DE2426377A1

DE2426377A1 - Verfahren zur erweiterung des dynamikbereiches bei magnetischer tonaufzeichnung

Info

Publication number: DE2426377A1
Application number: DE19742426377
Authority: DE
Inventors: Peter Bundev; Istvan Grimm; Andor Matai; Tibor Padar; Zoltan Szokolai
Original assignee: Budapesti Radiotechnikai Gyar
Current assignee: Budapesti Radiotechnikai Gyar
Priority date: 1974-05-31
Filing date: 1974-05-31
Publication date: 1975-12-11
Also published as: DE2426377B2; DE2426377C3; NL7407367A

Description

Verfahren zur Erweiterung des Dynamikbereiches bei magnetischer Tonaufzeichnung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erweiterung des Dymamikbereiches der magnetischen Tonaufzeichnung, das aus zwei Quasikomplementär-Verfahrensvorgängen besteht, wobei im ersten Vorgang, bei der Aufnahme, eine Dynamikkompression, und im zweiten Voran$, bei der Wiedergabe, eine Dynamikexpansion durchgeführt wird.
Auf dem Fachgebiet der magnetischen Tonaufzeichnung sind schon mehrere Verfahren zur Erweiterung des Dynamikbereichs bekannt. Bei den bekannten Verfahren zur automatischen Erweiterung des Dynamikbereichs werden die auf niedrigem Pegel einkommenden Signale bei der Aufnahme entsprechend einer gegebenen Kompressionskurve komprimiert, d. h., ihr Pegel wird erhöht. Auf der Wiedergabeseite werden die vorher komprimierten Signale entsprechend einer komplementären Expænsionskurve expandiert. Durch die Expansion auf der Wiedergabeseite werden auch die bei der magnetischen Tonaufzeichnung entstehenden Störspannungen vermindert und damit der Dynamikbereich erweitert.
Für die verzerrungafreie Signalübertragung dürfen die bei der magnetischen Aufzeichnung durchgeführte Dynamikkompression und Dynamikexpansion die statischen und dynamischen Eigenschaften der Signale nicht beeinflussen, d. h., die Größe dieses Einflusses muß unter dem vorgeschriebenen Wert der Verzerrung bleiben.
Es sind Iösungen bekannt, bei denen die Dynamikerweiterung nur bei den höheren Frequenzen des Tonfrequenzbereichs und bei den unter einem gegebenen Pegel erscheinenden Signalen durchgeführt wird, damit die Verzerrungen auf einem niedrigen Wert gehalten werden können. Bei dem bekannten "Dolby BVI#Verfahren werden die Signale über -20dB noch linear aufgezeichnet. Die Dynamikerweiterung wird nur bei den höheren Frequenzen des Tonfrequenzbereichs und bei den unter dem Pegel von -20 dB bleibenden Signalen durchgeführt.
Die wichtigsten Nachteile des übrigens sehr zeitgemäßen "Dolby B"-Verfahrens sind folgende: Die pegelabhängige Hochfrequenzanhebung (pre-emphasis, Vorentzerrung) kann auch durch den hohen Eingangspegel der einkommenden tieffrequenten Signale beeinflußt werden.
Die Kompressionskurve auf der Aufnahmeseite sowie die Expansionskurve auf der Wiedergabeseite können als Komplemente zueinander betrachtet werden. Während der magnetischen Aufzeichnung der höheren Frequenzen besonders bei kleineren Bandgeschwindigkeiten, tritt auch bei CrO2-Bändern eine Entmagnetisierung auf, die eine Asymmetrie zwischen den Konpressions- und Expansionsphasen verursacht. Dem#ufolge kann die ursprüngliche Signalreihe nicht mehr mittels der symmetrischen und inversen Kompressi ons-Expansionskurven verzerrungsfrei wiedergegeben werden.
Der beim Kompressionsschwellenwert von -20 dB befindliche Knickpunkt kann einerseits nichtlineare Verzerrungen verrusachen, andererseits kann dieses Verfahren bei größeren Signalen als -20 dB die Dynamikerweiterung nicht mehr sicherstellen.
beach der Meinung einiger Fachleute wird im letzteren Fall die erreichte Dynamikerweiterung nicht beeinflußt, die inzwischen gesammelten Erfahrungen und die subjektiven Beobachtungen haben aber das Gegenteil bewiesen.
Um das Problem zu veranschaulichen, nehmen wir an, daß das Spektrum des aufzuzeichnenden Signals ein 2-kRz-Signal mit einem Pegel von -10 dB enthält, dessen Amplitude für die Ausschließung der Dynamikerweiterung schon ausreichend ist. Das aufzuzeichnende Signalspektrwra enthält außer diesem 2-kHz-Signal mit geringem Pegel auch weitere hochfrequente Komponenten. In diesem BS l ist leicht einzusehen,daß das nichtunterdrück*e Geräusch neben diesen hochfrequenten Komponenten noch hörbar ist und sich das Rlangbild verschlechtert.
Bei den bekannten Verfahren wurde die Iynamikerweiterung hauptsächlich auf den oberen Frequenzen des Tonfrequenzbereichs, z. B. über 2 kHz, durchgeführt.
Vor den in Großstädten praktisch überall vorhandenen und aus dem Starkstromnetz stammenden elektrischen und magnetischen Störungen ist trotz sorgfältiger Abschirmung kein vollkommener Schutz möglich.
Die aus dem Netz entstehenden Störungen verschlechtern das Signal/ Rausch-Verhältnis der magnetischen Aufnahme. Um die daraus entstehende Dynamikverminderung zu kompensieren, ist es zweckmäßig, neben der Hochfrequenz-Geräuschverminderung die Dynamikerweiterung auch bei tiefen Frequenzen durchzuführen.
Zweck der Erfindung ist es, ein Dynamikerweiterungsverfahren zur magnetischen Tonaufzeichnung zu entwickeln, mittels dessen die Entmagnetisierung des Informationsträgers kompensiert, die Dynæmikerweiterung auch über dem Signalpegel von -20 d3 durchgeführt, sowie die Kompensation der im gegebenen Fall aus den Netzstörungen entstehenden Dynamikvermind erung durchgeführt werden können.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Forderung der verzerrungsfreien Übertragung bei der Verwendung der pegel- und frequenzabhängigen Dynamikkompression auf der Aufnahmeseite und der Dynamikexpansion auf der Wiedergabeseite nur dann erfüllt werden kann, wenn mit den an den Eingang des Drnamikexpanders auf der Wiedergabeseite angeschlossenen Signalen gleiche Signale an den Eingang des Dynamikkompressors auf der Aufnahmeseite angeschaltet werden. Die aus der Demagnetisierung, die bei der magnetischen Aufzeichnung entsteht, sich ergebende Asymmetrie kann nur so kompensiert werden, wenn eine der Entmagnetisierung entsprechende frequenzabhängige Anhebung auf der Wiedergabeseite vor der Expansion durchgeführt wird. Diese Anhebung kann zweckmäßig durch Wiederholung der Nochfrequenzkorrektur der Aufnahmeseite gelöst werden. Zur Wiederherstellung des ursprünglichen Signalbildes nach der Expansion ist die Kompensation der hochfrequenten Aufnahmekorrektur wiederholt nötig.
Bei einer äquivalenten lösung kann statt der Verwendung der Aufnahmekorrektur und deren Inversen eine ähnliche, die Asymmetrie ausgleichende Wirkung erreicht werden, wenn die Expansion auf der Wiedergabeseite durch eine solche asymmetrische Expansionskurve durchgeführt wird, die gleich der Größe der Aufnahmekorrektur verschoben ist.
Bei einr Dynamikexpansion bei niedrigen Frequenzen kann die oben erwähnte Äquivalenzforderung zweckmäßig so erfüllt werden, daß die genormte Niederfrequenz-Nachentzerrung auf der Wiedergabeseite nicht unter der Wiedergabeverstärkung vor der Expansion, sondern erst nach der Expansion durchgeführt wird.
Im Pegelbereich über -20 dB wird die Dynamikerweiterung durch zweckmäßig ausgestaltete Kompressions- und Expansionskurven durchgeführt.
Wegen der auf hohem Pegel durchgeführten Dynamikerweiterung muß die Zeitkonstante der Pegelregelung der Dynamikerweiterung in an sich bekannter Weise auf einen ausreichend kleinen Wert eingestellt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung gezeigtcn Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild der magnetischen Tonaufzeichnung; Fig. 2 ein ausführlicheres Blockschaltbild der magnetischen Tonaufzeichnung, mit der Verwendung von hochfrequenter Bynamikerweiterung und von linearen, pegelgesteuerten Verstärkern; Fig. 3 ein dem in der Fig. 2 dargestellten ähnliches Blockschaltbild einer Schaltung, die auch zur Dynamikerweiterung bei niedrigen Frequenzen geeignet ist; Fig. 4 die Darstellung der zur Dynamikerweiterung nach Fig. 3 verwendeten typischen Kompressions- und Expansionskurven in Abhängigkeit vom Signalpegel und der Frequenz; und Fig. 5 ein Konstruktionsbeispiel für die Benutzung der Kurven nach Fig. 4.
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Schaltung zur magnetischen Tonaufzeichnung dargestellt, an dem das Prinzip der Erfindung erläutert wird. Die aufzuzeichnende Tonfrequenzspannung UIN wird zum Eingang des Aufnahmeverstärkers 1 geführt. Die frequenzabhängige Übertragungscharakteristik des Aufnahmeverstärkers 1 ist durch die Aufnahmecharakteristik F(p) bezeichnet. Die Aufnahmecharakteristik F( p) wird so gewählt, daß sie zur Erzeugung der entsprechenden genormten Flußcharakteristik auf dem gewählten Aufzeichnungsmittel geeignet ist.
In dem obesrtn Bereich fd des Tonfrequenzbandes weist die Aufnahme charak'teri#tik F(p) im allgemeinen eine hohe Hochfrequenzanhebung auf. Die am Ausgang des Aufnahmeverstärkers 1 erscheinenden Signale -sind durch Spannungspegel U1F(p) gekennzeichnet. Der Pegel U1 wird später ausführlich erläutert. Es läßt sich feststellen, daß dessen Wert hauptsächlich von den Eigenschaften des Aufzeichnungsmittels (z. B. Tonband) und nicht von dem Spannungspegel abhängt. Die Größe der Verstärkung des Aufnahmeverstärkers 1 wird nämlich bei der Aufnahme abhängig von der Tonfrequenzspannung der Signalquelle (z. B.
Plattenspieler, Funkgerät usw.) manuell oder automatisch so eingestellt, daß an dessen Ausgang die Signale auf dem Pegel von-U1 liegen.
Die auf dem Pegel U1 erscheinenden und der Aufnahmecharakteristik F(p) entsprechend modifizierten Tonfrequenzsignale werden vor der Ausführung der magnetischen Aufzeichnung dem Dynamikkompressor 25 zugeführt. Der Dynamikkompressor 25 verfügt über eine Charakteristik CA U1). Aus dieser Kennzeichnung ist ersichtlich, daß diese Charakteristik von der momentanen Amplitude der Signale und von derselben Frequenz gleicherweise abhängt Der Dynamikkompressor 25 kann auf verschiedene bekannte Weise ausgeführt werden. Infolge der Wirkung des Dnamikkoripressors 25 ist der Dynamikbereich des Signals an Ausgang kleiner als am Eingang. Der Pegel der am Eingang des Dynamikkompressors 25 erscheinenden Spannungen, deren Amplituden gegenüber dem Rauschpegel des Aufzeichnungsmittels ftein sind, werden durch den Dynamikkompressor erhöht. Der Ausgang des Dynamikkompressors 25 ist an den Eingang eines linearen Verstärkers 4 angeschlossen. Der Ausgang des Dymamikkompressors 25 wird durch den Verstärker 4 dem Aufnahmekopf angepaßt.
Nach der Ausführung der Tonaufzeichnung gelangt bei der Wiedergabe die durch den Wiedergabekopf abgegebene Spannung auf den Eingang eines Wiedergabeverstärkers 9. Die Verstärkung des Wiedergabeverstärkers 9 ist frequenzabhängig, die Frequenzabhängigkeit wird durch die Wiedergabecharakteristik L(p) gekennzeichnet Die Aufnahmecharakteristik F(p) und die Wiedergabecharakteristik L(p) wurden miteinander und entsprechend den Eigenschaften des Aufzeichnungsmittels abgestimmt. Wenn die Wirkung des für die Dynamikerweiterung verwendeten Dynamikkompressors außer Acht gelassen wird,dann würde die zur Aufnahme verwendet Spannung UIN am Ausgang des Wiedergabeverstärkers 9 z. B. auf dem Pegel von U1 erscheinen. Durch die Verwendung des Dynamikkompressors 25 erscheint aber die Ausgangsspannung des Dynamikkompressors 25 am Ausgang des Wiedergabeverstärkers 9 nicht in unveränderter Form, sondern einerseits enthält sie die durch die Aufzeichnung entstehende Geräuschspannung US, andererseits wurde ihre Frequenzabhängigkeit in der Demagnetisierung D entsprechendem Maß modifiziert. Die Demagnetisierung D bewirkt in dem oberen Bereich des Tonfrequenzbandes eine frequenzabhängige Dämpfung. Der Wert der Demagnetisierung D hängt auch von der gewählte4andgeschwindigkeit ab. Da die Verstärkung des Dynamikkompressors 25 pegel- und frequenzabhängig war, wäre für das Wiedergewinnen der ursprünglichen Signale ein Dynamikexpander 26 geeignet, der eine der Charakteristik des Dynamikkompressors 25 komplementäre Expansionscharakteristik DA (p, U1) hat. Der Dynamikexpander 26 kann aber das ursprüngliche Klangbild nur dann wiedererzeugen, wenn an dessen Eingang das Frequenzspektrum gelangt, das am Ausgang des Dynamikkompressörs 25 erscheint. Diese Bedingung wird erfindungsgemäß so verwirklicht, daß die Ausgangssignale des Wiedergabeverstärkers 9 durch einen- frequenzabhängigen Verstärker 27 die Demagnetisierung D kompensierend beeinflußt werden, d. h., die Charakteristik F(fd) des Verstärkers 27 in dem durch die Demagnetisierung berührten Frequenzbereich fd ist der Aufnahmecharakteristik F(p) des Aufnahmeverstärkers 1 gleich. So werden die dem Eingang des Dynamikkompressors 25 zugeführten Signale U1F(p) am Ausgang des Dynamikexpanders 26 wiedergewonnen. Da als Endergebnis der Wiedergabe eine mit der Spannung UIN gleichmäßige Span--nung UAUS erzeugt werden soll, muß die der Aufnahmekorrektur entsprechende Frequenzabhängigkeit aus den Ausgangssignalen des Dynamikexpanders 26 kompensiert werden. Diese Kompensation kann durch die Verwendung eines Verstärkers 28 erreicht werden, der über eine Übertragungscharakteristik F (fd) )verfügt, die gegen die Charakteristik F(fd) des Verstärkers 27 invers ist. Am Ausgang des Verstärkers 28 erscheint eine Spannung, die der Eingangsspannung UIN entspricht und z. B. mittels des Verstärkers 34 dem Ausgang angepaßt wird. Der im Aufzeichnungsmittel und im Wiedergabekanal entstehende Rauschpegel vermindert sich durch die Expansion,wodurch der Dynamikbereich erweitert wird.
Um eine verzerrungsfreie Übertragung zu sichern, sollte bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform vor und hinter dem Dvnamikexpander 26 eine getrennte Frequenzkorrektur durchgeführt werden. Statt dessen kann aber die wirkung der Demagnetisierung auch so kompensiert werden, daß die Expansionscharakteristik des Dynamikexpanders entsprechend dem Maß der Aufnahmekorrektur verschobeniird. In Fig. 2 wurde dieser letztere Fall dargestellt. Hierin sind die Stufen des Dynamikkompressors und des Dynamikexpanders ausführlicher gezeigt. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird nur eine hochfrequente Dynamikerweiterung durchgeführt.
Auf der Aufnahmeseite, ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig.
1, ist ein Dynamikkompressor zwischen dem Aufnahmeverstärker 1 und dem Linearverstärker 4 angeordnet. Die am Ausgang des Aufnahmeverstärkers 1 entstehende Spannung U1 F(p) wird einerseits dem Eingang eines Linearverstärkers 2, andererseits dem Eingang pegelgeregelten Verstärkers 5 zugeführt. Die Ausgänge des linearverstärkers 2, sowie des pegelgeregelten Verstärkers 5 sind an die Eingänge des Linearadoierers 3 angeschlossen und der Ausgang des Linearaddierers 3,an dem die Summe der den zwei Eingängen zugeführten Signale erscheint, ist mit dem Eingang des Linearverstärkers 4 verbunden.Es ist zu bemerken, daß die Signale dem Eingang des Iiinearaddierers 3 über entsprechende Entkopplungskreise zugeführt werden, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
Der pegelgeregelte Verstärker verfügt über eine Kompressionscharakteristik C1(p U1). Seine Verstärkung ist frequenz- und pegelabhängig.
Die Frequenzabhängigkeit des pegelgeregelten Verstärkers 5 wird so eingestellt, daß er eine Hochpaßcharakteristik aufweist, deren Steilheit wenigstens 6 dS/Oktave und deren Polzeitkonstante zwischen 50 und 100 /usec liegt. Der pegelgeregelte Verstärker 5 verstärkt entsprechend der dargestellten Frequenzabhängigkeit, bis dem Regeleingang ein Signal zugeführt wird. In diesem Fall bleibt nämlich die Ausgangs spannung des pegelgeregelten Verstärkers 5 unabhängig von dem Pegel der am Eingang zugeführten Signale auf einem Konstanten ~dert.
Der Regeleingang des pegelgeregelten Verstärkers 5 wird durch einen Regelkreis geregelt, der einen durch den Verstärker 5 gesteuerten zur gelverstärker 6 und einen Differenzkreis 8 enthält. Der Regelver5t:#r ker 6 verfügt über eine Übertragungscharakteristik Sz1 (p), deren Wert bei dem Ausführungsbeispiel zu eins gewählt wurde. An den Subtraktionseingang des Differenzkreises 8 wird eine Referenzspannung Urefl angeschlossen, deren Spannungsquelle nicht dargestellt ist. Die Wirkungsweise des Regelkreises ist schon aus der oben beschriebenen ersichtlich. Wenn der Wert der Spannung, die aus der Ausgangsspannung des geregelten Verstärkers stammt, und die am Ausgang des Regelverstärkers 6 erscheint, den Wert der Referenzspannung Urefl übersteigt, dann entsteht eine Behlerspanrung an dem Ausgang des Differenzkreises 8, die die Ausgangsspannung des pegelgeregelten Verstärkers 5 auf einen bestimmten Pegel begrenzt.
Der durch die Addition der Signale des Linearverstärkers 2 und des pegelgeregelten Verstärkers 5 gebildete Dynamikkompressor wirkt folgendermaßen: Wenn die Ausgangsspannung des pegelgeregelten Verstärkers 5 über der Schwe11enspannung liegt, dann wird seine Übertragung nur durch die Frequenzabhängigkeit der Charakteristik c1 (p, U1) bestimmt. Die zu dieser Charakteristik gehbrende Grundverstärkung xerd so gewählt, daß deren Wert in dem Übertragungsband, z. B. auf 10 kurz, die Verstärkung des Linearverstärkers 2 um 6-13 dB übersteigt. Der Unterschied zwischen den Verstärkungen der zwei Signalwege wurde bei dem Busfuhrungsbeispiel zu 10 dB gewählt. Wegen des Rochpaßcharakters vermindert sich die Verstärkung des pegelgeregelten Verstärkers 5 bei niedrigen Frequenzen sehr bedeutend gegenüber der Verstärkung des Linearverstärkers 2. Deshalb werden die am Ausgang des Linearaddierers 3 entstehenden Signale entscheidend durch die von der linearen Strecke kommende Spannung bestimmt. Bei den Frequenzen, die in der Nähe des Knickpunktes der Charakteristik des pegelgeregelten Verstärkers 5 liegen, und die den Knickpunkt übersteigen, ist die Verstärkung in dem zeiten Signælweg größer als in dem ersten Signalweg. Bei 10 kllz ist sie schon um 10 dB größer.
Wegen der Addition werden die Ausgangssignale entscheiderd durch die Spannung des zweiten Weges bestimmt. Es ist ersichtlich, daß durch die Addition der Signale der zwei Signalwege eine hochfreguente Anhebung erfolgt. Wenn die Eingangsspannung erhöht wird, und die Ausgangsspannung des Regelverstärkers 6 den Wert der Referenzspannung Urefl erreicht, dann bleibt schon die Ausgangsspannung des zweiten Signalweges auf einem konstanten Wert. Entsprechend dem steigenden Eingangspegel wird die Spannung des zweiten Signalveges gegenüber der Ausgangsspannung des Linearaddierers 3 immer kleiner sein, und schließlich wird die Ausgangs spannung auschließlich durch die Spannung des linearen Signalweges bestimmt. Damit wird die Übertragung linear. In der oben beschriebenen Weise wird eine hochfrequente Dynamikkompression durchgeführt.
Für die Wirkung des Dynamikkompressors ist die richtige Feststellung des Referenzpegels Urefl sehr wesentlich. Der Spannungspegel U1 wird so gewählt, daß dessen Wert von 0 d3,bezogen auf eine gegebene Bandgeschwindigkeit, auf dem Tonband einer Verzerrung entspricht, die eine dritte Oberwelle von 1,5 % enthält. Wenn der Schwellenwert der Pegelregelung gegenüber diesem so gewählten 0 dB zwischen -17 und -23 dB, z. B. auf - 20 dB eingestellt wird, und wenn der Atisgangspegel des pegelgeregelten Verstärkers 5 höchstens auf -9 dB begrenzt wird, so ergibt sich eine Kompressionscharakteristik, bei der über -20 dB eine Dynamikkompression mit verminderndem Maß durchgeführt werden kann.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform werden die Signale auf der Wiedergabeseite von dem Wiedergabekopf ähnlich der anhand der Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform dem Wiedergabeverstärker 9 zugeführt. Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 1 folgt dem Wiedergabeverstärker 9 nicht der Verstärker 27, sondern ein aus dem Differenzkreis 10, dem Linearverstärker 2, dem pegelgeregelten Verstärker 5, den Lineardifferenzkreis 8, dem Regelverstärker 6 und aus einem Korrekturverstarker 12 gebildeter Dynamikexp&nder. Im folgenden wird gezeigt, daß dieser Dynamikexpander gegenüber dem Dnamikkompressor auf der Aufnahmeseite über eine asymmetrische statische Expansionscharakteristik verfügt und an seinem Ausgang solche Signale entstehen, die mit den Ausgangssignalen der in Fig. 1 dargestellten Expansionsausführung gleich sind.
Die Wirkungsweise des Dynamikexpanders ist wie folgt: An den Eingang des Linearverstärkers 2 gelangen die Differenzsignale 10. Der lineare Differenzkreis 10 subtrah#iert aus den Ausgangssignalen des Wiedergabeverstärkers 9 die Ausgangssignale des durch den Ausgang des Linearverstärkers 2 gesteuerten pegelgeregelten Verstärkers 5. Der lineare pegelgeregelte Verstärker 5 ist dem auf der Aufnahmeseite verwendeten Verstärker ähnlich, aber in seinen Regelkreis wird in Serie mit dem Regelverstärker 6 ein Korrekturverstärker 12 zwischengeschaltet. Der Korrekturverstärker 12 kann durch die Charakteristik F' (p) gekennzeichnet werden, was nicht anders ist, als der Wert der Aufnahmecharakteristik F (p) im Frequenzbereich fd (d. h. im durch die Dauermagnetisierung beeinflußten Frequenzbereich). Auf die Wirkung der hochpaßartigen Korrekturcharakteristik F' (p) vermindert sich der Regelschwellenwert des pegelgeregelten Verstärkers 5 proportional zur Erhöhung der Frequenz, wodurch die statische Expansionscharakteristik asymmetrisch wird. Bei kleineren Ausgangspegeln des Wiedergabeverstärkers 9 wirkt der pegelgeregelte Verstärker 5 noch linearer, und seine Ausgangssignale werden durch die dem Linearverstarker 2 zugeführten Signale vermindert, wodurch. gegenüber der am Ausgang des Wiedergabeverstärkers 9 entstehenden Dynamik sich die Dynamik am Ausgang des Linearverstärkers 2 erhöht. Mit der Erhöhung des Signalpegels bekommt der lineare pegelgeregelte Verstärker 5 von dem linearen Differenzkreis 8 ein Regelsignal, und dessen Ausgangspegel erhöht sich nicht mehr. So subtrahiert der lineare pegelgeregelte Verstärker von dem erwachsenden Eingangspegel des linearen Differenzkreises 10 immer kleinere Signale, wodurch sich die Größe der, D;#namikerweiterung vermindert. So entsteht am Ausgang des Linearverstärkers 2 eine zur Eingangsspannung UIN proportionale Spannung, die durch den Verstärker 34 an die der Belastung entsprechence Impedanz angepaßt wird.
In Fig. 3 ist die Anordnung für die #rnamikerweiterung gemäß Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird neben der Dynamikerwefterung bei höheren Frequenzen auch eine Dynamikerweiterung bei niedrigen Frequenzen verwendet, damit die Wirkung der von Netz entstehenden Störspannungen vermindert werden kann. Auf der Aufnahmeseite wurde zwischen dem linearen Verstärker 2 und dem linearen Addierer 3 neben dem eine Kompressionscharakteristik C1 (p, U1) aufweisenden, hochpaßmäßigen Kompressionsweg auch ein anderer Kompressionsweg ausgebildet, der aus einem Entkopplungsteiler 17 einem pegelgeregelten Verstärker 13, einen Regelverstärker 16 und aus einem linearen Differenzkreis 15 besteht. Es ist zu bemerken, daß die Ausgänge des pegelgeregelten Verstärkers 5 als Spannungsgenerator dienen. Der erste Signalweg ist in diesem Fall über den Entkopplungsteiler 18 an den Linearaddierer 3 angeschlossen. Der pegelgeregelte Verstärker 13 verfügt über eine Kompressionscharakteristik C2 (p, U1) deren Frequenzabhängigkeit tiefpaßartig ist, deren Steilheit zu 6 CLBP Oktave und deren Polzeitkonstante zwischen 3 180 - 5 000 µsec gewählt ist. Der Regelverstärker 16 hat eine Regelcharakteristik Sz, (p), die Wirkungsweise des Tieffrequenzkompressors ist gleich der Wirkungsweise des hochpaßartigen Kompressors, aber die an den linearen Differenzkreis 15 angeschlossene Referenzspannung Uref2 wird so eingestellt, daß der Regelschwellenpegel des pegelgeregelten Verstärkers 13 um 26 - 33 unter dem Pegel der gewählten O iB liegt und die Grundverstärkung des pegelgeregelten Verstärkers 13 auf der Frequenz 51,5 Hi um 6 - 13 dB größer als die Verstärkung des Linearverstärkers 2 gewählt wird, wodurch die pegelgeregelten Ausgangssignale höchstens auf den Pegel von -23 dB beschränkt werden.
Die auf der Wiedergabeseite durch den Wiedergabeverstärker nach Fig. 2 verwendete Wiedergabecharakteristik L (p) wird wegen der erwähnten Forderung der verzerrungsfreien Übertragung bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsforin in zwei Teilen ausgestaltet.
In dem durch die Dynamikkompression bei niedrigen Frequen#en nicht beinflußten Bereich des Tonfrequenzbandes wird ein Teil L1 (p) der ursprünglichen Wiedergabecharakteristik L (p) durch den Wiedergabeverstärker 19 realisiert. Der Ausgang des Wiedergabeverstärkers 19 ist an den auch in Fig. 2 gezeigten linearen Diffrenzkreis 10 angeschlossen. An den Subtraktionseingang des linearen Diffrenzkreises sind wegen der in den zwei Frequenzbändern durchgeführten Expansion zwei Rückkopplungseweige angeschlossen. Die Rückkopplungszweige werden voneinander durch je einen Entkopplungsteiler 11 und 22 getrennt. Die Rückkopplungszeige arbeiten in der schon beschriebenen Weise. Nach der Dynamikexpansion kann der Niederfrequenzteil L 11 (p) der ursprünglichen Wiedergabecharakterietik B (p) durch einen hochpaßartigen frequenzabhängigen Verstärker 20 realisiert werden. Am Ausgang dieses Verstärkers erscheinen auf dem Pegel von U1 die mit den Eingangsignalen UIN proportionalen Spannungen.
Die Kompressions- und Expansionscharakteristiken der in Fig. 3 dar--gestellten Ausführungsform der zweibandigen Dynanikerweiterung sind in Fig. 4 gezeigt. In der Figur wurde auf der horizontalen Achse der logarithmische Wert der Eingangsspannung URIN, auf der vertikalen Achse der logarithmische Wert der Ausgangsspannung UAUS im dB-Maßstab aufgetragen. Der Bereich über der Halbierungslinie von 0 45 entspricht der Aufnahmeseite, der unter der Halbierungslinie befindliche Bereich der Wiedergabeseite. In Fig. 4 wurden solche Frequenzen gewählt, die den Kompressions- und Expansionscharakter treu zeigen.Die Kurve von 50 Hz zeigt die Dynamikerweiterung bei niedrigen Frequenzen. Es ist gut ersichtlich, daß die Kompressions-und Expansionskurven bei niedrigen Frequenzen gegenüber der Halbierungslinie von 450 symmetrisch sind. Die Kurve von 333 Hz stimmt gerade mit der Symmetrieachse überein, da auf dieser Frequenz keine Dynamikerweiterung wirksam ist. Während die Kompressionskurven bei den hohen Frequenzen miteinander übereinstimmen, ist bei den hochfrequenten-Expansionskurven gut ersichtlich, Daß sich die Asymmetrie mit der Erhöhung der Frequenz entsprechend der Demagnetiesierung erhöht. Es ist auch gut ersichtlich, daß sich die Kompression und die Expansion in dem Pegelbereich über -20 dB mit der Erhöhung des Pegels stufenweise vermindert, und daß sich die Kurven an die Symmetrieachse anlegen und über O d3 bei dem zum Klirrfaktor von k3 = 3 # gehörenden Pegel schon völlig verschwinden.
In Fig. 5 wurden die Kompressions- und Expansionskurve von 8 kHz nach Fig. 4 getrennt dargestellt, um durch ein Konztruktionsbeie spiel einerseits die Verwendung der Kurven, andererseits die Art der Kompensation der Demagnetisierung näher zu veranschaulichen, bei weichem Beispiel die Eigenschaften eines über eine größere Demagnetisierung verfügenden herkömmlichen Bandes gewählt wurde. Unter der Annahme, daß der Wert der Aufnahmekorrektur F (p) auf der Frequenz von 8 kllz + 10 dB und der Wert der Demagnetisierung D -10 dB ist, wird im folgenden dargestellt, wie ein Ausgangssignal von -30 dB während der Durchführung des Verfahrens aus dem am Eingang erscheinenden 8-kHz-Signal von -50 dB entsteht. In der Figur entspricht dem Eingangssignal von -30 dB der Punkt AA. Wegen der Aufnahme korrektur F (p) erscheint dieses Signal am Eingang des Kompressors auf einen um 10 dB höheren Pegel, d. h. auf dem Pegel von -20 dB (Punkt B BA). Dieser Punkt BA wird auf den Punkt CA der Kompressionscharakteristik projiziert. So kann man auf der vertikalen Achse ablesen, daß die Aufzeichnung des Signals auf dem Pegel von -10 dB erfolgt. Durch die Wirkung des Kompressors wurde der Aufnahmepegel von -20 d3 um 10 dB erhöht.
Bei der Wiedergabe erscheint die Amplitude des auf dem Pegel von -10 dB aufgezeichneten 8-kHz-Signals am Eingang des Dynamikexpanders infolge der Demagnetisierung von -10 <13 auf dem Pegel von -20 dB. Zu der Expansionscharakteristik der Aufnahme soll also aus dem Punkt von -20 dB der horizontalen Achse ein senkrechter Projektionsstrahl gezogen werden. Dieser Projektionsstrahl schneidet die Expansionscharakteristik in dem Punkt Cw. Dementsprechend befindet sich das Ausgangssignal in dem Punkt AVJ, dessen Pegel eben -30 dB ist. Es ist ersichtlich, daß in diesem Fall durch die Verwendung einer symmetrischen oder asymmetrischen Charakteristik am Ausgang eben das Signal, das vor der Aufzeichnung erschien, wiedergewonne#iir<1.
Bei einem anderen Beispiel ist der Pegeld es Eingangssignals -10 dB, das nach der Aufnahmekorrektur F (p) von 10 dB, also auf einen Pegel von O dayden Eingang des Kompressors (Punkt ~)A - Punkt EA) gelangt.
In diesem Fall erfolgt die Aufzeichnung auf einem Pegel von 0 dB.
Wegen der Wirkung der Demagnetisierung gelangt das auf 0 dB aufgezeichnete Signal im Wert von -10 dB an den Eingang des Expanders (Punkt Ew). Der Punkt EW auf der Expansionscharakteristik wird projiziert und so ergibt sich der Punkt Fw, der auf der vertikalen Achse den Punkt X von -10 d# schneidet. Während der Dynamikerweiterung wurde also der ursprüngliche Signalpegel wiedergewonnen.
Anhand des letzteren Beispiels kann man untersuchen, auf welchem Pegel das Ausgangssignal durch die Verwendung einer bekannten symnetrischen Expansionscharakteristik erscheint. Auf der Aufnahmeseite bleiben die Verhältnisse bis zum Punkt h von -10 dB unverändert.
Statt des asymmetrischen Punktes Fw ergibt sich aber auf der gestrichelten symmetrischen Expansionscharakteristik der symmetrische Punkt FW, zu dem auf der vertikalen Achse der Punkt h von -20 dB gehört. In diesem Fall ergibt sich aus dem Eingangspegel von -10 dB nach der Aufzeichnung ein Ausgangspegel von -20 dB. Während der Durchführung dieses Verfahrens ergibt sich ein Fehler von 10 dB, der nicht mehr als vernachlässigbar betrachtet werden kann. Wenn man dieses Beispiel auch bei anderen Frequenzen aufgrund der Fig. 4 durchführt, dann scheint klar zu sein, daß der Expansionsknickpunkt entsprechend dem Demagnetisierungswert verschoben werden muß. Die konstante und frequenzunabhängige Verschiebung des Expansionspunktes wurde die Signale mittlerer Frequenz (t - 4 kHz) so störend anheben, daß diese Lösung nicht verwendbar ist.
Durch die Verwendung des erfindungsgen#a#ßen Verfahrens erhöht sich die Dynamik der Tonaufzeichnung bei der Benutzung herkömmlicher Tonbänder in allgemeinen um 10 dB.
Patentansprüche

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Verfahren zur Erweiterung des @ynamikbereichs bei magnetischer Tonaufzeichnung, das aus zwei Quasikomplementär-Verfahrcnsvorgängen besteht, wobei im ersten Vorgang auf der Aufnahmeseite eine Dynamikkompression und im zweiten Vorgang auf der Wiedergabeseite eine Dynamikexpansion durchgeführt wird, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß im ersten Vorgang die aufzuzeichnenden Signale entsprechend einer bekannten Äufnahmecharakteristik (F/p/) auf einen bestimmten Pegel U1 verstärkt werden, wobei ihre Dynamik einer vorgeschriebenen frequenzabhängigen Kompressionscharakteristik (Cß /p, U1/) entsprechend komprir.-iert wird, daß diese komprimierten Signale magnetisch aufgezeichnet werden, daß im zweiten Vorgang die aufgezeichneten Signale abgestimmt wenigstens mit einem Frequenzteilbereich der der Aufnahme charakteristik (F/p/) zugeordneten Wiedergabecharakteristik (L/p/) auf den vorherigen Pegel t1) verstärkt werden, daß dann die frequenzabhängige Pegelverninderung der Signale, die während der magnetischen Aufzeichnung infolge der Demagnetisierung (D) des Aufzeichnungsmittels entsteht, durch wiederholte Anwendung der Aufnahmecharakteristik (F/p/) im durch diese Pegelverminderung berührten Frequenzbereich (F/fd/) kompensiert wird, wobei die Dynamik der Signale mit einer der Aufnahme-Kompressionscharakteristik (C/p, U1/) entsprechenden komplementären Expansionscharakteristik (CA/p, U1/) expandiert wird, und daß danach die Signale in dem durch die Pegelverminderung berührten Frequenzbereich (fd) mit dem inversen Wert Aufnahmecharakteristik, mit im gegebenen Fall/ dem vor der Expansion noch nicht verwend--ten Frequenzteilbereich (1,-L1 /p/) der Wiedergabechrakteristik (Ir/p/) beeinflußt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß im zweiten Verfahrensvorgang für die Kompensation der infolge der Demagnetisierung auftretenden Pegelverminderung (D) im genannten Frequenzbereich (fd) )statt der wiederholten Anwendung der Aufnahme charakteristik vor der Expansion und der invertierten Anwendung derselben nach der Expansion, die auf einen gegebenen Pegel (U1) verstärkten Signale mit einer gegenüber der genannten Aufnahmeexpansionscharakteristik (A/p, U /) komplementären Kompressionscharakteristik (CA (p, U1)) asymmetrisch eingestellten Expansionscharakteristik entsprechend expansiert werden, wobei der Wert der Asymmetrie in dem durch die Demagnetisierung berührten Frequenzbereich (fd) gleich dem Wert der Aufnahmecharakteristik (F/p/) in diesem Frequenzbereich (fd) )eingestellt wird, wodurch die magnetische Aufzeichnung und Wiedergabe in dem ganzen Frequenz-und Dynamikbereich zueinander dynamisch kompatibel sind.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß zur Verwirklichung der Aufnahmekompression die auf den gegebenen Pegel (U1) verstärkten Signale auf zwei verschiedenen Wegen geführt werden und auf dem einen Weg eine lineare Verstärkung und auf dem anderen VJeg eine frequenzabhängige pegelgeregelte Verstärkung durchgeführt wird, daß die Ausgangssignale der zwei Wege linear addiert werden, wobei die pegelgeregelte Verstärkung auf dem zweiten Weg mit einer Hochpaßcharakteristik von wenigstens 6 <13/Oktave Steilheit erfolgt, und daß ferner die Zeitkonstante der Hochpaßcharakteristik zwischen 50 und 100 /usec liegt, die Grundverstärkung des zweiten Weges auf 10 kHz gegenüber der linearen Verstärkung des ersten Weges um 6 bis 13 dB größer ist und der Schwellenwert der pegelgeregelten Verstärkung auf der der Bandgeschwindigkeit zugeordneten Frequenz -gegenüber dem durch die dritte Oberwellenverzerrung von 1,5 % an dem Tonband bestimmten Pegel von 0 dB - zwischen den Werten von -17 bis -23 dB eingestellt wird, wodurch der Ausgangspegel der pegelgeregelten Signale auf den Wert von -9 dB beschränkt ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß zur Verwirklichung der wiedergabeseitigen Expansion die der Wiedergabecharakteristik (L/p/) entsprechend verstärkten Signale einem Differenzkreis zugeführt werden, dessen Differenzsignale durch eine lineare Verstärkung auf einen gegebenen Pegel (U1) verstärkt werden, daß dann die Signale nach der mit der pegelgeregelten Aufnahmeverstärkung gleiche=eise durch geführten pegelgeregelten Verstärkung dem Subtraktionseingang des Differenzkreises zugeführt werden, und daß der Schwellenwert der pegelgeregelten Verstärkung gegenüber dem entsprechenden Schwellenwert auf der Aufnahmeseite in dem durch die Demagnetisierung berührten Frequenzbereich (fd) )mit dem Wert der Aufnahmecharakteristik (F/p/) vermindert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß auf der Aufnahmeseite auch bei den niedrigen Frequenzen eine tiefpaßartige Kompression durchgefühft wird, die mit der hochpaßartigen Kompression gleicherweise erfolgt, und daß die entsprechenden Kompressionsparameter auf folgende Weise festgelegt werden: die pegelgeregelte Verstärkung mit einer Tiefpaßcharak teristik von wenigstens 6 dB/Oktave Steilheit durchgeführt wird, wobei die Polzeitkonstante der Charakteristik zwischen 3 180 und 5 000 /usec liegt, der Schwellenwert der pegelgeregelten Verstärkung um 26 - 33 dB unter den Pegel von 0 dB eingestellt wird, und der auf der Frequenz von 31,5 lrz gemessene Wert der pegelgeregelten Grundverstärkung um 6 - 13 dB größer als die lineare Grundverstärkung gewählt wird, #wodurch die pegelgeregelten Ausgangssignale höchstens auf -23 dB beschränkt sind.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß auf der Aufnahmeseite vor der Dynamikexpansion nur der durch die niederfrequente Dynamikkompression nicht berührte Deilberéich (L1 /P/) der Wiedergabecharakteristik (D /p/) realisiert wird, wonach eine Dynamikexpansion auf niedrigen Frequenzen durchgeführt wird, wobei die Expansion entsprechend den Parametern der niederfrequenten Aufnahmekampression erfolgt, ohne den Schwellenwert der pegelgeregelten Verstärkung entsprechend der Aufnahmecharakteristik zu modifizieren, und daß dann die so expandierten Signale durch den vor der Expansion noch nicht verwendeten niederfrequenten Charakteristikteil (L-L1 /P/) der Wiedergabecharakteristik (L/p/) beeinflußt werden.