DE1954328B2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Audiostörgeräuschverminderung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Audio-Störgeräuschverminderung und bezieht sich auch auf Kompressoren und Expander zur Ausführung des Verfah

Die Erfindung gehl von einem Verfahren zur Audio-Störgeräuschverminderung aus, bei dem ein Audiosignal mit voller Bandbreite mit linearer Dynamik über tragen und empfangen bzw. aufgezeichnet und wiedergegeben wird, und bei dem diejenigen Signale, die in einem ausgewählten oberen Teil des Audiofrequenzbandes liegen, vor der Übertragung oder Aufzeichnung einer Kompression unterworfen werden und in dem ausgewählten Teil des Frequenzbandes nach dem Empfang oder der Wiedergabe einer komplementären Ex pansion des dynamischen Bereiches unterworfen werden, und bei dem sowohl während der Kompression als auch während der Expansion der ausgewählte Teil des Frequenzbandes in Abhängigkeit von der Amplitude der darin auftretenden Signalkomponenten eingeengt wird, um diese Komponenten aus dem eingeengten Frequenzband und dadurch von der Kompression und Expansion auszuschließen.

Ein de:artiges Verfahren ist in der GB-PS 11 20 541 beschrieben. Die Schwierigkeiten, die durch hochfre quente Störgeräusche bei Audiogeräten, insbesondere bei Bandaufzeichnungsgeräten, auftreten, sind bekannt, und es besteht ein ausgesprochenes Bedürfnis für ein Verfahren zur Störgeräuschverminderung, das über ein verhältnismäßig breites Frequenzband zufriedenstellend arbeitet und trotzdem einfach und so preiswert ist, daß es in Geräten für den Heimgebrauch verwirklicht werden kann. Die Einführung eines solchen Verfahrens erfordert eine Kompressionscharakteristik, die mit vorhandenen Geräten verträglich ist. welche keinen Expander aufweisen.

Man könnte denken, daß ein möglichst hoher Kompressionsgrad günstig sein würde, da eine komplementäre Expansion eine starke Geräuschverminderung ergeben würde. Es wurde jedoch gefunden, daß dies nicht der Fall ist. besonders da eine starke Kompression eine nicht kompatible Aufzeichnung erbringen würde, die nicht ohne Verwendung eines Expanders wiedergegeben werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Kennlinien so zu gestalten, daß sich einerseits günstigste Ergebnisse für die Störgeräuschverminderung ergeben und andererseits die Aufzeichnungen mit den vorhandenen Geräten verträglich und kompatibel sind.

Gemäß der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Teil des Audiofrequenzbandes im nicht eingeengten Zustand etwa der

aberen Hälfte des Bandes entspricht und daß der Grad ;jer Kompression oder Expansion in diesem Zustand innerhalb des ausgewählten Teiles des Audiüfrequenzbandes etwa 10 dB beträgt

Die Fig. H der obenerwähnten GB-PS ist in Fi g. 2a wiedergegeben, die lediglich die weitere Schaltung der Grundschaltungen nach Fig.¹. und 2 widergibt Die weitere Schaltung der Fig.2a enthält ein LCR- Filter, welches einen Reihenkondensator Go, eine Induktivität U und einen Widerstand Rw sowie einen spannungsgesteuerten Widerstand 108 aufweist die parallel zu der Hauptsignalschaltung liegen, die Linearität des dynamischen Bereiches aufweist Das Filter begrenzt die Kompression oder Expansion auf ein extremes Hochpaßband des Audiobandes. Wenn die Ausgangsamplitude des von dem Filter durchgelassenen Signals zunimmt wird die Grenzfrequenz automatisch nach oben verschoben. Der Durchlaßbereidi des Filters wird hierdurch eingeengt, so daß die Störgeräusch verminderung in diesem eingeengten Band noch stattfindet ohne jedoch von den größeren Signalamplituden beeinflußt zu sein, die durch Verschiebung der Filtergrenzfrequenz ausgeschlossen werden. Die Verschiebung der Grenzfrequenz wird durch ein Steuersignal bewirkt, welches den Widerstand 108 steuert und das von dem Ausgang des Filters mit Hilfe eines Verstärkers 110 und einer Gleichrichter- und Glättungsschaltung 112 abgeleitet wird.

Ein Kompressor oder Expander zur Ausführung des Verfahrens besteht aus einer ersten Schaltung, die Linearität des dynamischen Bereiches aufweist und aus einer weiteren Schaltung, der Eingangssignale von der ersten Schaltung zugeführt werden und deren Ausgangssignale mit den Signalen der ersten Schaltung vereinigt werden und die ein veränderbares Filter enthält.

Hierdurch wird eine einwandfreie Begrenzungskennlinie erzielt. Das in F i g. 2a dargestellte Filter benötigt eine Induktivität Li, während ein einfaches ÄC-Filter eine zu flach verlaufende Begrenzungskennlinie aufweist (6 dB pro Oktave). Ein mehrstufiges RC- Filter mit getrennter Steuerung für jede Stufe würde für jede Stu-K eine getrennte spannungsgesteuerte Vorrichtung veränderlichen Widerstands benötigen, wodurch die Anordnung verteuert würde. Eine zweckmäßige Weiterbildung besteht darin, daß ein festes Filter in Reihe mit dem veränderbaren Filter benutzt wird, vorausgesetzt, daß die Grenzfrequenz des veränderbaren Filters im Ruhezustand weit außerhalb des Durchlaßbereiches des festen Filters liegt, d. h., daß die Grenzfrequenz des veränderbaren Filters niedriger ist als die des festen Filters. Unter dieser Voraussetzung können unzulässige Phasenfehler vermieden werden.

Gemäß einer Weiterbildung ist daher das veränderbare Filter aus zwei in Reihe geschalteten Filtern aufgebaut, von denen das eine Filter Bauelemente mit festem Wert und das andere Filter eine veränderbare Grenzfrequenz aufweist, die für kleine Amplituden wesentlich niedriger ist als die des anderen Filters.

Das Filter mit der veränderbaren Grenzfrequenz enthält vorzugsweise einen Feldeffekttransistor, weil innerhalb eines entsprechend begrenzten Bereiches von Signalamplituden ein? derartige Vorrichtung im wesentlichen als linearer Widerstand (für Signale verschiedener Polarität) arbeitet, dessen Wert durch die &5 Steuerspannung an dem Tor bestimmt ist.

Vorzugsweise sind die Filter beide RC-FiUer, um die Kosten der Anordnung niedrig zu halten und die Benutzung von Induktivitäten zu vermeiden.

Das veränderbare Filter enthält vorzugsweise einen Reihenzweig, bestehend aus einem Kondensator in Parallelschaltung mit einem Widerstand und einem Querzweig, in dem eine gesteuerte Vorrichtung liegt Der Parallelwiderstand in dem Reihenzweig liefert eine günstige Phasencharakteristik und vermeidet wie weiter unten noch näher erläutert wird, «ine unerwünschte Einsenkung in der Mitte des Bandes. Bei einer anderen, jedoch etwas weniger günstigen Ausführungsform enthält das veränderbare Filter einen Reihenkondensator mit nachgeschaltetem Nebenschlußwiderstand und daran anschließend einen Reihenwiderstand, dem ein Querzweig nachgeschaltet ist in dem die gesteuerte Verrichtung liegt Vorzugsweise spricht die gesteuerte Vorrichtung des veränderbaren Filters auf die Amplitude der Ausgangsgröße des veränderbaren Filters an. Hierdurch erreicht man eine geschlossene Steuerschleife für das veränderbare Filter. Am Ausgang des Filters läßt sich ein Steuersignal ableiten, das gleichgerichtet und in einem zweistufigen nichtlinearer. Glättungsfilter geglättet wird, wodurch sich der Vorteil eines schnellen Ansprechens und einer guten Glättung unter konstanten Verhältnissen ergibt.

Die weitere Schaltung weist vorzugsweise eine Begrenzerschaltung an der Ausgangsseite des veränderbaren Begrenzungsfilters auf, welche Übersteuerungen der Ausgangssignale des veränderbaren Begrenzungsfilters beseitigt die wegen der endlichen Ansprechzeit der zweiten Schaltung entstehen könnten.

Eine Weiterentwicklung der in der GB-PS 11 20 541 beschriebenen Erfindung ist in der GB-PS 12 53 031 angegeben. Hier sind Schallungsanordnungen der Type 1 und 2 beschrieben, die in den beiliegenden Zeichnungen als F i g. 1 und 2 wiedergegeben sind. Die Ausführungs beispiele der Erfindung, die weiter unten irn einzelnen beschrieben sind, beziehen sich auf Schaltungsanordnungen der Type 1, sie können jedoch auch bei Geräten der Type 2 angewendet werden, so daß die Erfindung sowohl bei Geräten der Type 1 als auch bei Geräten der Type 2 anwendbar ist.

Die F i g. 1 und 2 stellen die erwähnten Blockschaltbilder der Vorrichtung der Type 1 und 2 dar;

F i g. 2a entspricht der F i g. 11 der GB-PS 11 20 541;

F i g. 3 ist ein ausführlicheres Blockschaltbild eines Kompressors der Type 1 mit gleitendem Frequenzbereich;

F i g. 4 ist ein Schaltbild eines Kompressors nach der Erfindung;

F i g. 5 ist ein Schaltbild eines komplementären Expanders;

F i g. 6 ist ein Partialschaltbild eines geschalteten Kompressor/Expanders;

F i g. 7 stellt ein einfaches passives Entzerrungsnetzwerk dar;

F i g. 8 und 9 stellen Kennlinienfelder des Kompressors dar;

F i g. 10 ist ein Schaltbild eines verbesserten Filter/Begrenzers;

Fig. 11 bis 13 stellen Kennlinienfelder der Ausführung nach Fig. 10dar.

Die F i g. 1 und 2 beziehen sich auf den Ausgangspunkt der Erfindung und erläutern die beiden Grundschaltungen der Type 1 und 2, während F i g. 2a das Prinzip der Filterschaltung angibt.

In F i g. 3 ist ein Kompressor der Type 1 mit gleitendem Frequenzbereich ausführlicher dargestellt. Die Änderungen, die vorgenommen werden müssen, um einen

Expander und eine Vorrichtung der Type 2 zu erhalten, ergeben sich aus den F i g. 1 und 2.

Nach F i g. 3 wird das einem Eingang 1 zugeführte Signal über einen den Hauptkanal, d. h. die erste Schaltung darstellenden Widerstand 2 geleitet und zu dem Signal addiert, das dem Ausgang 3 über einen Widerstand la zugeführt wird, der in der weiteren Schaltung liegt. Die weitere Schaltung 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 Übergangsschwingungen eliminiert, die im Signal verbleiben, das durch den im wesentlichen syllabischen Begrenzer 4 durchgelassen wird. Die syllabische Wirkung wird dadurch erzielt, daß einem Steueranschluß Cdes Filter/Begrenzers 4 ein geglättetes Steuersignal zugeführt wird. Dieses Steuersignal wird aus dem Ausgangssignal und/oder Eingangssignal der weiteren Schaltung (Leitungen 7 und 8, von denen nur eine vorgesehen zu sein braucht) über einen Verstärker^ Gleichrichter 11 und eine Glättungsschaltung 13 gewonnen. 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.

Kompressor nach der Erfindung

Die Schaltung nach F i g. 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 eine ei ste Schaltung, nämlich einen Haupt-Geradeaus-Kanal, in dem ein Widerstand 14 liegt einen Ausgang 16 und zum anderen über eine weitere Schattung, in der als letztes Bauelement ein Widerstand 18 liegt, ebenfalls dem Ausgang 16 zugeführt. Die Widerstände 14 und 18 addieren die Ausgangssignale dieser beiden Schaltungen, um das erforderliche Kompressionsgesetz zu verwirklichen.

Die weitere Schaltung 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 Signa! in der weiteren Schaltung so weit daß der Knick in der Kennlinie des Begrenzers 28. der Silichmidioden enthält, bei dem geeigneten Signalpegel während des Einschwingoder Obergangszustands wirksam wird. Die Widerstände 14 und 18 sind so bemessen, daß das Signal in der weiteren Schaltung entsprechend dem erforderlichen Kompensationsgrad gedämpft wird.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 26 wird femer einem Verstärker 3t) zugeführt dessen Ausgangssignal durch eine Germanium-Diode 31 gleichgerichtet und durch ein Glättungsfilter 32 integriert wird, um die Steuerspannung für den Feldeffekttransistor 24 zu erzeugen. Die Punkte Λ B und C entsprechen den mit gleichen Bezugszeichen versehenen Punkten in F i g. 3.

Filter/Begrenzer

Es werden zwei einfache RC-Filter verwendet obwoW auch äquivalente LC- oder LCK-Fflter verwendet werden können. Das feste Filter 20 hat eine Grenzfrequenz von 1700Hz, unterhalb der eine verminderte Kompression stattfindet. Das Filter 22 umfaßt einen Vorschaltkondensator 34 und einen Nebenschlußwiderstand 36, denen ein Reihenwiderstand 38 und der FET 24 nachgeschaltet sind, wobei die Quelle-Senke-Strecke als Nebenschlußwiderstand geschaltet ist. Im Ruhezustand, wenn das dem Tor des FET 24 zugeführte Signal Null ist, ist der FET 24 gesperrt, so daß er einen nahezu

ίο unendlichen Widerstand darstellt. Der Widerstand 38 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 daß 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 dieses Bauelement innerhalb eines abgemessenen Signalamplitudenbereiches weitgehend wie ein linearer Widerstand (für beide Signalpolaritäten) wirkt, dessen Wert durch die dem Tor zugeführte Steuerspannung bestimmt wird.

Die Verwendung zweier hintereinandergeschalteter 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/Oktove). Die durch die beiden hintereinandergeschalteten Filter hervorgerufene Verzögerung oder Phasenverschiebung, die sich in Abhängigkeit von der Frequenz ändert ist derart, daß die Kompressionsfrequenzkennlinie (die Abhängigkeit der Kompression von der Frequenz) bei einem um 44 dB unter einem Maximaleingangssignal, dem 0 dB zugeordnet sind, liegenden Eingangssignal den durch die Kurve 40 nach F i g. 8 und nicht den gewünschten durch die Kurve 42 dargestellten Verlauf hat. Legt man dagegen 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 Hochfrequenzende um etwa 10 dB über dem Niederfrequenzende liegt. Die Kennlinien für Eingangssignale mit -16 dB. - 1OdB und OdB sind ebenfalls dargestellt, um zu zeigen, wie die Kompression im selben MaSe allmählich abnimmt wie die Amplitude zunimmt und die Bandbreite des Riters 22 abnimmt Ir den Zeichnungen liegen die Kennlinien in vertikal« Richtung dichter beieinander, als dies tatsächlich dei Fall ist.

Die Veränderung der Bandbreite ist an den Kennli nien nach F i g. 9 deutlicher zu erkennen, die sich da durch ergeben, daß man dem Eingang 10 ein starke; (OdB) Signal fester Frequenz zuführt und diesem eii schwaches (-41 dB) Signal überlagert das durch da> gesamte Frequenzspektrum gewobbelt wird. Das an Ausgang 16 mit der Frequenz des schwachen Signal' auftretende Signal wird durch einen Schwingungsana lysator nachgewiesen. Es weist naturgemäß ein starke Signal mit der festen Frequenz des starken Eingangs signals auf und gibt auch die Hochfrequenzanhebunj wieder, die durch die Kompression hervorgerufen wi»x Man sieht deutlich, wie sich bei zunehmender Frequen des starken Signals (200 Hz. 400 Hz. 700 Hz. 1 kHi

2 kHz) der Frequenzbereich, in dem die Kompression stattfindet, allmählich einengt bzw. verringert.

Wie weiter aus der in F i g. 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.

10 Verstärker und Begrenzer

Der Verstärker 26 nach F i g. 4 enthält komplementäre Transistoren, die bewirken, daß der Verstärker einen hohen Eingangswiderstand und einen niedrigen Ausgangswiderstand aufweist. Da der Verstärker den Dioden-Begrenzer 28 ansteuert, ist ein endlicher Ausgangswiderstand erforderlich, der durch einen Koppelwiderstand 50 erzieh 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, wie 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 mit dem Glättungsfilter 32 verbunden. Das Filter enthält einen Reihenwiderstand 54 und einen Ableit- oder Nebenschlußkondensator 56. Dem Widerstand 54 ist eine Silicium-Diode 58 parallel geschaltet, 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.

Komplementärer Expander

Ein Schaltbild des Expanders ist in F i g. 5 dargestellt, doch braucht dies nicht vollständig beschrieben zu werden, da praktisch die gesamte Schaltungsanordnung mit der nach F i g. 4 übereinstimmt. Die Werte der meisten Bauelemente sind daher ebenfalls nicht in F i g. 5 angegeben. Die Kennlinien sind nicht dargestellt, doch sind sie komplementär zu denen nach F i g. 8.

Die Schaltungsanordnungen nach den F i g. 4 und 5 unterscheiden sich in folgendem:

Nach Fig.5 erhält die weitere Schaltung ihr 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 Emitterfolger* 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 14 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 (F i g. 4) aus dem Kollektorkreis entfernt und in den Emitterkreis (F i g. 5) geschaltet wird, wodurch sich automatisch ein geeigneter Ausgangswiederstand zum Ansteuern des Begrenzers ergibt. Der Widerstand 50 ist daher in F i g. 5 weggelassen.

Beim Abgleichen einer vollständigen Rausch- oder Störsignalreduziereinrichtung 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.

Kompressor/Expander-Umschaltung

Bei einem hochwertigen Bandgerät kann sowohl im Aufzeichnungs- als 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 werden kann. Die weitere Schaltung für diesen Kompressor/Expander kann so ausgebildet sein, wie es in F i g. 5 dargestellt ist, d. h. alles, was rechts von den Punkten X und V in F i g. 5 liegt, wird unverändert verwendet, während die links von den Punkten X und Y liegende Schaltungsanordnung entsprechend F i g. 6 abgeändert ist.

Nach F i g. 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 F i g. 4 und 5) zugeführt wird. Der Emitter dieser Stufe ist mit dem Punkt X verbunden und liefert das nicht umgekehrte Eingangssignal der weiteren Schaltung. Es sei unter Hinweis auf die Beschreibung der F i g. 5 daran erinnert, daß, bei diesem Ausführungsbeispiel, die weitere Schaltung eine Umkehr (des Vorzeichens) bewirkt. Dementsprechend ist das am Punkt V eintreffende und dem Ausgang 16b im Aufzeichnungsbetrieb über einen Betriebsartenwählschalter 76 und den Widerstand 18 zugeführte Signal umgekehrt. Um eine Kompression zu erzielen, muß die erste Schaltung ebenfalls eine Umkehr bewirken, die mit Hilfe eines weiteren Transistors 78 erzielt wird, der durch den Emitterfolger 74 an der Basis angesteuert wird. Das Signal der ersten Schaltung wird an einem KoHektorwiderstand 80 abgegriffen.

Bei der Wiedergabe (d. h. bei Betrieb der Anordnung als Expander) wird das Ausgangssignal der weiteren Schaltung über den Schalter 76 der Basis des Emitterfolgers 74 zugeführt, d. h. vor der Umkehrstufe 78. Das Ausgangssignal der weiteren Schaltung wird daher dem Signal in der ersten Schaltung subtraktiv überlagert, um eine Expansion zu bewirken.

Einfache Entzerrung

Der Kompressor und Expander s»nd zum Einbau in ein hochwertiges Tonbandgerät vorgesehen, das dem Benutzer das Aufzeichnen und Wiedergeben von eige-

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nen 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 Entzerren 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 F i g. 7 dargestellt. Die angegebenen Werte der Bauelemente sind zur Entzerrung eines Signals geeignet, das über den Kompressor nach F i g. 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 zweckmäßig, 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. 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 Rausch- oder 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 Geräuschunterdrückung oder Rauschverminderung ein- und ausgeschaltet wird. Im folgenden wird eine verbesserte Filter/Begrenzer Schaltung beschrieben, die das Mittenbanddämpfungsprobiem löst und noch weitere Vorteile bietet die an verringerten Dynamik- und Frequenzgangfehlem bei unvollkommenem Kompressor- und Expanderabgleich erkennbar sind.

In F i g. 10 ist die verbesserte Schaltung dargestellt, die die Schaltung zwischen den Punkten A, B und C in den F i g. 4 und 5 ersetzen kann. Wenn der FET 24 gesperrt ist ist das zweite RC-Netzwerk 22 unwirksam. so daß nur das erste RC-Netzwerk 20 den Frequenzgang der weheren Schaltung 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 Signaibedingungen.

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 wird 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 Signal dar.

F i g. 11 ist ein Kennlinienfeld des Kompressor-Amplitudengangs bei Verwendung der verbesserten Filter/Begrenzer-Schaltung nach Fig. 10und der Werte 47 Ohm und 0,1 Mikrofarad im Emitter-RC-Kreis 52 des Regelverslärkers, an Stelle 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 Ampütudengang des Expanders dargestellt.

Wie man sieht, ist die Mittenbanddämpfung nach F i g. 8 bei Verwendung der Schaltung nach F i g. 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 Normierungs-

zwecke 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 Komponente der weiteren Schaltung bei hohen Frequenzen zu erzielen, ohne den *ibgleich 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 die Verstärkung des

Regelverstärkers bei hohen Frequenzen. Die bei hohen Frequenzen erfolgende Verminderung des Schwellwertes und Zunahme der Kompression sind in F i g. 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 F i g. 4 geht die Bandveränderung in eine normale Kompression über, wen« 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. Die weitere Schaltung 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 F i g. 13 dargestellt, wobei man diese Darstellung in derselben Weise wie die nach F i g. 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 Obergangsfrequenz des Filters. Man sieht, daß die Schaltung mit veränderbarem Frequenzbereich, insbesondere bei Verwendung der Anordnung mit vollständiger Frequenzbereichsverschiebung, für eine erhebliche Verminderung des Hochfrequenzrauschens unter Signalbedingungen sorgt. Die F i g. 11,12 und 13 stellen die Verhältnisse bei der Schaltung nach Fig. 10 dar, wie sie talsächlich gemessen wurden.

Bei richtigem Abgleich sind Kompressor und Expander bei allen Amplituden und Frequenzen bis auf etwa ± 1 dB komplementär. Wie Messungen gezeigt haben,

ίο 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 Wiedergabequalität nicht merklich beeinflussen sollten. Die durch die verbesserte Filter/Begrenzer-Schaltung nach F i g. 10 hervorgerufenen Fehler, sind geringer als die bei der Schaltung nach F i g. 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 Änderungsgeschwindigkeit von nur etwa 2 bis 3 dB/Oktave erreicht, die ausreichend niedrig ist, um zu vermeiden, daß der Klang des wiedergegebenen Signals merklieh verfälscht ist.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Audio-Störgeräusch verminderung, bei dem ein Audiosignal mit voller Bandbreite mit linearer Dynamik übertragen und empfangen bzw. aufgezeichnet und wiedergegeben wird, und bei dem diejenigen Signale, die in einem ausgewählten oberen Teil des Audiofrequenzbandes liegen, vor der Übertragung oder Aufzeichnung einer Kompression unterworfen werden und in dem ausgewählten Teil des Frequenzbandes nach dem Empfang oder der Wiedergabe einer komplementären Expansion des dynamischen Bereiches unterworfen werden, und bei dem sowohl während der Kornpression als auch während der Expansion der ausgewählte Teil des Frequenzbandes in Abhängigkeit von der Amplitude der darin auftretenden Signalkomponenten eingeengt wird, um diese Komponenten aus dem eingeengten Frequenzband und dadurch von der Kompression und Expansion auszuschließen, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgewählte Teil des Audiofrequenzbandes im nicht eingeengten Zustand etwa der oberen Hälfte des Bandes entspricht und daß der Grad der Kornpression oder Expansion in diesem Zustand innerhalb des ausgewählten Teiles des Audiofrequenzbandes etwa 1OdB beträgt.

2. Kompressor oder Expander zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer ersten Schaltung, die Linearität des dynamischen Bereichs aufweist und einer weiteren Schaltung, der Eingangssignale von der ersten Schaltung zugeführt werden und deren Ausgangssignale mit den Signalen der ersten Schaltung vereinigt werden und die ein veränderbares Filter enthäk, dadurch gekennzeichnet, daß das veränderbare Filter aus zwei in Reihe geschalteten Filtern besteht, von denen das eine Filter (20) Bauelemente mit festem Wert und das andere Filter (22) eine veränderbare Grenzfrequenz aufweist, die für kleine Amplituden wesentlich niedriger is als die des anderen Filters.

3. Signalkompressor oder Expander nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter mit der veränderbaren Grenzfrequenz einen Feldeffekttransistor (24) enthält.

4. Signalkompressor oder Expander nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (20,22) beide «C-Fiher sind.

5. Signalkompressor oder Expander nach Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das veränderbare Filter (22) einen Reihenzweig, bestehend aus einem Kondensator (34) in Parallelschaltung mit einem Widerstand (36a) und einem Querzv.■<?;.; enthält, in dem e>ne gesteuerte Vorrichtung (24) liegt (F ig. 10).

6. Signalkompressor oder Expander nach Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das veränderbare Filter (22) einen Reihenkondensator (34) mit nachgeschaltetem Nebenschlußwiderstand (36) *>o und daran anschließend einen Reihenwiderstand (38), dem ein Querzweig nachgeschaltet ist, in dem die gesteuerte Vorrichtung (24) liegt, enthält (F ig· 4).

7. Signalkompressor oder Expander nach Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Vorrichtung (24) des veränderbaren Filters (22) auf die Amplitude der Ausgangsgröße des ver

änderbaren Filters anspricht

8 Signaikompressor oder Expander nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die weitere Schaltung eine Begrenzungsschaltung (6) an der Ausgangsseite des veränderbaren Begrenzungsfilters (4) aufweist, welche Übersteuerungen der Ausgangssignale des veränderbaren Begrenzungsfilters beseitigt-

& Signalkompressor oder Expander nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Filters (Ä Fig-4) ein Steuersignal abgenommen gleichgerichtet und in einem zweistufigen nichtlinearen Glättungsfilter (32) geglättet wird.