt, daß sich bei einer Verstärkung oder Dämpfung zwischen Kompressor und Expander von 2 dB Fehler ergeben, die zur Folge haben, daß die Empfindlichkeitsänderung in Abhängigkeit von der Frequenz eine maximale Änderungsgeschwindigkei"C von nur etwa 2 bis 3 dB/Oktave erreicht, die ausreichend niedrig ist, um zu vermeiden, daß der Klang des wiedergegebenen Signais merklich■verfälscht ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Signalkompressor oder -expander mit einem Geradeaus-Signal-Kanal und einer Vorrichtung, die dem Ausgangssignal dieses Kanals zur Verstärkung oder Dämpfung (additiv oder subtraktiv) das Ausgangssignal eines Zusatzkanals überlagert, dem entweder das Eingangssignal oder das Ausgangssignal des Kompressors oder Expanders als Eingangssignal zugeführt wird und der sowohl eine Vorrichtung zur Begrenzung der Amplitude dieses Ausgangssignals als auch ein Filter mit veränderbarer Grenzfrequenz zur Einschränkung der Signale, die den Zusatzkanal durchlaufen, auf ein beschränktes Band (bzw. einen beschränkten Frequenzbereich) , das bis zu der einen Grenze des gesamten Signalfrequenzbereichs reicht, wobei das veränderbare Filter die Grenzfrequenz in Abhängigkeit von der Amplitude des Ausgangssignals näher an die eine Grenze des Signalfrequenzbereiches heranschiebt, wenn diese Amplitude zunimmt, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter aus zwei in Reihe geschalteten Filtern besteht, von denen das erste Filter (20) Bauelemente mit festem Wert und das zweite Filter (22) eine veränderbare Grenzfrequenz auf v/eist, die im Ruhezustand weiter von der erwähnten Grenze wegliegt, als die Grenzfrequenz des ersten Filters, und daß das zweite Filter (22) eine Vorrichtung (24) mit durch eine Steuerspannung veränderbarem -Widerstand enthält, die in Abhängigkeit von der erwähnten Amplitude die Parameter des Filters verändert und die veränderbare Grenzfrequenz in Richtung auf die erwähnte Grenze verschiebt.

2. Signalkompressor oder -expander nach Anspruch 1, dadurch gekenn z'eichnet, daß die Vorrichtung (24) mit veränderbarem Widerstand ein Feldeffekttransistor ist.

3. Signalkompressor oder -expander nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (20, 22) beide RC-Filter sind.

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4. Signalkompressor oder -expander nach Anspruch 1, 2 oder 3, dad u'r ch gekennzeichnet, daß das zweite Filter (22) einen Reihenzweig, bestehend aus einem Kondensator (34) in Parallelschaltung mit einem V/iderstand (36a), und einen Querzweig enthält, in dem die Vorrichtung (24) mit veränderbarem Widerstand liegt.

5. Signalkompressor oder -expander nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Filter (22) einen Reihenkondensator (34) mit nachgeschaltetem Nebenschlußwiderstand (36) und daran anschließend einen Reihenwiderstand (38), dem ein Querzweig nachgeschaltet ist, in dem die Vorrichtung (24) mit veränderbarem Widerstand liegt, enthält.

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