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Verfahren zur frequenzabhängigen Beeinflussung zu übertragender Signale
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur frequenzabhängigen Beeinflussung zu über
tragender Signale, wobei der Übertragungsbereich in zwei Frequenzbander aufgespalten
wird, die nachher wieder zu einem Gesamtfrequenzband zusammengesetzt werden. Die
ständig wachsenden Qualitdtsanforderungen in der Übertragungstechnik, insbesondere
tonfrequenter Signale, stellen in letzter Zeit immer hdufiger auch sehr strenge
Anforderungen an das Phasenverhalten von Gliedern der Übertragungskette. Vorzugsweise
ergeben sich dann besondere Schwierigkeiten, wenn ein gegebener Übertragungsbereich
in zwei oder mehrere Bereiche zum Zwecke unterschiedlicher Bearbeitung der Teilbereiche
aufgespalten werden soll und anschliessend diese behandelten Signalzweige wieder
zusammengeführt werden.
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Bei den üblichen Verfahren wird das Frequenzband durch Hoch- und Tiefpasskombinationen
in die Teilbönder aufgeteilt. Hierbei treten aber durch die unterschiedlichen Laufzeiten
der Signale im Überloppungsbereich der Filter Störungen auf, die vor allem dann,
wenn die Teilbänder wieder zu dem ursprünglichen Gesamtsignal zusammengesetzt werden
sollen, die Qualität der Übertragung ungünstig beeinflussen. Dieser Nachteil wird
gemöss der Erfindung dadurch vermieden, dass ein Teil band über ein Tiefpassfilter
abgetrennt wird, das zweite Teil band dadurch gebildet wird, dass das erste Teilband
vom Gesamtband subtrahiert wird, dass vor der Subtraktion das Gesamtband in einer
Verzögerungsleitung um die Laufzeit des Tiefpassfilters verzögert wird und dass
nach gegebenenfalls durchgeführter linearer oder nichtlinearer Bearbeitung der Teilbänder
diese wieder zum Gesamtband zusammengesetzt werden.
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An Hand der Figur 1 soll eine Schaltungsanordnung zur Ausübung des
Verfahrens nach der Erfindung im Falle eines selbsttätigen Begrenzers des oberen
Frequenzbereiches einer zu übertragenden Tonsignalspannung beispielsweise näher
beschrieben werden.
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Der Einsatz eines solchen Begrenzers empfiehlt sich immer dann, wenn
die Übersteuerungsgrenze einer Übertragungskette vorzugsweise durch hohe Frequenzen
überschritten werden kann. Dies gilt vor allem bei Übertragungsverfahren mit Vor-
und Rückentzerrung der hohen Frequenzen (Pre- und Deemphasis) wie zum Beispiel beim
Schneiden von Schallplatten (RIAA-Schneidkennl inie), wo ein solcher Begranzer nach
dem erfindungsgemassen Verfahren erstmalig eingesetzt werden soll.
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Das Funktionsschaltbild nach der Figur 1 enthält die für das Verständnis
wesentlichen Teile des Übertragungsweges.
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Am Eingang REIN" des Begrenzers befindet sich ein Verstärker 1 zur
Impedanz- und Pegelanpassung. Von hier aus durchlauft das Signal A ein Tiefpassfilter
2, das eine Grenzfrequenz von 4 kHz hat und im interessierenden Bereich eine konstante
Gruppenlaufzeit aufweist. Anschliessend folgt ein Inverter 3, an dessen Ausgang
das Signal B steht, das das untere der beiden zu erzeugenden Frequenzbänder darstellt.
Das obere Frequenzband erhalt man nun, indem das Signal B vom Gesamtsignal subtrahiert
wird.
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Dies hat den Vorteil, dass, wie bereits beschriaben, erfindungsgemäss
beide Frequenzbänder wieder zum ursprünglichen Signal zusammengefügt werden können,
ohne dass Schwierigkeiten durch Abgleich- und Phasenverhäitnisse auftreten wie zum
Beispiel bei der üblichen Aufspaltung eines Frequenzbereiches durch Hoch- und Tiefpass.
Auch eine lineare oder nichtlineare Verarbeitung der beiden Frequenzbänder beeinträchtigen
nicht die anschliessende phasenreine Zusammensetzung. Im vorliegenden Fall wird
dies zur automatischen Begrenzung des oberen Frequenzbereiches ausgenutzt. Die Subtraktion
des Signals B vom Gesamtsignal gelingt jedoch nur, wenn die zeitliche Übereinstimmung
beider Signale gewdhrleistet ist. Daher wird das Signal A über einen Tiefpass 4
mit einer Grenzfrequenz oberhalb des N utzfrequenzbereiches, beispielsweise im Bereich
von 25 bis 30 kHz, einen Zwischenverstärker 5 und eine Verzögerungsleitung 6, die
das Signal um etwa 70 ps verzögert, geführt, um als Signal D die gleiche Laufzeit
wie Signal B zu erhalten. Der Tiefpass 4 hat einerseits die Aufgabe, die Übertragungseigenschaften
der Verzögerungsleitung 6 zu verbessern, indem über dem Hörbereich liegende Frequenzen,
Störimpulse oder dergleichen nicht übertragen werden, andererseits können solche
Frequenzanteile keine unnötigen Regelvorgdnge auslösen. Die Zufügung des invertierten
Signals B zum Signal D in der Stufe 7 führt zu der bereits erwähnten Subtraktion,
wobei sich das obere Frequenzband als Signal E ergibt. Dieses Signal wird über einen
Verstärker
8 geführt, dessen Verstärkung durch eine angelegte Gleichspannung bestimmt wird.
Das so regelbare Signal E wird nun in der Stufe 9 mit dem Signal B zusammengefügt,
so dass sich als Summe des oberen und unteren Frequenzbandes das Ausgangssignbl
F ergibt. Dieses wird auf Grund des angewendeten Verfahrens über den gesamten Regelbereich
weder in bezug auf Signallaufzeiten noch auf die Übergangsfrequenz beeinflusst.
Dadurch ergibt sich im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren eine Verbesserung
des subjektiven Höreindrucks vor allem auch dadurch, dass das Verhältnis der hohen
Frequenzen zueinander nicht verändert wird. Das Signal F gelangt an die Endstufe
17 mit dem Ausgang "AUS't über einen elektronischen Umschalter 16, der die direkte
Durchschaltung des Eingangssignals gestattet (Leitung 20).
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Für die Erzeugung der erforderlichen Regelspannung gibt es grundsätzlich
zwei Möglichkeiten: Die Signalspannung kann h i n t e r dem Regelverstärker 8 abgegriffen
und zur Gewinnung der Regelspannung ausgewertet werden. Diese normalerweise bei
Begrenzern angewendete Rüskwärtsregelung hat jedoch den Nachteil, dass der Regelprozess
erst beim Überschreiten des vorgegebenen Grenzwertes eingeleitet wird.
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Hierbei wird das Signal bis zum Erreichen des Grenzwertes zumindest
während der ersten Halbwelle mit der ursprünglichen Steilheit übertragen, wobei
eine ungewollte Gleichspannungskomponente entsteht, die zu hörbaren Ausgleichsvorgängen
führen kann. Dieser Effekt wird qewöhnlich noch durch endliche Sianallautzeiten
in der kann Regelscheife verstärkt. Solch ein Fehles'- wie bei dem Ausführungsbeispiel
- nur durch eine Vorwörtsregelung vermieden werden, bei der die Ableitung der Regelspannung
v o r dem Regelverstärker 8 erfolgt und bei der zusätzlich erreicht werden muss,
dass die Regelung voll wirksam ist, bevor das Signal den Regelverstärker durchläuft.
Dies ist jedoch nur durch Einschalten einer Verzögerungsleitung möglich. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel des Hochtonbegrenzers ist jedoch eine solche Verzögerungsleitung
6 bereits vorhanden, so dass die Vorteile einer Vorwärtsregelung ohne zusätzlichen
Aufwand ausgenützt werden können.
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Zur Gewinnung der Regelspannung dient das Signal C. Es entsteht vor
der Verzögerungsleitung 6, jedoch hinter dem Tiefpass 4, so dass, wie schon erwähnt,
ohnehin frequenzmässig unterdrückte Signale nicht zu Regelvoroängen führen. Zunächst
wird das Signal C frequenzabhängig beeinflusst. Dies geschieht in der Stufe 10,
und zwar in der Art, wie
es der jeweiligen Anwendung entspricht.
Im vorliegenden Beispiel wird ein Teil der erwähnten RlAA-Schneidentzerrungskennl
inie (75 ,us) und der Frequenzgang des Schallplattenschreiberstromes (6 dB/Oktave
in Richtung hoher Frequenzen oberhalb 1 kHz) nachgebildet. Anschliessend erfolgt
eine sogenannte "ideale"Gleichrichtung 11. Im Gegensatz zu bekannten Schaltungen
wird hier nur ein Operationsverstarker benötigt.
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Die Funktionsweise dieses "idealen" Gleichrichters soll an Hand der
Figur 2 näher beschrieben werden. Die positive Halbwelle des gleichzurichtenden
Signals gelangt über die Widerstände R11 R2 und R3 an den invertierenden Eingang
JV eines Operationsverstärkers 0 und wird über die Diode D1 gegengekoppelt. Die
Diode D2 ist daher gesperrt, so dass am Ausgang der Schaltung eine positive Spannung
im Verhältnis
entsteht. Hierin ist mit UE die Eingangsspannung bezeichnet. Die durch die endliche
Verstärkung des Operationsverstärkers 0 noch existierende Restspannung am invertierenden
Eingang JV ist hierbei vernachlässigbar. Die negative Halbwelle gelangt sowohl über
den Widerstand R2 als auch über den Inverter JV an den Ausgang, da die Gegenkopplung
über die Diode D2 erfolgt und daher wieder eine positive Ausgangsspannung UA nach
der Formel
erzwungen wird. Damit dieselbe Spannung wie bei der Übertragung der positiven Halbwelle
entsteht, muss R1 = R2 R3 gewählt werden.
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Der Spitzenwert des in der Stufe 10 gleichgerichteten Signals H wird
in der Stufe 12 annähernd ohne Verzögerung erfasst und in einem Kondensator über
eine durch die gewünschte Regelcharakteristik gegebene Zeit gespeichert. Am Ausgang
der Stufe 12 erhält man also eine Regelspannung, die geeignet ist, den vollen erforderlichen
Regel hub zu bewirken, bevor das auslösende Signal den Regelverstärker 8 erreicht.
Oft ist jedoch,
wie im vorliegenden Fall, erwünscht, dass nur ein
Teil des gesamten Regelhubs in der beschriebenen Schnelligkeit wirksam wird, um
beispielsweise die Übersteuerung von Verstarkern zu vermeiden, der Resthub jedoch
erst nach einem durch hörphysiologische Aspekte begründeten Zeitraum erreicht werden
soll. Im beschriebenen Beispiel wurde hierfür eine Zeit von etwa 10 ms gewählt.
Die hieraus resultierende Regelcharakteristik wird durch folgende spezielle Schaltungsanordnung
erreicht: Die verzögerte Komponente der Regelspannung wird getrennt erzeugt und
steht nach Ableitung von der Stufe 12 über Leitung 21 als Signal K am Ausgang der
Stufe 13 zur Verfügung. Es erreicht nach der gewählten Verzögerung den gleichen
Spannungswert wie das Signal I, das über einen Spannungsteiler, dessen Fusspunkt
mit dem Ausgang der Stufe 13 verbunden ist, geteilt wird. Dadurch wird erreicht,
dass die Teilung des Signals 1 mit anwachsendem Signal K vermindert und bei Spannungsgleichheit
aufgehoben wird. Ein Potentiometer zwischen dem Ausgang der Stufe 13 und 0 Volt
bietet die Möglichkeit, eine beliebige Restteilung des Signals und damit den Grad
der Begrenzung einzustellen. Eine weitere abschaltbare zeitliche Beeinflussung des
Regelsignals K in der Stufe 13 erlaubt einen sogenannten programmgesteuerten Betrieb,
wobei lange (-' 0,5 s) oder sich haufig wiederholende Regelprozesse durch eine zusätzliche,
langsame Intergretion erfasst werden und die hierbei entstehende Spannung dem Signal
K überlagert wird, so dass sich in der Wirkung eine nur langsam abbauende (ca. 30
s) Vordämpfung der hohen Frequenzen ergibt.
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Die in der beschriebenen Art gewonnene Regelspannung L kann nicht
unmittelbar dem Regelverstdrker 8 zvgeführt werden, da dieser durch einen Vierquadrantenmultiplizierer
realisiert wird, der die Aufgabe hat, beim Ansteigen der Eingangsspannung über einen
bestimmten Wert bei einer definierten Frequenz eine konstante Ausgangsspannung zu
erzeugen. Das bedeutet, dass das Produkt aus Wechsel spannung und Regelspannung
konstant sein muss bzw. dass die Regelspannung UR nach der Funktion
fallen muss. Daher durchläuft die Spannung L die Stufe 14, wo ein zweiter Vierquadrantenmultiplizierer
auf konstante Ausgangsspannung gegengekoppelt wird, so dass die Gegenkopplungsspannung
die genannte Funktion erfüllt und als Signal M dem Regelverstärker 8 zugeführt wird.
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Ein elektronischer Schalter 15 dient in Verbindung mit dem Umschalter
22 zur Abschaltung der Begrenzerwirkung durch Kurzschluss der Regelspannung