DE2211347A1

DE2211347A1 - Schaltungsanordnung zur Veränderung des dynamischen Bereiches von Signalen

Info

Publication number: DE2211347A1
Application number: DE19722211347
Authority: DE
Inventors: Ray Milton London Dolby
Original assignee: Dolby Laboratories Inc
Current assignee: Dolby Laboratories Licensing Corp
Priority date: 1971-03-12
Filing date: 1972-03-09
Publication date: 1972-09-28
Also published as: SE381968B; NL181769B; CA955856A; JPS592409B1; GB1390341A; CA963813A; JPS5623330B1; DE2211348C3; NL7203316A; US3967219A; DE2211347C3; NL7203315A; US3775705A; SE381789B; NL7203318A; US3845416A; CA960973A; SE373010B; DE2211347B2; DE2211348A1

Description

Dolby Laboratories Inc., New York / USA

Schaltungsanordnung zur Veränderung des' dynamischen Bereiches von Signalen

Die Erfindung "bezieht sich auf Schaltungsanordnungen, die dazu dienen, den dynamischen Bereich eines Eingangssignales zu verändern, d.h. aus Kompressoren, welche eine Kompression des dynamischen Bereiches hervorrufen und auf Expander, v/elche eine Expansion des dynamischen Bereiches bewirken. Kompressoren und Expander sollen manchmal unabhängig voneinander arbeiten; häufiger jedoch wird verlangt, daß der Kompressor den dynamischen Bereich eines Eingangssignales verändert, bevor das Signal übertragen oder aufgezeichnet wird und daß ein komplementärer Expander den dynamischen Bereich des aufgenommenen oder wiedergegebenen Signals expandiert, d.h. daß der Expander die lineare Kennlinie für das Eingangssignal wiederherstellt. Störgeräusche, die während der Übertragung oder bei der Aufzeichnung bzw. der Wiedergabe auftreten, werden dadurch wesentlich vermindert und die Kombination aus Kompressor und Expander wiikt daher als Anordnung zur Geräuschverminderung.

Eine Schwierigkeit, die bei vielen Schaltungsanordnungen zur Veränderung des dynamischen Bereiches zwecks Geräuschverminderung besteht, ist die, daß diese Anordnungen Pegelfehler 'oder Verzerrungen bei hohen Signalpegeln hervorrufen. Bei einer Anordnung zur Störverminderung ist es nicht notwendig,

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die Signale mit hohem Pegel zu verändern, da die Störgeräusche gewöhnlich einen niedrigen Wert im Verhältnis zum maxi:.'el en Signalpegel aufweisen. Die Kompressoren und Expander sollten daher so ausgebildet sein, daß eine Veränderung der Signalc.ynamik bei hohen Pegeln vermieden v/ird und nur bei niedrigen Signalpegeln durchgeführt v/ird. Dies kann durch Verwendung eine: allgemeinen Gruppe von Schaltungen erreicht werden, die ein Ausgangssignal in einem festgelegten Frequenzband in Abhängigkeit von einem Eingangssignal innerhalb dieses Bandes erzeugen und für jede innerhalb des Bandes liegende Frequenz eine Eingangs- Ausgangsübertragungscharäkteristik auf v/ei sen, die in zwei Bereiche geteilt ist, welche hohe und niedrige Pegel enthalten, wobei mindestens der Bereich mit dem hohen Pegel eine Übertragungscharakteristik aufweist, die nur durch feste Schaltelemente bestimmt wird, welche eine im wesentliche/, geradlinig verlaufende Übertragungscharakteristik haben, die in einem Dezibeldiagramm parallel in einem Abstand von derjenigen des Bereichs der niedrigen Signalpegel verläuft, v/ob ei dor Übergang von dem Bereich der niedrigen Pegel zu dem der hohen Pegel durch veränderliche Schaltelemente bewirkt v/ird, deren Parameter in Abhängigkeit von den Pegeln eines oder mehrerer Signale, die in der Schaltungsanordnung auftreten, veränderlich ist und v/obei diese Parameter beim Übergang von dem Bereich der niedrigen Pegel zu dem Bereich der hohen Pegel einen Extremwert annehmen, wodurch in dem Bereich der hohen Signalpegel Veränderungen und Mangel der Parameter nur einen unbedeutenden Einfluß auf die Übertragungscharakteristik und das Ausgangssignal haben.

Beide Bereiche, sov/ohl der mit niedrigem Pegel als auch der mit hohem Pegel haben Übertragungscharakteristiken, die nur durch feste Schaltelemente bestimmt sind; die genannten Parameter verändern sich von einem Extremwert zu einem anderen entgegengesetzten Extremwert beim Übergang von dem Bereich niedrigen Pegels zu dem Bereich hohen Pegels, wodurch diese

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?i.ra;neter nur in einem Zwischenpegelbereich einen nennenswerten Einfluß auf die Übertragungscharakteristik und das Aus- ;·civj..-.signal haben, während bei den beiden Extrem- oder Endzuctänden irgendwelche Veränderungen oder Beeinträchtigungen der Parameter nur einen unbedeutenden Einfluß auf die Übertragungschüra'/iteristiken und das Ausgangssignal haben.

U:.i die Beschreibung im v/eiteren zu erleichtern, wird die Übertragungscharakteristik mit hohem Signalpegel als normale Kennliniebezeichnet und die Übertragungscharakteristik bei niedrigem Pegel als angehobene Kennlinie im. Fall eines Kompressors und als gedämpfte oder geschwächte Kennlinie im Fall eines · Expanders. Die beiden Möglichkeiten einer angehobenen Kennlinie ocer einer¹ geschwächten Kennlinie werden allgemein als abgeänderte Kennlinie oder Charakteristik bezeichnet.

Ye:vn Kompressoren und komplementäre Expander in Anlagen zur Ceräuschverninderung benutzt werden, ist es wichtig, daß signairr.oduiierte Geräuschkomponenten vermieden v/erden. Dies läßt sich am besten dadurch sicherstellen, daß die verschiedenen Abschnitte des Frequenzspektrums möglichst unabhängig voneinander komprimiert oder expandiert werden. Der Grad der Kompression oder Expansion (d.h. die Geräuschverminderung), die z.B. bei den extrem hohen Hörfrequenzen auftritt, sollte so wenig wie möglich durch die Signale bei niedrigen oder mittleren Frequenzen beeinflußt v/erden.

Kompressoren oder Expander, die nach diesem Prinzip arbeiten, enthalten gewöhnlich frequenzselektive Kreise, welche die Änderung der Kennlinie auf bestimmte begrenzte Bereiche des Frequenzbandes beschränken, das einen Teil des Gesamtfrequenzbandes bildet. v.^Tenn eine Frequenzkomponente innerhalb des begrenzten Sendes einen hohen Signalpegel hat, spricht die Schaltungsanordnung darauf an und bewirkt, daß das begrenzte Band soweit eingeengt wird, daß diese Frequenz ausgeschlossen

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wird, so daß bei dieser Frequenz die normale Kennlinie wirksam ist. Die abgeänderte Kennlinie ist innerhalb des nunmehr eingeengten Frequenzbandes wirksam, so daß die Kompressor- bzw. Expanderwirkung und dadurch die Geräuschverminderung innerhalb dieses begrenzten Bandes wirksam wird. Man kann dieses Prinzip als ein Bandeinengungsprinzip bezeichnen, da das Frequenzband eine Einengung erfährt, um die Kompression, die Expansion und die Geräuschverminderung auf Frequenzen zu beschränken, innerhalb deren nur Signale mit niedrigem Pegel vorhanden sind. Auf diese Weise läßt sich eine starke Kompression und Expansion bei Frequenzen aufrecht erhalten, die von den Signalfrequenzen mit hohem Pegel einen gewissen Abstand haben, so daß sich eine günstige Geräuschverminderung unter Vermeidung von signalmodulierten Geräuschen ergibt.

Beispiele für derartige Bandbegrenzungsschaltungen sind in der britischen Patentschrift Nr. 1 120 541 und 1 253 031 angegeben. Bei diesen Beispielen wird die Übertragungskennlinie mit Hilfe von zwei Kanälen erreicht, deren Ausgänge kombiniert werden und die die normale Kennlinie bei hohen Pegeln und die abgeänderte Kennlinie bei niedrigen Pegeln verwirklichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, bei der nur ein Übertragungskanal erforderlich ist und bei der eine Reihenschaltung von Impedanznetzwerken verwendet wird, um die gewünschte Übertragungskennlinien zu erzeugen. Mindestens eines der Impedanznetzwerke enthält veränderliche Schaltelemente. Es sind schon Schaltungsanordnungen zur Änderung des dynamischen Bereiches bekannt, in denen Reihenschaltungen von Impedanznetzwerken verwendet werden, wobei eines der Netzwerke einen veränderlichen (steuerbaren) Widerstand als Komponente enthält. Diese Schaltungsanordnungen sind jedoch entweder nicht frequenzselektiv (wie im Fall der in der US Patentschrift 3 281 706 beschriebenen Schaltung) oder sie sind zwar frequenzselektiv, arbeiten je-

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doch nicht nach dem Bandeinengungsprinzip.

Beispiele von frequenzselektiven Schaltungsanordnungen sind in der britischen Patentschrift 1 152 435 und in den US Patentschriften 3 449 518 und 3 497 621 angegeben. In diesen Schaltungen wird ein veränderlicher Widerstand in seinem Wert so vermindert, daß die frequenzbestimmenden Komponente eines der in Reihe geschalteten Impedanznetzwerke vermindert wird, um den Betrag um den der Signalpegel in dem begrenzten Frequenzband, das durch die "frequenzbe stimmenden Komponenten gegeben ist, angehoben oder vermindert wird, zu reduzieren. Bei diesen Verfahren ist das beschränkte Frequenzband entweder gar nicht beeinflußt oder es wird bei dem Vorgang verbreitert und nicht eingeengt.

Der Erfindung liegt daher die spezielle Aufgabe zugrunde, eine Schaltung anzugeben, bei der nicht nur ein einziger Übertragungskanal erforderlich ist, aondern a'ich eine bandeinengende Wirkung erreicht wird.

Gemäß der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Änderung des dynamischen Bereiches eines Nachrichtensignales vorgesehen, bei der eine Anzahl von Impedanznetzwerken in Reihenschaltung mit den Eingangsklemmen verbunden sind und bei der Ausgangsklemmen an einem oder mehreren der Netzwerken vorgesehen sind, von denen mindestens eines ein frequenzselektives Netzwerk ist, das ein begrenztes Frequenzband bestimmt, innerhalb dessen die Änderung des dynamischen Bereichs stattfindet und das veränderbare . Schaltelemente aufweist, die auf den Pegel der innerhalb des Bandes liegenden Signalkomponenten ansprechen und das Ausmaß der Dynamikänderung vermindern, wenn der Pegel der Signalkomponente zunimmt, und diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbaren. Schaltelemente das Band verengen, wenn der Pegel der Signalkomponente innerhalb des Bandes zunimmt und auf diese Weise diese Signalkomponenten

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von der Dynamikbereichsänderung ausnehmen.

3ine Einengung des Bandes ohne Abflachung der Kennlinie (wie in Figur 2) läßt sich dadurch erreichen, daß man ein veränderbares reaktives Schaltelement in dem veränderbaren Impedanznetzwerk verwendet; es ist jedoch auch möglich, die gewünschte Wirkung mit entsprechend geschalteten veränderbaren Widerständen zu erreichen. Die Impedanznetzwerke können in verschiedener Weise ausgebildet sein, wobei es möglich ist, ein angehobenes Ausgangssignal in dem eingeschränkten Band für den Kompressor oder ein abgeschwächtes Ausgangssignal in dem beschränkten Band bei niedrigen Signalpegeln zu erreichen. Das veränderbare Netzwerk kann lediglich aus einem veränderbaren Schaltelement bestehen oder es kann auch feste Schaltelemente in verschiedenen Reihen-und Parallelschaltungen enthalten. Ob es notwendig ist, den Wert der veränderbaren Impedanz bei einer Erhöhung des Signalpegels innerhalb des Bandes anzuheben oder zu vermindern, hängt davon ab, wie die veränderbare Impedanz das Anheben oder Vermindern bewirkt und auch von der Richtung, in der die Grenze oder die Grenzen des Frequenzbandes verschoben werden müssen, um das Band einzuengen.

Eine Verminderung der Impedanz des veränderbaren Schaltelementes ergibt gewöhnlich eine Abnahme der Impedanz des veränderbaren Netzwerkes. Es kann jedoch auch der umgekehrte Vorgang eintreten, z.B. im Falle eines Parallelresonanzkreises, bei dem ein veränderbarer Widerstand in dem Schwingkreis den Wert Q ändert und daher die Impedanz des Kreises in der entgegengesetzten Richtung ändert, wie die Änderung des Widerstandes vor sich geht.

Die Netzwerke werden von einer Stromquelle gespeist und die Ausgangsspannung kann an den in Reihe geschalteten Elementen des Netzwerkes abgenommen v/erden. Eine komplementäre Kompressor-Expanderwirkung, die umschaltbar ist, kann nötigenfalls dadurch erhalten werden, daß die gleiche Reihenkombinations-

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schaltung von einer Spannungsquelle mit konstanter Spannung gespeist wird. Als Ausgangsgröße dient dann der Strom, der durch, die Reihenschaltung fließt. Wenn eines der Netzwerke als ohmscher Widerstand ausgebildet ist, dann kann die Ausgangsspannung direkt an dem Widerstand abgenommen werden.

Wenn die veränderbare Impedanz als veränderbare Reaktanz ausgebildet ist, ist es meist am günstigsten, veränderbare Widerstände zu benutzen, um die veränderbare Reaktanz zu erzeugen. Durch Verwendung einer veränderbaren Verstärkung und Ausnutzung des Miller-Effektes ist es z.B. möglich, eine veränderbare Kapazität darzustellen.

Wenn das zu verarbeitende Signal ein Trägerfrequenzsignal ist, dann wird der Kompressor so eingerichtet, daß er die Trägerfrequenz und die Seitenbänder bearbeiten kann. Hierbei ist es gewöhnlich notwendig, das Frequenzband symmetrisch zu verengen oder zu erweitern, jedoch ist es auch möglich, die Steuerung der Bandbreite unsymmetrisch durchzuführen, um ^a\n Seitenbe"--^ signal oder Signale mit begrenzten Seitenbändern zu \ .-.„ rbeiten.

Wie oben erwähnt ist es möglich, abgestimmte Kreise mit veränderbaren Bandbreite durch Verwendung veränderbarer Widerstände aufzubauen. Es ist auch möglich, die Bandbreite durch ein veränderbares L/C Verhältnis zu beeinflussen. In beiden Fällen wird die Steuerung so vorgenommen, daß die Resonanzfrequenz konstant gehalten wird, jedoch verändert das veränderbare L/C Verhältnis die Impedanz des Kreises außerhalb der Resonanz und ruft daher die notwendige Bandverengung hervor.

3ei Schaltungen zur Geräuschverminderung ist es gewöhnlich ausreichend, nur den Teil des dynamischen Bereiches mit niedrigem Pegel - z.B. Pegel von weniger als -20 dB, -40 dB oder selbst -60 dB - mit Bezug auf den maximalen Arbeitspegel

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(ein, 2v:ei oder drei Größenordnungen niedriger) zu verarbeiten. Störungen, die durch den Betrieb mit veränderlicher Impedanz eingeführt werden, sind daher auf verhältnismäßig niedrige ?e~ol beschränkt, bei denen sie nicht auffallen. Bei sehr niedri^Dn und bei sehr hohen Pegeln wird eine Verzerrung vermieden, v.'eil die Eigenschaften der Schaltungsanordnung nur durch die festen Schaltelemente beeinflußt v/erden, so daß im Bereich dieser Pegel ein lineares Arbeiten gewährleistet ist.

Die Kompressoren und Expander gemäß der Erfindung v/erden im folgenden im einzelnen und getrennt beschrieben. Es ist Jedoch auch möglich, durch Verwendung eines Verstärkers mit negativer Rückkopplung eine andere Arbeitsweise zu erreichen, wobei ein Kompressor oder Expander in der Rückkopplungsschleife angeordnet ist, um die Expander- oder Kompressorwirkung hervorzurufen.

3ei Anwendungen wie z.B. beim Fernsehen, bei dem nicht-iir,^. ^ Verzerrungen, die durch den Kompressor eingeführt werden, mit Hilfe des Expanders kompensiert v/erden können, ist es auch möglich, nicht-lineare Impedanzen, z.3. Schaltelemente mit Sättigungseigenschaften, zu benutzen, um die veränderliche Bandbreite hervorzurufen.

\ienn jedoch eine nicht-lineare Verzerrung nicht zulässig ist, wie z.3. bei Audioübertragungen, können die veränderlichen Impedanzen in Abhängigkeit von gleichgerichteten und geglätteten Signalen gesteuert werde, wodurch eine lineare oder syllabi sehe Wirkung erreichbar ist. Das Steuersignal kann an verschiedenen Stellen der Schaltung abgenommen werden, z.B. als Eingangs- oder Ausgangssignal. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, das Signal von dem Strom oder der Spannung abzuleiten, der durch das veränderliche Element der veränderlichen Impedanz fließt oder an ihr abgenommen wird, d.h. von Teilen der Schaltung, in denen der Strom oder die Spannung auf einen kleinen ^r.".^rert bei hohen Eingangssignalpegeln beschränkt ist. Es kann

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erforderlich sein, in diesem Fall einen Differenzverstärker zu verwenden und dies hat den Vorteil, daß die Steuerspannung nicht auf extrem hohe Werte bei hohen Signalpegeln ansteigt.

Durch Verwendung einer zweistufigen Integrationsschaltung ist es möglich, die Ansprechzeit der Anordnung kurz zu halten, während gleichzeitig die Signalverzerrung und die Erzeugung von Modulationsprodukten auf einem Minimum gehalten wird. Die erste Stufe sollte eine kurze Zeitkonstante aufweisen. Die zweite Stufe, die eine längere Zeitkonstante hat, ist mit der ersten Stufe nicht-linear gekoppelt, z.B. über eine Dioden-Widerstandskombination, v/ob ei die zweite Stufe eine zusätzliche Glättung bei verhältnismäßig gleichförmigen Signalen hervorruft. Bei plötzlichen Änderungen der Signalamplitude wird die nicht-lineare Schaltung leitend und bewirkt, daß die Zeitkonstante der zweiten Schaltung vermindert wird.

Während der Ansprechzeit können Übersteuerungen oder Untersteuerungen auftreten. Ss ist möglich, diese auf kleine Amplituden zu begrenzen, wenn man entsprechend geschaltete nicht-lineare Elemente, z.B. Dioden benutzt.

Die Dioden sollten mit der veränderlichen Impedanz so verbunden sein, daß die auftretende Spannung selbst bei extremen Störwellen kleine Werte nicht überschreitet. Auch Dioden mit konstantem Strom können in ähnlicher Weise verwendet v/erden, wenn der Strom der veränderlichen Impedanz und nicht die Spannung auf einen kleinen Wert bei hohen Eingangssignalpegeln beschränkt wird. ·

Im folgenden v/erden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

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Figur 1 zeigt Kenr.liniendiagramme, die die Bandverengung darstellen;

Figur 2 zeigt vergleichbare Kennlinien, die sich beim Betrieb bekannter Schaltungen ergeben;

Figur 3 zeigt einen Kompressor gemäß der Erfindung; Figur 4 zeigt einen Expander gemäß der Erfindung;

Figur 5 zeig'c ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kompressors gemäß der Erfindung;

Figur 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Expanders gemäß der Erfindung und

Figur 7 zeigt eine Steuerschaltung zur Verwendung in einer Schaltung nach Figur 4 bis 6.

Zur Vereinfachung ist in der folgenden Beschreibung nur der Fall dargestellt, bei dem das eingeengte Band den oberen Teil des Gesamtbandes bildet und bei dem veränderliche Reaktanzen benutzt werden, um die Einengung des Bandes hervorzurufen, .':.-vrohl es möglich ist, auch veränderliche Widerstände, niederfrequente Bänder, enge Bänder und Trägerfrequenzen sowie Seitenbänder in die Beschreibung einzubeziehen. Die Erfindung ist auch anwendbar bei einem begrenzten Band, das am unteren Ende des Gesamtbereiches liegt und es können auch Schaltungen gebaut werden, um zwei oder mehrere begrenzte Bänder, z.B. eins am oberen Ende und eins am unteren Ende zu verarbeiten. In ähnlicher ^T;.^reise können auch mehrere Bänder vorhanden sein, um alle wichtigen Frequenzen mit möglichst geringer gegenseitiger Beeinflussung zu verarbeiten. Dabei brauchen auch ein oder mehrere der Bänder keine Einengung der Bandbreite zu erfahren.

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IMs dargestellten Schaltungen können dazu verwendet werden, um 'C2.L Audiogeräten hochfrequente Geräuschkomponenten zu vermindern, z.E. die hohen Frequenzen des Bandgeräusches, jedoch können die Schaltungen auch zur Verarbeitung irgendwelcher anderer Informationssignale bei entsprechender Wahl der die Frequenz bestimmender. Komponenten benutzt werden. Wie schon erwähnt, kann das begrenzte Band auch so ausgebildet sein, daß es Trägerfrequenzsignale und ihre Seitenbänder, z.3. bei Kultiplextonübertragung sowie Farbfernsehsignal verarbeitet.

Figur 1 a zeigt eine Kompressorkennlinie 10 a und eine Expanderkennlinie 11a in voll ausgezogenen Linien, die über ein Gesamtfrequenzband sich erstrecken, das zwischen den Frequenzen f_o und f~ liegt. In dem Diagramm ist die Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen und man erkennt, da3 unterhalb einer Frequenz f* die Verstärkung einen normalen Wert hat, der gleich 1 sein kann. Zwischen ±, und f^ liegt ein begrenztes Band, innerhalb dessen die Verstärkung verändert wird, indem sie 2.3. im Fall des Kompressors um 10 63 angehoben und im Fall des Expanders um 10 dB vermindert wird. Die dargestellte Kennlinie zwischen f.. und f- bezieht sich jedoch nur auf Signale mit niedrigem Pegel. Figur 1 a zeigt auch, was eintritt, wenn eine Komponente mit hohem Pegel bei einer Frequenz fp aufxritt, die zwischen f^ und f-, liegt. Das begrenzte Band verschiebt sich nach oben, wie die gestrichelten Linien 10 b und 11b angeben und wird somit enger, so daß die normale Verstärkung bei f. vorhanden ist, während zwischen f_? und f, die Verstärkungsänderung stattfindet. Das kräftige Signal mit der Frequenz f_? hat die Kompression und die Expansion zwischen f^, und fp beseitigt, aber nicht zwischen den Frequenzen.f₂ und f^.

Figur 1 b zeigt den Fall,bei dem ein Frequenzband bei einem !■lehrband-Audiokompressor oder Expander behandelt wird. Die voll ausgezogenen Linien 10 a und 11 a erstrecken sich von den Frequenzen f.. bis zur Frequenz f. . Wenn ein Signal mit

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hohem Pegel und der Frequenz fp auftritt, dann wird die Bandbreite beschränkt, so daß fp, wie aus den gestrichelten Linien 10 b und 11 b hervorgeht, außerhalb des Bandes liegt. Selbst wenn jedoch ein so starkes Signal mit der Frequenz fp . vorhanden ist, werden die Frequenzen zwischen fp und f, komprimiert oder expandiert»

Figur 1 c zeigt das Verhalten bezüglich eines Trägerfrequenzsignals mit Seitenbändern. Bei einem Trägerfrequenzsystem mit unterdrücktem Träger fehlt die Trägerfrequenz. Wenn der Träger nicht unterdrückt wird, dann ist es notwendig, daß der Kompressor oder Expander den Träger während der Verarbeitung des Signales unterdrückt. Die Frequenzkennlinie der Figur 1 c bezieht sich auf einen Kompressor und einen Expander, bei dem die Trägerfrequenz f unterdrückt ist und bei dem die Seitenbänder r.iit niedrigem Pegel komprimiert oder expandiert werden.

In Abwesenheit eines Signals mit hohem Pegel erstreckt sich die Seitenbandbeeinflussung von der Frequenz f^ bis f, und von fy, ' bis f^', wie aus den voll ausgezogenen Linien 10 a und 11a hervorgeht. Diese Seitenbandsignale entsprechen den Signalen im Frequenzbereich f,, bis f^ nach Figur 1 a. Wenn nun ein starkes Signal bei den Werten des Seitenbandes f₂ und ±2* auftritt, dann nimmt die Breite des Bandes,innerhalb dessen die Unterdrückung stattfindet, zu und dies ist equivalent einer Verengung der Bandbreite, in der die Kompression oder Expansion stattfindet. Die geänderte Frequenzkennlinie schließt aus, daß Seitenbandsignale mit starkem Pegel verarbeitet werden, v/ie die gestrichelten Kennlinien 10 b und 11 b erkennen lassen.

Dieses Verhalten kann in Gegensatz gestellt werden zu dem Verhalten von bekannten frequenzselektiven Kompressoren und Expandern, die in Reihe geschaltete Impedanznetzwerke verwenden. Die Kennlinien derartiger Schaltungen sind in den Figuren 2 a, 2 b und 2 c dargestellt. Figur 2 a zeigt die Kompressor- und

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Expanderkennlinien 12 a und 13 a, die auftreten, wenn nur Signal komponenten kleinen Pegels zwischen den Frequenzen f^ und f,, auftreten» Figur 2 a zeigt auch, was eintritt, wenn eine Komponente mit starkem Pegel bei f₂ auftritt. Die Kennlinien 12 b und 13b werden flacher oder niedriger und verhindern jegliche Kompression und Expansion. Es ist klar, daß in diesem Falle keine Möglichkeit besteht, noch eine Kompression oder Expansion oberhalb der Frequenz fp zu bewirken. Es ist daher auch zu erwarten, daß signalmodulierte Störgeräusche auftreten, wenn man nicht eine große Zahl von Frequenzbändern benutzt.

Figur 2 b zeigt den Fall, bei dem ein Frequenzband bearbeitet wird, das mit demjenigen der Figur 1 b vergleichbar ist. Die Frequenzen mit niedrigem Pegel sind mit f. bis f. bezeichnet und die Kennlinien 12 a und 13 a sind voll ausgezogen. ¥enn ein Signal mit starkem Pegel bei der Frequenz fp auftritt, wird die Kompression oder Expansion,wie aus den gestrichelten .Linien 12 b und 13 b hervorgeht, vermindert. Die Kompression oder Expansion wird jedoch nicht nur bei der Frequenz fp vermindert, sondern bei allen Frequenzen die oberhalb von f₂ liegen. Dies ist aber bezüglich der Geräuschmodulation weniger wünschenswert als die Einengung des Bandes nach Figur 1 b.

Das Gegenstück der bekannten Schaltung mit Trägerfrequenz und Seitenbändern ist in Figur 2 c dargestellt. Die Kennlinien bei niedrigem Signalpegel sind durch die Kurven 12 a und 13 a dargestellt, die eine Verarbeitung der Frequenzen oberhalb von f^ und unterhalb von f^' gestatten. Wenn Seitenbandsignale bei f2 und I^ auftreten, ergeben sich die Kennlinien 12 b und 13 b, die erkennen lassen, daß der Grad der Kompression und Expansion über die ganze Bandbreite vermindert worden ist, im Gegensatz zu der Kennlinienverschiebung, die eine Einengung des Bandes nach Figur 1 c ergibt.

Die Schaltungen der Figuren 3 bis 6 sind Beispiele für Kompres-

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soren und Expander, die in der Lage sind, die Kennlinien zu erzeugen, die in Figur 1 beschrieben wurden.

Bei den Ausführungsbeispiel nach Figur 3 v/erden drei in Reihe geschaltete Impedanz-Netzwerke verwendet und zwar 1. ein Widerstand 20, der den Eingangswiderstand bilden kann, 2. ein Widerstand 21 und 3. eine veränderliche Induktivität 22, die parallel zu einem Widerstand 23 liegt. Die drei Netzwerke liegen in Reihe zwischen den Eingangsklemmen 24 a und 24 b. Die Ausgangsklemmen 25 a und 25 b liegen an der aus dem zweiten und dritten Netzwerk gebildeten Schaltungskombination.

Die an dem dritten Netzwerk auftretende Spannung wird mit Hilfe einer "Steuerschaltung 26 abgegriffen, welche diese Spannung gleichrichtet und glättet und zwar gegebenenfalls nach einer Verstärkung, so daß sich ein Steuersignal auf der Leitung 27 ergibt. Die Anordnung ist so getroffen, daß bei einer Zunahme des Steuersignals der Wert der Induktivität 22 abnimmt.

Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist folgende: Wenn die Induktivität 22 ihren maximalen Wert annimmt, bedingt sie in Verbindung mit dem Widerstand 23 eine Grenzfrequenz f₁ (Figur 1), die die untere Grenze des begrenzten Frequenzbandes bildet. Unterhalb dieser Frequenz ist die normale Kennlinie wirksam. Oberhalb dieser Frequenz und zwar bei niedrigem Signalpegel, hebt die Induktivität 22 die Ausgangsspannung an der Klemme 25 an, wobei die Ausgangsspannung durch den Wert

gegeben ist, wobei i der Strom in der Schaltung bei der Winkelgeschwindigkeit u> und L₂₂, R₂^ und R₂-, die Werte der Induktivi tät 22 und der Widerstände 21 und 23 sind.

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Wenn eine starke Signalkornponente innerhalb des begrenzten Bandes auftritt, nimmt der Wert von L ab, wodurch die Grenzfrequenz z.3. von f. nach fp (Figur 1) verschoben wird, so daß die normale Kennlinie bis zur Frequenz f₂ reicht und die angehobene Kennlinie nur oberhalb von f₂ wirksam ist. Bei sehr starkenhochfrequenten Signalen wird die Induktivität soweit vermindert, daß das Ausgangssignal praktisch nur durch den Spannungsabfall am Widerstand Rp₁ bedingt ist.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Expanders, der vier Inpedanznetzwerke in Reihe zwischen der Eingangsklemme 24 a und 24 b aufweist, nämlich einen Widerstand 20, der den Eingangswiderstand enthalten kann, ferner einen Widerstand 30, ferner als drittes Netzwerk die Parallelschaltung einer Induktivität 22 und eines V/i der Standes 23 und als viertes Netzwerk ein Widerstand 31. Die Ausgangsgröße wird an dem Widerstand 31 abgegriffen, der einen sehr kleinen Wert hat, so daß die Ausgangsspannung proportional dem Strom durch die ersten beiden Netzwerke ist, ohne daß dieser Strom nennenswert beeinflußt wird. Bei einer praktisch ausgeführten Schaltung verwendet man zweck.al . i.; ei* ^ Strom- Spannungsumwandlung, indem z.B. der Strom dem Eingang eines Verstärkers mit negativer Rückkopplung zugeführt wird oder dem Emitter eines Transistors mit geerdeter Basis, während die Ausgangsspannung an dem Kollektor entnommen wird.

Wenn bei der Schaltung nach Figur 4 die Induktivität Lp₂ einen großen Wert annimmt, wird der Strom durch die Netzwerke und infolgedessen die Ausgangsspannung bei Signalfrequenzen oberhalb der Grenzfrequenz vermindert (d.h. der dynamische Bereich wird ausgedehnt). Wenn eine Signalkomponente mit hohem Pegel vorhanden ist, nimmt der Wert von L₂₂ ab, so daß der Strom bis zu einer solchen Frequenz ansteigt, daß das Signal mit hohem Pegel nicht der Verminderung des Pegels unterworfen wird. Oberhalb dieser Frequenz tritt die Pegelverminderung noch auf. Wenn sehr starke Signale bei hohen Frequenzen auftreten, wird die

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Ausgangsspannung durch die nicht variablenlmpedanz-Netzwerke bestimmt, wobei die Induktivität der veränderlichen Impedanz bei allen Frequenzwerten so klein ist, daß keine nennenswerte Expansion des Ausgangssignals erzeugt wird.

Figur 5 zeigt eine Kompressorschaltung als Beispiel, bei der drei Netzwerke zwischen den Eingangsklemmen 24 a und 24 b liegen, während die Ausgangsklemmen 25 a und 25 b mit dem dritten Netzwerk verbunden sind. Das erste Netzwerk besteht aus dem Widerstand 20, der den Eingangswiderstand enthalten kann. Das zweite Netzwerk besteht aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes 33 und einer Reihenschaltung eines veränderlichen Kondensators 32 und eines Widerstandes 35. Das dritte Netzwerk besteht aus einem sehr kleinen Widerstand 34, der ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional dem durch dieses Netzwerk fließenden Strom ist. Wie schon oben erwähnt, können auch kompliziertere Schaltungen zur Umwandlung des Stromes in eine Spannung benutzt werden. Der Widerstand 35 erzeugt eine Spannung, die proportional dem kapazitiven Strom ist. Diese Spannung wird in der Schaltung 26 gleichgerichtet und geglättet, so daß eine Steuerspannung auf der Leitung 2? erzeugt wird, die den Kondensator 32 steuert.

Bei sehr niedrigen Signalpegeln und hohen Frequenzen hat die Größe 1/m CU₂ eine kleine Impedanz und der Kondensator CU₂

trägt zu dem Strom, der den Widerstand 34 durchfließt, wesentlich bei, so daß das Ausgangssignal durch ihn bestimmt wird. Wenn ein Signal mit hohemt Pegel und hoher Fre'quenz auftritt und die Kapazität 32 vermindert wird, nimmt der Wert 1/iu CU₂ ^{zu und} der kapazitäte Strom nimmt ab. Bei sehr hohen Signalpegeln wird der Strom durch den Widerstand 34 fast ausschließlich durch den Strom durch den Widerstand 33 bedingt, so daß sich eine normale nicht angehobene Kennlinie ergibt.

Bei dem Expander in dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 ist ein BAD ORIGINAL

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Widerstand 35 vorgesehen, der das erste Netzwerk bildet und den Eingangswiderstand enthalten kann. Ausgangssignal ist die Spannung an dem zweiten Netzwerk, welches einen Kondensator 32, . · einen Widerstand 33 und einen Widerstand 35 enthält. Die Steuerschaltung spricht auf die Spannung an dem Kondensator 32 an.

Bei niedrigen Signalpegeln und hohen Frequenzen hat der Kondensator eine hohe Kapazität und bildet eine niedrige Impedanz, wodurch das Ausgangssignal oberhalb der Grenzfrequenz, die durch das Netzwerk gegeben ist, vermindert v/ird. Wenn der Pegel bei hohen Frequenzen zunimmt, wird der Wert der Kapazität vermindert, so daß ihr Widerstand zunimmt und die Nebenschlußwirkung des Kondensators bis zu der Frequenz beseitigt wird, bei der Signalkomponenten mit starkem.Pegel vorhanden sind. Die Grenzfrequenz wird daher nach oben verschoben'und das Band, innerhalb dessen die Expanderwirkung eintritt, eingeengt.

In der Einleitung der Beschreibung wurde erwähnt, daß es bei Kompressoren und Expandern zur Verwendung in Geräuschminderungsschaltungen erwünscht ist, daß die Gesamtkennlinie mit Ausnahme des Übergangsbereiches bei mittleren Pegelwerten im wesentlichen unabhängig von den veränderlichen Schaltelementen ist, die sich an den beiden Enden des dynamischen Bereiches in dem einen Extremzustand oder dem entgegengesetzten Extremzustand befinden sollten. Um die Wirkung von Änderungen oder Ungenauigkeiten in den Werten der veränderlichen Schaltelemente bei ihren Extremimpedanzwerten auf ein Minimum zu bringen, können feste Impedanzen in Reihe oder parallel oder in Kombination mit den veränderlichen Impedanzen angeordnet werden, wodurch sich die Vermeidung von Fehlern bei den Impedanzextremwerten ergibt. Die veränderlichen Impedanzwerte brauchen daher nur in den dazwischenliegenden Abschnitten hohe Genauigkeit aufzuweisen.

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Bei der Schaltung nach Figur 3 kann eine feste Induktivität 22 a parallel zu der veränderbaren Induktivität 22 vorgesehen sein. Wenn der Wert der veränderbaren Induktivität bei niedrigen Signalpegeln sehr viel größer als derjenige der festen Induktivität ist, dann steuert die feste Induktivität zusammen mit den anderen festen Schaltelementen die Kennlinie bei niedrigen Signalpegeln mit großer Genauigkeit.

In Figur 4 kann eine ähnliche Verbesserung dadurch herbeigeführt v/erden, daß eine feste Induktivität 22 a parallel zu der veränderbaren Induktivität 22 angeordnet wird. In ähnlicher Weise kann bei Impedanznetzwerken mit veränderbaren Kapazitäten, z.B. nach Figur 5 und 6 ein fester Kondensator 32 a in Reihe mit dem veränderbaren Kondensator 32 vorgesehen sein. Bei veränderbaren Widerständen kann ein fester Widerstand parallel geschaltet werden. Es sei darauf hingewiesen, daß nur die Extremwerte der Impedanz , die das dynamische Verhalten bei niedrigen Signalpegeln bestimmen, auf diese Weise beeinflußt zu werden brauchen. Dies ist der Fall, weil bei allen Ausführungsbeispielen die veränderbare Impedanz sich in einer

Gleichspannungsgegenkopplungsschleife im Bereich hoher Signalpegel befindet und die Kennlinie bei hohem Signalpegel stabilisiert. Bei sehr niedrigen Signalpegeln unterhalb des Steuerungsschwellwertes ist keine derartige Stabilisierung vorhanden und es empfiehlt sich daher die Anwendung dieser Technik zur Erzielung genauer Ergebnisse.

Zur Verwendung in derartigen Schaltungen stehen verschiedene spannungsgesteuerte Kapazitäten und Induktivitäten zur Verfügung einschließlich von elektromechanisch veränderbaren Vorrichtungen und komplexen Schaltungen, welche eine Kapazität oder Induktivität zv/ischen zwei Anschlüssen darbieten, deren Wert durch einen spannungsgesteuerten Widerstand innerhalb der Schaltung bestimmt wird.

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Die Steuerschaltung

Figur""7 zeigt eine Ausführungsform, wie die Steuerschaltung 26 ausgebildet sein kann. Die Eingangsleitung^e58 und 39 sind die entsprechend bezeichneten Leitungen in Figur 3 bis 6. Die Spannung an diesen Leitungen wird dem Differenzverstärker 40 zugeführt,in einem Gleichrichter 41, der als Block bezeichnet ist, gleichgerichtet und in einer Schaltung 42 geglättet, so daß sich ein Ausgangssignal auf der Leitung 27 ergibt.

Die Ausbildung der Glättungsschaltung 42 ist auf dem Audiogebiet anwendbar, bei dem der Kompressor oder Expander syllabisch arbeiten muß, d.h. so daß er den dynamischen Bereich komprimiert, ohne nicht-lineare Verzerrungen in das Signal einzuführen. Die Glättungsschaltung enthält einen RC Kreis, der von einem Widerstand 43 und einem Kondensator 44 mit verhältnismäßig kurzer Zeitkonstante gebildet wird und der an sich nicht ausreichend ist, um die genügende syllabische Wirkung zu erzielen. Auf diesen ersten Bestandteil der Schaltung folgt ein zweiter Bestandteil mit einem Reihenwiderstand 45 und einem Nebenschlußkondensator 46 mit einer längeren Zeitkonstante, die eine ausreichende Glättung des Signales bewirken. Der Widerstand 45 ist durch eine Diode 47 mit einem nennenswerten Spannungsabfall überbrückt. Die Diode kann z.B. eine Siliciumciode sein, so daß kein Diodenstrom fließt, wenn nicht der Spannungsabfall an dem Widerstand 45 den ^*ert von etwa 0,6 Volt übersteigt.

Auf diese Weise ist bei kleinen Schwankungen der Steuerspannung in dem ersten bestandteil der Schaltung der zweite Bestandteil in der Lage, voll zu arbeiten. Bei einer starken Zunahme der Signalamplitude jedoch wird die Diode 47 leitend und vermindert die Zeitkonstante des zweiten Bestandteils erheblich. Die Ansprechzeit der Steuerschaltung 26 ist daher kurz, während gleichzeitig Signalverzerrungen und die Erzeugung von Modula-

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tionsprpdukten auf einem Mindestwert gehalt en Schaltung mit nicht-linearer Wirkung

Figur 4 zeigt eine Weiterbildung, die a^eh. bet Ko oder Expandern anwendbar ist, bei deften die Sj*an,ni;:iag a& der· variablen Impedanz auf einen kleinen Wert bei feethe& g pegeln begrenzt ist, z,B, in den, Schaltungeii naeh FigWP 3 6. Die Begrenzerdioden 50 und 51 in Reihe mit geeigneten, Spannungsquellen 52 (die hier sshematisQh als Batterie deutet sind) liegen an der variablen Imped-aftz- 22, Die. haben die Wirkung zu verhindern,. da.ß die Spanniing ei^en, nen Wert übersteigt, der durch die Vorspannung gegeben ist„ selbst wenn starke Stör spannungen auftreten. Ohne die würde die Zeitverzögerung der SteuerschaltVUäg 26 eiii.e liehe Abänderung der Signale mit hohem Pegel h^rVOafruiei Dioden 51 können auch mit einem Transformator verbunden, der ein entsprechendes Windungsverhältnis aufweist, wobei Primärwicklung zwischen den Anschlußpunkten 24 und 2§ 14eg-eri kann und die Dioden im Sekundärkreis des Transformators aftge« ordnet sind. Ein ähnliches Ergebnis kann man durch Ve-rw^Bdun^· eines Differenzverstärkers erzielen, dessen Eingang an dervariablen Impedanz liegt, während der Ausgang des. Verstärk.eF-S; über Dioden mit der veränderlichen Impedanz verbunden ist» \p?, die Spannung an dieser zu begrenzen. Bei Kompressoren, oder Expandern, bei denen der Strom und nicht die Spannung: auf kleinen Wert begrenzt ist, z.B. nach Figur 5, kann ei^e en.t·« sprechende Anordnung benutzt werden, in der koftstaiite Str<2m.d;iQ>· den verwendet sind.

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Claims

Patentansprüche

Schaltungsanordnung zur Änderung des dynamischen Bereichs eines Nachrichtensignals, bei der eine Anzahl von Impedanznetzwerken .in Reihenschaltung mit den Eingangsklemmen verbunden sind und bei der Ausgangsklemmen an einem oder mehreren der Netzwerke vorgesehen sind, von denen mindestens eines ein frequenzselektives Netzwerk ist, das ein begrenztes Frequenzband bestimmt, innerhalb dessen die Änderung des dynamischen Bereichs stattfindet, und das veränderbare Schaltelemente aufweist, die auf den Pegel der innerhalb des Bandes liegenden Signalkomponenten ansprechen, und das Ausmaß der Dynamikänderung vermindern, wenn der Pegel der Signalkomponente zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbaren Schaltelemente (22 oder 32) das Band einengen, wenn der Pegel der Signalkomponente innerhalb des Bandes zunimmt, und auf diese Weise diese Signalkomponenten von der Dynamikbereichsänderung ausnehmen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die veränderbaren Schaltelemente (22 oder 32) eine reaktive Impedanz aufweisen.
3. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Steuerschaltung (26) vorgesehen ist, die auf die Spannung an den veränderbaren Schaltelementen (22 oder 32) oder den Strom durch diese Schaltelemente anspricht, um ihre Impedanz zu ändern.
4. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3» dadurch gekennze-ic hnet, daß die Ausgangs an Schlüsse so -geschaltet sind, daß sie als Ausgangssignal die Spannung abgeben, die mindestens an dem frequenzabhängigen Netzwerk (22, 23 oder 32, 33) auftritt.

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5. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsanschlüsse so geschaltet sind, daß sie als Ausgangasignal die Spannung abgeben, die an einem stromführenden Netzwerk (31 oder 34) auftritt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch -gekennzeichnet, daß die frequenzselektiven Netzwerke (22, 23 oder 32, 33) den Pegel des Ausgangssignals innerhalb des begrenzten Bandes anheben, so daß die Schaltung als Kompressor arbeitet.

7· Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzselektiven Netzwerke (22, 23 oder 32, 33) den Pegel des Ausgangssignals innerhalb des begrenzten Bandes vermindern, so daß die Schaltung als Expander arbeitet.

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