DE2749986C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine adaptive Signalbewertungs-
Filteranordnung zur Übertragung eines elektrischen Signals über einen
Signalweg, mit einem steuerbaren Filter, dessen Frequenzgang sich in
Abhängigkeit von einem Filtersteuersignal ändert, und mit einer
Steuereinrichtung zur Erzeugung des Filtersteuersignals.
Bei der Übertragung von elektrischen Tonfrequenzsignalen über
Rundfunktkanäle sowie über Tonbandaufzeichnungs- und Wiedergabekanäle
ergeben sich erhebliche Rausch- und Störsignale, die um so stärker in
Erscheinung treten, als sonstige moderne Tonfrequenzbauteile als solche
lediglich ein geringes Rauschen aufweisen.
Eine Möglichkeit zur Verringerung der Auswirkungen des durch derartige
Übertragungskanäle hervorgerufenen Rauschens besteht in einer Codierung
des Tonfrequenzsignals (üblicherweise durch Komprimierung oder
Dynamikpressung des dynamischen Bereichs der Signale) bei der
Aufzeichnung oder Aussendung des Signals und in der Decodierung des
Signals (üblicherweise durch Dynamikdehnung des dynamischen Bereiches
des komprimierten Signals) bei der Wiedergabe.
Ein Beispiel dieser Technik, die allgemein als Kompandertechnik bezeichnet
wird, ist in der US 37 89 143 beschrieben. Bei derartigen
Kompander-Rauschverringerungssystemen ergibt sich jedoch die Modulation
des Systemrauschens durch das Tonfrequenzsignal, so daß die wahrnehmbare
Klangreinheit verschlechtert wird. Diese Rauschmodulation tritt insbesondere
dann auf, wenn die übertragenen Signale eine relativ große
Spektralreinheit aufweisen, das heißt wenn der dominierende oder größere
Teil der Signalenergie in einem bestimmten Teil des Tonfrequenzspektrums
konzentriert ist und sich nur sehr geringe Energie- oder Informationsanteile
in anderen Bereichen des Tonfrequenzspektrums befinden. Wenn
beispielsweise ein Tonfrequenzsignal überwiegend Energie bei niedriger
Frequenz enthält, wie zum Beispiel ein Signal, das einen eine tiefe
Frequenz aufweisenden Klavierton oder eine Kesselpauke darstellt, so
bewirkt das Tonfrequenzsignal, obwohl es im Sinne einer 'Überdeckung'
der niederfrequenten Teile des Systemrauschens wirkt, außerdem eine
Modulation der eine mittlere oder hohe Frequenz aufweisenden Teile des
Systemrauschens, so daß ein an- und abschwellender oder Atemeffekt in
dem wahrgenommenen Klang hervorgerufen wird. In gleicher Weise wirkt ein
Tonfrequenzsignal, das überwiegend hochfrequente Energieanteile aufweist
(wie es beispielsweise von einer Triangel hervorgerufen wird) im Sinne
einer Überdeckung des höherfrequenten Rauschens, es moduliert jedoch
die eine niedrige oder mittlere Frequenz aufweisenden Teile des Systemrauschens,
so daß eine in gleicher Weise störende Modulation hervorgerufen
wird. Eine ausführliche Erläuterung der Überdeckung von Rauschen
durch Tonsignale findet sich in der Literaturstelle 'Journal of the
Acoustical Society of America', Band 41, Nr. 3 (1967) Seiten 700 bis
705.
Dieses Problem der Rauschmodulation kann durch bekannte Mehrband-
Kompandersysteme beseitigt werden, doch sind diese Systeme kompliziert,
kostspielig und sie multiplizieren Frequenzübertragungsfehler, sodaß sie
für die Verwendung bei allgemeinen Anwendungen, beispielsweise im privaten
Bereich unpraktisch sind. Weiterhin sind derartige Systeme unerwünscht,
weil die Steuerfunktionen der Systeme üblicherweise durch
Absolutsignalpegel bestimmt sind.
Aus der GB 13 93 690 ist weiterhin eine adapive Filteranordnung
bekannt, die im Ruhezustand ein Bandpaßfilter mit einer Mittenfrequenz
von etwa 700 Hz darstellt. Auf diese Weise wird das Kanalrauschen in
den höher- und niederfrequenten Bereichen im Ruhezustand begrenzt. Bei
Auftreten einer Signalenergie in einem oberhalb oder unterhalb dieser
Mittenfrequenz liegenden Frequenzbereich wird die obere bzw. untere
Grenzfrequenz dieses Bandpaßfilters entsprechend erhöht bzw. erniedrigt,
doch kann auch hierbei das Problem der Rauschmodulation nicht vollständig
beseitigt werden.
Gleiches gilt auch für ein dynamisches Rauschfilter gemäß der US
36 78 416, das steuerbare Hochpaß- und Tiefpaßfilter zur Filterung der
Nieder- und Hochfrequenzanteile des Eingangssignals aufweist. Die
Steuereinrichtungen zur Erzeugung des Steuersignals steuern hierbei die
Grenzfrequenz der entsprechenden Nieder- und Hochfrequenzfilter in
Abhängigkeit von dem jeweils in diesem Frequenzbereich liegenden Pegel
der Eingangssignale.
Eine adaptive Signalbewertungs-Filteranordnung der eingangs genannten
Art ist aus der DE-OS 20 35 479 bekannt. Diese bekannte Filteranordnung
ist Teil eines Kompandersystems, bei dem bei niedrigen Eingangssignalpegeln
eine stärkere Anhebung, das heißt Verstärkung des Eingangssignals
im höheren Frequenzbereich als im niedrigeren Frequenzbereich, etwa
unterhalb von 1000 Hz. erfolgt. Bei höheren Eingangssignalpegeln wird,
um die gewünschte Kompressorwirkung zu erzielen, die Verstärkung des
Eingangssignals verringert wobei gleichzeitig ggf. eine Absenkung
der höherfrequenten Signalanteile erfolgt. Der Frequenzgang des Filters
hängt damit von dem Gesamtpegel des Signals ab. Auch hierbei ist eine
Rauschmodulation nur sehr schwierig zu verhindern, da ein Vergleich der
Signalkomponenten in verschiedenen Frequenzbereichen nicht vorgenommen
wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine adaptive Signalbewertungs-
Filteranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei
einfachem Aufbau eine Verringerung des Rauschens in Tonfrequenzsignalen
ermöglicht, ohne daß eine Modulation des Systemrauschens durch das
Nutzsignal auftritt.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Filteranordnung wird die
Größe der Signalenergie in einem Spektralbereich mit der Signalenergie
in einem anderen Spektralbereich verglichen und das Filtersteuersignal
wird in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs erzeugt, so daß
das Filtersteuersignal unabhängig von den Pegeleinstellinformationen
bei dem Codierungs- und Decodierungssystemen ist und von Signalverhältnissen
und nicht durch Absolutsignale bestimmt ist.
Das steuerbare Filter spricht auf dieses Filtersteuersignal an, um den
Spektralbereich der dominierenden Signalenergie des übertragenen Signals
gegenüber den anderen Spektralbereichen des übertragenen Signals um
einen Wert zu ändern, der von dem Steuersignal abhängt.
Für die Codierung und Decodierung der übertragenen Signale werden in
üblicher Weise zwei zueinander komplementäre steuerbare Filter verwendet,
so daß der Spektralbereich der dominierenden Signaleenergie bei der
Codierung einer Anhebung oder Preemphasis und bei der Decodierung einer
Absenkung oder Deemphasis unterworfen werden kann, um das Signalrauschen
zu verringern. Der hier verwendete Ausdruck 'Preemphasis' soll die
Änderung der Größe ausgewählter Frequenzkomponenten eines elektrischen
Signals bezüglich der Größe oder der Stärke anderer Frequenzkomponenten
zur Verringerung des Rauschens in nachfolgenden Punkten des Systems
bedeuten. Diese Änderung kann in negativer Weise erfolgen, bei der die
Stärke der ausgewählten Frequenzkomponenten verringert wird, oder die
Änderung kann in positiver Richtung erfolgen, wobei die Stärke der
ausgewählten Frequenzkomponenten vergrößert wird. In ähnlicher Weise
soll der hier verwendete Ausdruck 'Deemphasis' bedeuten, daß die ausgewählten
Frequenzkomponentes des codierten Signals in entweder negativer
oder positiver Richtung in komplementärer Weise zur Änderung des ursprünglichen
Signals geändert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Filteranordnung
so modifiziert, daß zusätzlich Kompandiertechniken verwendet
werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der
Zeichnungen erläutert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der adaptiven
Signalbewertungs-Filteranordnung zur Verwendung als Codiersystem
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der adaptiven
Signalbewertungs-Filteranordnung als Decodiersystem, das in
Verbindung mit dem System nach Fig. 1 verwendbar ist,
Fig. 3 ein Schaltbild der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 4 ein Schaltbild der Ausführungsform nach Fig. 2,
Fig. 5A und 5B zwei beispielhafte idealisierte Amplituden-Frequenzgang-
Kurven der Pfade für niedrige und hohe Frequenzen des steuerbaren
Filters der Ausführungsform nach Fig. 3,
Fig. 6 eine Gruppe von beispielhaften Amplituden-Frequenzgang-Kurven
für verschiedene Tonfrequenzsignale, deren Signalenergie in
verschiedenen Teilen des Tonfrequenzspektrums konzentriert ist,
wobei diese Darstellung zur Erläuterung der Betriebsweise der
Ausführungsform nach Fig. 3 dient,
Fig. 7 zwei beispielhafte Einton-Amplituden-Frequenzgang-Kurven der bevorzugten
Codier- und Decodiersysteme nach den Fig. 3 und 4.
Bei Signal-Rauschverringerungssystemen müssen irgendwelche Maßnahmen
vorgesehen werden, die berücksichtigen, daß das
menschliche Ohr für spektral weit von dem Signal entferntes
Rauschen außerordentlich empfindlich ist, insbesondere dann,
wenn dieses Rauschen nicht konstant ist. Systeme, die Kompandertechniken
verwenden, bei denen ein Signal, dessen Hauptenergie
in einem Teil des Spektrums konzentriert ist, kompandiert
wird, ruft weiterhin "Atem"-Effekte auf Grund von Verstärkungsänderungen
hervor, die das Hintergrundrauschen des
Aufzeichnungsmediums beeinflussen.
Wenn ein Linienspektrum-Signal mit beispielsweise 100 Hz sich
in seiner Intensität auf dem Aufzeichnungsmedium zeitlich ändert,
d. h. nach der Kompression, so kann nach der Expansion
eindeutig gehört werden, daß sich das Rauschen in dem 1- bis 16-kHz-
Bereich mit dem Signal ändert. Aus der vorstehend genannten Literaturstelle
ist zu entnehmen, daß verstärkungsmoduliertes Breitbandrauschen
in diesem Bereich wahrgenommen werden kann, wenn
es 80 dB unter einem Sinusschwingungssignal von 100 Hz bei
einem Schalldruckpegel von 100 dB liegt. Magnetband, das bei
einer Aufzeichnungsgeschwindigkeit von 19 cm/sec verwendet
wird, weist ein Breitbandrauschen von ungefähr 55 dB bei einem
Aufzeichnungspegel von 200 nW/m auf. Schallplattenaufzeichnungen
sind üblicherweise etwas besser hinsichtlich des kontinuierlichen
Rauschens (im Gegensatz zu unregelmäßigem Rauschen und Störungen
wie z. B. Knall- und Knackgeräusche). Es wird daher angenommen,
daß eine 25-dB-Bewertung des übertragenen Signals am
hohen Ende des Spektrums mit einem geringeren Wert in dem mittleren
Spektralbereich erforderlich sein würde, und eine Rauschmodulation
bei einem Hörpegel mit 100 dB Schalldruckpegel (SPL)
unhörbar zu machen. Eine etwas geringere Bewertung würde ausreichend
sein, damit dieses Rauschen die Signalqualität nicht
mehr verschlechtert.
Bei der im folgenden beschriebenen Filteranordnung wird daher der Signalausgang des Wiedergabesystems in dem Spektralbereich von spektral
stark konzentrierten Signalen angehoben oder verstärkt. Entsprechend
muß dieses Signal bei der Aufzeichnung in diesem
Spektralbereich in komplementärer Weise abgesenkt oder abgeschwächt
werden.
Die Filteranordnung verwendet komplementäre Nachlauffilter,
die in komplementärer Weise das übertragene Signal bei der
Frequenz der dominierenden Signalenergie bei der Aufzeichnung
und Wiedergabe ändern. Es sind geeignete Einrichtungen vorgesehen,
um Befehle an diese Nachlauffilter zu geben, damit diese
bei dem richtigen Spektralenergie-Mittelpunkt des Signals eine
Absenkung (Verringerung des Signals) und Anhebung (Verstärkung
des Signals) durchführen.
In den Zeichnungen und insbesondere in den Fig. 1 und 2 ist
eine Ausführungsform der adaptiven Signalbewertungs-Filteranordnung
gezeigt, die so ausgelegt sind, daß sie den dynamischen Bereich
des elektrischen Tonsignals verbessern, das mit E in bezeichnet
ist und dem Eingangsanschluß 22 des Systems zugeführt
wird. Das Codierungssystem nach Fig. 1 schließt eine Steuereinrichtung
16 in Form eines adaptiven Signalbewertungsfilters
ein, in dem das ankommende Signal im Spektralbereich der dominierenden
Signalenergie geändert wird. In ähnlicher Weise
weist das in Fig. 2 gezeigte Decodierungssystem eine Steuereinrichtung in Form eines komplementären
Nachlauffilters 16 A auf, das diesen Spektralbereich
der dominierenden Signalenergie bei der Decodierung des Signals
ändert. Wie dies im folgenden noch näher erkennbar ist, können
die Filter 16 und 16 A jeweils mit einer Verstärkungssteuereinrichtung
verwendet werden, so daß nicht nur der Spektralbereich
der dominierenden Signalenergie des übertragenen Signals in
komplementärer Weise abgesenkt und angehoben wird, sondern
auch das Signal bei der Aufzeichnung bzw. Wiedergabe des Signals
komprimiert bzw. expandiert wird.
Entsprechend kann das Filter 16 mit einem insgesamt mit 18
bezeichneten Kompressor verwendet werden, um ein Kompressorsystem
(siehe Fig. 1) zur Kodierung eines elektrischen Tonfrequenzsignals
E in vor der Übertragung oder Aufzeichnung zu
bilden, wodurch ausgewählte Teile des Tonfrequenzspektrums
einer Preemphasis unterworfen werden.
In ähnlicher Weise kann das Filter 16 A mit einem Expander oder
Dynamikdehner verwendet werden, der allgemein mit 18 A bezeichnet
ist, um ein Dynamikdehnersystem (siehe Fig. 2) zur Decodierung
des dem Systemeingangsanschluß 22 A bei der Wiedergabe
zugeführten codierten Signals E₁ zu bilden, so daß dieses einer
Deemphasis-Wirkung unterworfen wird.
Das Codierungssystem nach Fig. 1 weist ein Eingangspuffer- und Tiefpaßfilter
20 zur Begrenzung der Bandbreite der Programminformation
auf, die durch das Codierungssystem hindurch übertragen wird.
Der Ausgang des Filters 20 ist mit dem Eingangsanschluß 24
des spannungsgesteuerten Filters 26 verbunden. Das Filter 26
ist mit einem Steueranschluß 28 versehen, der mit der Rückführungs-
Steuerschaltung 38 verbunden ist, die weiter unten
ausführlicher erläutert wird. Das Filter 26 ist
so ausgelegt, daß es den Spektralbereich der dominierenden
Signalenergie des Eingangssignals E in einer Preemphasis
bezüglich anderer Spektralbereiche des Eingangssignals unterwirft.
Das Filter ist vorzugsweise ein Filter mit kontinuierlich
veränderlichem Durchlaßkurven-Senkenpunkt, bei dem die
Einsenkung zu jeder Zeit am Spektralbereich der dominierenden
Signalenergie liegt. Der Ausgang des Filters 26 ist mit dem
Eingangsanschluß 30 der Verstärkungssteuereinrichtung 32 des Kompressors
18 verbunden. Die Verstärkungssteuereinrichtung ist mit
einem Steueranschluß 34 versehen, der mit der Rückführungssteuerschaltung
38 verbunden ist. Eine Verstärkungssteuereinrichtung
die für die Verstärkungssteuereinrichtung 32 einsetzbar ist, ist in
der US 37 89 143 beschrieben. Diese Verstärkungssteuereinrichtung
32 verstärkt den einer Preemphasis unterworfenen Signalausgang
des spannungsgesteuerten Filters 26 mit einer veränderlichen
Verstärkung, die von dem Steuersignal abhängt, das
dem Steueranschluß 34 zugeführt wird. Es ist eine Anzahl von
Schaltungen bekannt, die die Signalverstärkung in Abhängigkeit
von einem Befehls- oder Steuersignal steuern können. Beispielsweise
kann ein durch Licht gesteuerter Widerstand oder ein Feldeffekttransistor
oder ein Element in einem Spannungsteiler oder
ein bekannter Analogmultiplizierer verwendet werden, der symmetrische
Halbleiterpaare oder ähnliches verwendet. In jedem Fall
dient die Verstärkungssteuereinrichtung 32 zur Steuerung der Verstärkung des Eingangssignals
in Dezibel in Abhängigkeit von dem Steuersignal,
das von der Rückführungsschaltung 38 geliefert wird, so daß
sich eine Kompression ergibt, bei der die Eingangs- und Ausgangspegel
in Dezibel über einen im wesentlichen konstanten
Faktor miteinander in Beziehung stehen, der kleiner als 1 ist.
Der Ausgang der Verstärkungssteuereinrichtung 32 ist mit dem System-Ausgangsanschluß
36 und mit der Rückführungsschaltung 38 verbunden.
Die Rückführungsschaltung 38 stellt vorzugsweise die Größe
der Signalenergie in zwei Spektralbereichen des übertragenen
Signals fest, vergleicht die beiden Werte und liefert ein
Steuersignal, das von diesem Vergleich abhängt. Der Eingang
der Rückführungsschaltung 38 schließt ein Detektor-Bandpaßfilter
40 ein, das die Bandbreite der durch die Schaltung 38
hindurchlaufenden Signale begrenzt. Der Ausgang des Filters 40
ist sowohl mit dem Pegel-Preemphasis-Filter 42 als auch dem
Pegel-Formungsfilter 44 verbunden. Das Pegel-Preemphasis-
Filter 42 ist vorzugsweise ein Filter mit einer derartigen
Frequenzgangscharakteristik, daß das Filter die Signalenergie
ausgewählter Frequenzbereiche des durch das Filter hindurch
übertragenen Signals weitergeleitet. Das Pegelformungsfilter
44 ist andererseits vorzugsweise ein Filter mit einer Frequenzdurchlaßkurve,
die zu der Frequenzdurchlaßkurve des Filters 42
invers ist, so daß die Signalenergie der Frequenzabschnitte
des Signals übertragen werden, die nicht von dem Filter 42
übertragen werden. Die Ausgänge der Filter 42 und 44 sind mit
den Eingängen identischer logarithmischer Konverterschaltungen
46 bzw. 48 verbunden. Derartige Konverterschaltungen sind ausführlich
in der US-Patentschrift 37 89 143 beschrieben und
liefern jeweils einen Gleichspannungsausgang, der in logarithmischer
Beziehung zum Effektivwert des Signals steht, das von
den jeweiligen Filtern 42 und 44 geliefert wird, so daß der
Gleichspannungsausgang der Schaltung 46 von dem Energieinhalt
des durch das Filter 42 der Rückführungsschaltung 38 übertragenen
Signals abhängt, während der Gleichspannungsausgang der Schaltung
48 von dem Energieinhalt des durch das Filter 44 übertragenen
Signals abhängt.
Wie dies weiter unten noch näher erkennbar ist, ist der Ausgang
der Schaltung 46 identisch zu dem Ausgang einer einzigen
Effektivwertschaltung mit einem im wesentlichen ebenen Frequenzgang
in dem Frequenzbereich, der durch das Filter 42 bestimmt ist.
Daher ist der Ausgang ein Maß des Pegels oder der Amplitude der
Energie des übertragenen Signals zumindest in dem Frequenzbereich,
der durch das Filter 42 bestimmt ist. Entsprechend kann
der Signalausgang der Schaltung 46 zur Befehlsgabe oder Steuerung
des Ausganges der Kompressor-Verstärkungssteuereinrichtung 33 entsprechend
Kompansionstechniken verwendet werden. Der Ausgang
der Schaltung 46 ist daher vorzugsweise mit dem Steueranschluß
34 der Verstärkungssteuereinrichtung 32 verbunden. Weiterhin ist
dieser Ausgang der Schaltung 46 mit dem positiven oder nicht
invertierenden Eingangsanschluß 52 eines eine Vergleichereinrichtung bildenden Differenzverstärkers
50 verbunden. Der negative oder invertierende Eingangsanschluß
54 des Verstärkers 50 ist mit dem Ausgang der Schaltung 48 verbunden,
während der Ausgang des Verstärkers mit dem Steueranschluß 28
des spannungsgesteuerten Filters 26 verbunden ist. Der Verstärker
50 ist von gut bekannter Art und liefert allgemein
ein Gleichspannungssignal, dessen Wert von der Spannungsdifferenz
zwischen den beiden an den beiden Eingangsanschlüssen 52
und 54 zugeführten Signalen abhängt. Wie es weiter unten noch
näher erläuert wird, hängt der Ausgang des Verstärkers 50 von
dem Energieverhältnis zwischen den Ausgangssignalen an den
beiden Ausgängen der Schaltungen 46 und 48 ab. Der Ausgang des
Verstärkers 50 ist genau frequenzabhängig, so daß einfache
Änderungen der Amplitude über die gesamte Bandbreite des Eingangssignals
E in ein Ansteigen der Ausgangssignale der beiden
Schaltungen 46 und 48 um einen gleichen Betrag hervorrufen,
so daß die Differenz zwischen diesen beiden Signalen gleich
bleibt. Der Ausgang des Verstärkers 50 steuert daher das spannungsgesteuerte
Filter 26, das seinerseits die Preemphasis
des Eingangssignals E in hervorruft. Weiterhin steuert der Ausgang
der Schaltung 46 die Verstärkung der Verstärkungssteuereinrichtung 32, die
ihrerseits das preemphasierte Ausgangssignal des Filters 26
in Abhängigkeit von dem Ausgangspegel der Schaltung 46 mit einer
veränderlichen Verstärkung komprimiert.
Das in Fig. 2 dargestellte Decodierungssystem schließt allgemein
die gleichen Elemente wie das Codierungssystem nach Fig. 1
ein, die jedoch so weit abgeändert und anders angeordnet sind,
daß sich eine Frequenzsignalbewertungsfunktion ergibt, die im
wesentlichen das Komplement der Bewertungsfunktion des Codierungssystems
nach Fig. 1 darstellt.
Der System-Eingangsanschluß 22 A (dem das codierte Eingangssignal
E₁ zugeführt wird) ist mit dem Eingang des Tiefpaßfilters 20 A
verbunden, dessen Ausgang sowohl mit dem Eingangsanschluß 30 A
einer Verstärkungssteuereinrichtung 32 A als auch mit dem Eingang
eines Bandpaßfilters 40 A in dem Vorwärtssteuerungsweg 38 A verbunden
ist. Der Ausgang der Verstärkungssteuereinrichtung 32 A ist mit
dem Eingangsanschluß 24 A des spannungsgesteuerten Filters 26 A
verbunden und der Ausgang des Filters 26 A ist mit dem System-
Ausgangsanschluß 36 A verbunden. Die Bauteile des Vorwärtssteuerpfades
38 A sind in identischer Weise wie die des Rückführungspfades
38 des Codierungssystems aufgebaut, so daß der Ausgang
des Bandpaßfilters 40 A mit dem Eingang sowohl des Pegel-Preemphasis-
Filters 42 A als auch des Pegelformungsfilters 44 A
verbunden ist. Die Ausgänge der Filter 42 A und 44 A sind mit
identischen logarithmischen Konverterschaltungen 46 A bzw. 48 A
verbunden. Die Ausgänge der Konverterschaltungen 46 A und 48 A
sind mit den jeweiligen positiven und negativen Eingangsanschlüssen
52 A und 54 A des die Vergleichereinrichtung bildenden Differenzverstärkers 50 A verbunden.
Der Ausgang des Verstärkers 50 A ist mit dem Steueranschluß 28 A
des spannungsgesteuerten Filters 26 A verbunden, während der
Ausgang der Konverterschaltungen 46 A weiterhin mit dem Steueranschluß
34 A der Verstärkungssteuereinrichtung 32 A verbunden ist.
Der Ausgang der Schaltung 46 A steuert die Verstärkung der Verstärkungssteuereinrichtung
32 A, die ihrerseits die Verstärkung steuert, der das dem Eingangsanschluß
30 A zugeführte Eingangssignal in Dezibeln proportional
zu dem Steuersignal unterworfen wird, das von der
Vorwärtssteuerschaltung 38 A geliefert wird, so daß sich eine
Expansion oder Dynamikdehnung ergibt, bei der die Eingangspegel
auf die Ausgangspegel in Dezibeln über einen im wesentlichen
konstanten Faktor in Faktor in Beziehung stehen, der
größer als 1 ist und der im wesentlichen komplementär, d. h.
der invertierte Wert des Verhältnisses des Verstärkungsfaktors
ist, der von der Verstärkungssteuereinrichtung 32 des Systems nach Fig. 1 geliefert wird.
Weiterhin steuert der Ausgang des Verstärkers 50 A das spannungsgesteuerte
Filter 26 A, das seinerseits eine Deemphasis des
Eingangssignals E₁ in einer im wesentlichen komplementären
Weise zur Preemphasis bewirkt, die in dem System nach Fig. 1
bei der Codierung des Eingangssignals E in hervorgerufen wird.
Sowohl bei der Codierung als auch bei der Decodierung der Signale
ist zu erkennen, daß das komprimierte oder codierte Signal
(der Ausgang des Codierungssystems nach Fig. 1 unter Eingang
des Decodierungssystems nach Fig. 2) dasjenige Signal ist,
das zur Ableitung der verschiedenen Steuersignale verwendet
wird.
In den Fig. 3 und 4 sind bevorzugte Ausführungsformen der
Codierungs- und Decodierungssysteme nach den Fig. 1 und 2
ausführlicher gezeigt. In Fig. 3 ist der System-Eingangsanschluß
22 mit einem Tiefpaßfilter 20 verbunden, das die Bandbreite
der dem Anschluß 22 zugeführten Programminformation
begrenzt und eine Pufferung des System-Eingangsanschlusses 22
gegenüber dem übrigen Teil des Systems bewirkt. Das Filter 20
schließt einen Eingangskondensator 100 ein, der über einen
Widerstand 102 mit dem negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers
104 und über einen Kondensator 106 mit dem
positiven Eingangsanschluß dieses Verstärkers 104 verbunden
ist. Der positive Anschluß des Verstärkers 104 ist über den
Vorspannwiderstand 108 auf das Erdpotential des Systems vorgespannt,
während der negative Eingangsanschluß in gut bekannter
Weise mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist. Der
Ausgang des Filters 20 wird dem Eingangsanschluß 24 des spannungsgesteuerten
Filters 26 zugeführt.
Das Filter 26 umfaßt zwei parallele Übertragungspfade für den
Signalausgang des Filters 20. Der erste dieser Pfade weist vorzugsweise
einen im wesentlichen festen Übertragungsfrequenzbereich
auf und leitet vorzugsweise in der Hauptsache nur relativ
hohe Frequenzen des dem Anschluß 24 zugeführten Signals weiter.
Dieser erste Pfad schließt einen Filterkondensator 110 ein,
dessen einer Anschluß mit dem Eingangsanschluß 24 verbunden ist
und dessen anderer Anschluß über den Verbindungspunkt 112 mit
einem Anschluß eines Widerstandes 114 und weiterhin über den
Anschluß 112 mit einem Kondensator 116 verbunden ist. Der Kondensator
116 ist mit einem Widerstand 118 verbunden, der seinerseits
mit dem anderen Anschluß des Widerstandes 114 und damit
mit dem Ausgangsanschluß 120 des spannungsgesteuerten Filters
26 verbunden ist.
Der zweite Übertragungspfad überträgt einen Frequenzbereich,
(der relativ niedrige Frequenzen einschließt)
der in Abhängigkeit von dem dem Steueranschluß 28 des Filters 26
zugeführten Steuersignal veränderlich ist. Dieser zweite Pfad
schließt einen Eingangskondensator 122 ein, der in Serie mit
einem Eingangswiderstand 124 mit dem Eingangsanschluß des Verstärkungssteuermoduls
126 verbunden ist. Das Modul 126 ist zu
den vorstehend beschriebenen Verstärkungssteuereinrichtungen 32 und 32 a äquivalent und
wird daher nicht ausführlicher beschrieben. Allgemein verstärkt
das Modul 126 den dem Eingangsanschluß des Moduls 126 zugeführten
Teil des Signals mit einer Verstärkung, die in Abhängigkeit
von dem dem Steueranschluß 28 zugeführten Steuersignal
veränderlich ist. Die Verstärkung des dem Eingang des
Moduls 126 zugeführten Eingangssignals kann als Verhältnis
der Eingangs- und Ausgangspegel in Dezibel ausgedrückt werden,
so daß sich ein Faktor ergibt, der kleiner als 1 sein kann,
so daß sich eine Kompression ergibt, der gleich 1 sein kann,
so daß sich eine Verstärkung von 1 ergibt oder der größer als
1 sein kann, so daß sich eine Expansion oder Dynamikdehnung
ergibt. Der Ausgang des Verstärkungssteuermoduls 126 wird dem
negativen Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 128 zugeführt.
der positive Anschluß des Verstärkers 128 ist über
einen Widerstand 130 auf Erdpotential des Systems vorgespannt
während der negative Anschluß des Verstärkers 128 über einen
Gegenkopplungskondensator 132 und einen Gegenkopplungswiderstand
134 (der parallel zum Kondensator 132 geschaltet ist)
mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist. Der Ausgang
des Verstärkers 128 ist mit einem Kondensator 136 verbunden,
der seinerseits über den Widerstand 138 mit dem Ausgangsanschluß
120 verbunden ist. Wie dies bereits erläutert wurde,
schließt das Filter 26 einen ersten Pfad (der durch die Kondensatoren
110 und 116 und die Widerstände 114 und 118 gebildet
ist) mit einem festen Übertragungsfrequenzbereich ein, der im
wesentlichen lediglich die relativ hochfrequenten Teile des
Signals am Eingangsanschluß 24 einschließt, und einen zweiten
Pfad ein (der durch die Kondensatoren 122 und 132, die Widerstände
124 und 134, das Verstärkungssteuermodul 126 und den
Operationsverstärker 128 gebildet ist), dessen Übertragungsfrequenzbereich
im wesentlichen lediglich die relativ niederfrequenten
Teile des am Eingangsanschluß 24 erscheinenden Signals
einschließt. In Abhängigkeit von der Größe des dem Steueranschluß
28 zugeführten Steuersignals ändert sich die Verstärkung
des niedrige Frequenzen aufweisenden und über den zweiten
Pfad übertragenen Signals, wodurch andererseits der Übertragungsfrequenzbereich
des zweiten Pfades geändert wird.
Wie es aus der folgenden Beschreibung der Betriebsweise des
Systems anhand der Fig. 5 noch klarer zu erkennen ist, wird,
wenn das dem Eingangsanschluß 24 zugeführte Signal dominierende
hochfrequente Informationen enthält, d. h. mehr Information
in dem hochfrequenten Bereich des Spektrums verglichen mit
der Information in dem niederfrequenten Teil des Spektrums,
ein relativ großes Signal dem Steueranschluß 28 zugeführt,
so daß die Verstärkung des Moduls 126 (die größer als 1 ist)
so eingestellt wird, daß die niederfrequenten Teile des über
den zweiten Pfad übertragenen Signals gegenüber den dominierenden
Hochfrequenzanteilen des über den ersten Pfad übertragenen
Signals verstärkt werden. Wenn umgekehrt das dem Eingangsanschluß
24 zugeführte Signal dominierende niederfrequente
Informationen enthält, d. h. wenn mehr Information in dem
niederfrequenten Bereich des Spektrums verglichen mit der Information
in dem hochfrequenten Teil des Spektrums liegen, so wird
ein derartiges Signal an den Steueranschluß 28 angelegt, daß
die Verstärkung des Moduls 126 (die kleiner als 1 ist) so eingestellt
wird, daß die niederfrequenten Anteile des über den zweiten
Pfad übertragenen Signals gegenüber den hochfrequenten Teilen
des über den ersten Pfad übertragenen Signals abgesenkt
oder abgeschwächt werden. Die über die beiden Pfade übertragenen
Signale werden am Ausgangsanschluß 120 miteinander vereinigt,
worauf sie dem Eingangsanschluß 30 der Verstärkungssteuereinrichtung
32 zugeführt werden, wie dies weiter oben erläutert
wurde. Das in dem Filter 26 preemphasierte Signal
wird dann mit einer Verstärkung verstärkt, die sich entsprechend
der Größe des Steuersignals am Steueranschluß 34 ändert.
Der Ausgang der Verstärkungssteuereinrichtung 32 wird dem Ausgangspuffer 140 zugeführt.
Der Puffer 140 schließt einen Strom-/Spannungskonverter
in Form eines Operationsverstärkers 142 ein, dessen positiver
Anschluß über einen Widerstand 144 mit dem Erdpotential des
Systems verbunden ist und dessen negativer Eingangsanschluß
mit dem Ausgang der Verstärkungssteuereinrichtung 32 sowie mit dem eigenen Ausgang
über einen Gegenkopplungswiderstand 146 und einen Kondensator
148 verbunden ist (der Widerstand 146 und der Kondensator 148
sind miteinander parallel geschaltet).
Der Ausgang des Puffers 140 ist über ein Ausgangsnetzwerk 150
mit dem Ausgangsanschluß 36 des Systems verbunden. Das Netzwerk
150 schließt einen Eingangskondensator 150 ein, der über
einen Vorspannungswiderstand 156 mit dem Erdpotential des Systems
verbunden ist und der mit einem Pol eines Überbrückungsschalters
158 verbunden ist. Dieser Schalter ist mit dem Systemausgangsanschluß
36 verbunden und schaltet in einer ersten in Fig. 3
gezeigten Stellung das Rauschverringerungssystem zwischen den
Eingangsanschluß 22 und den Ausgangsanschluß 36 ein, während
in einer zweiten Stellung der Eingangsanschluß 22 direkt mit
dem Ausgangsanschluß 36 über die Leitung 160 verbunden ist,
so daß das Rauschverringerungssystem überbrückt ist.
Der Ausgang des Puffers 140 ist weiterhin mit dem Bandpaßfilter
40 der Rückführungsschaltung 38 verbunden. Das Bandpaßfilter 40
ist vorzugsweise so ausgelegt, daß es in der Hauptsache die
Teile des Signals überträgt, die zwischen 30 Hz und 10 kHz
liegen, obwohl dieser Durchlaßbereich geändert werden kann.
Das Filter 40 schließt einen Eingangskondensator 162 ein, der
über einen Widerstand 180 mit dem negativen Eingangsanschluß
eines Operationsverstärkers 172 und über die Serienschaltung
eines Kondensators 164 und der Widerstände 166, 168 und 170
mit dem positiven Eingang des Verstärkers 172 verbunden ist.
Der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 164 und dem Widerstand
166 ist über einen Widerstand 174 mit Erdpotential des
Systems verbunden, während der Verbindungspunkt zwischen den
Widerständen 166 und 168 über einen Kondensator 176 mit dem
Erdpotential des Systems verbunden ist und der positive Eingangsanschluß
des Verstärkers 172 ist über einen weiteren Kondensator
178 mit Erdpotential verbunden. Der negative Eingangsanschluß
des Verstärkers 172 ist über einen Kondensator 182
mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 168 und
170 verbunden und außerdem an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen.
Der Ausgang des Filters 40 ist mit den Eingängen des Pegel-
Preemphasis-Filters 72 und des Pegelformulierungsfilters 44 verbunden.
Das Pegel-Preemphasis-Filter 42 ist allgemein ein
Hochpaßfilter, das in der Hauptsache die relativ hochfrequenten
Anteile des Signalausganges des Filters 40 weiterleitet,
während das Pegelformungsfilter 44 allgemein ein Tiefpaßfilter
ist, das in der Hauptsache die relativ niederfrequenten
Anteile des Signalausganges des Filters 40 weiterleitet.
Das in der Zeichnung dargestellte Pegel-Preemphasis-Filter 42
schließt einen Eingangskondensator 194 ein, der über einen
Widerstand 196 und die Serienschaltung eines Widerstandes
198 und eines Kondensators 200 mit dem Ausgang des Filters
verbunden ist. Das Pegelformerfilter 44 schließt vorzugsweise
einen Eingangskondensator 184 ein, der in Serie mit einem Widerstand
186 geschaltet ist, der seinerseits in Serie über einen
Widerstand 188 mit dem Ausgang des Filters verbunden ist. Ein
Nebenschlußkondensator 190 in Serie mit einem Widerstand 192
verbindet den Verbindungspunkt der Widerstände 186 und 188
mit Erdpotential. Die Ausgänge der Filter 42 und 44 sind mit
den Eingängen von logarithmischen Konverterschaltungen 46 bzw.
48 verbunden. Die Schaltungen 46 und 48 arbeiten in der vorstehend
beschriebenen Weise, um einen Gleichspannungsausgang
zu liefern, der logarithmisch auf den Effektivwert der Signale
bezogen ist, die von den Ausgängen der entsprechenden Filter
42 und 44 geliefert werden. Die Größe des Gleichspannungsausganges
der Schaltung 46 hängt damit in der Hauptsache von der
höherfrequenten Information ab, die über das Bandpaßfilter
40 übertragen wird, während die Größe des Gleichspannungsausganges
der Schaltung 48 in der Hauptsache von der niederfrequenten
Information abhängt. Durch Wahl geeigneter Werte für
die einzelnen Teile der Pegel-Preemphasis- und Pegelformer-
Filter 42 und 44 können die amplituden Frequenzgangskurven
im wesentlichen komplementär zueinander gemacht werden, wie
dies noch näher erläutert wird.
Die Ausgänge der Schaltungen 46 und 48 werden über Widerstände
202 bzw. 204 auf eine positive Gleichspannung vorgespannt
und sind mit dem Erdpotential über Kondensatoren 206 bzw. 208
verbunden. Weiterhin ist der Ausgang der Schaltung 48 mit dem
positiven Eingangsanschluß des Pufferverstärkers 210 verbunden,
während der Ausgang der Schaltung 46 mit dem positiven Eingangsanschluß
eines Pufferverstärkers 212 verbunden ist. Der negative
Eingangsanschluß des Verstärkers 210 ist über einen Gegenkopplungswiderstand
214 mit dem Ausgang dieses Verstärkers und über
einen Widerstand 216 mit dem Schleifer eines Potentiometers 218
verbunden. Weiterhin ist der Ausgang des Verstärkers 212 über
Widerstände 234 und 238 mit dem Schleifer eines Potentiometers
240 verbunden. Die Potentiometer 218 und 240 sind vorgesehen,
damit der entsprechende Ausgang der Verstärker 210 und 236 eingestellt
werden kann, um sicherzustellen, daß die Amplituden-
Frequenzgänge zueinander komplementär sind.
Der negative Eingangsanschluß des Verstärkers 212 ist mit seinem
Ausgang über den Rückführungswiderstand 220 verbunden.
Der Ausgang des Verstärkers 210 ist über einen Widerstand 222
mit dem negativen Eingangsanschluß 54 des vorstehend beschriebenen
Differenzverstärkers 50 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers
212 ist über einen Gegenkopplungswiderstand 220 mit
seinem negativen Eingangsanschluß und über einen Widerstand
224 mit dem positiven Eingangsanschluß 52 des Verstärkers 50
verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 50 ist über einen Widerstand
228 und 230 mit dem Steueranschluß 28 des Verstärkungssteuermoduls
126 verbunden. Ein Gegenkopplungswiderstand 232
ist zwischen dem negativen Eingangsanschluß 54 des Verstärkers
50 und dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 228 und
230 eingeschaltet. Der Differenzverstärker 50 vergleicht daher
allgemein die Differenz der Amplitude der Gleichspannungsausgangssignale
der Pufferverstärker 210 und 212 und liefert ein
Ausgangssignal, das auf die Differenz und damit auf die Frequenz
der dominierenden Energie bezogen ist, die den Detektoren 46
und 48 vom Filter 40 geliefert wird.
Zusätzlich ist der Ausgang des Verstärkers 212 vorzugsweise
über einen Widerstand 234 an den negativen Eingang des invertierenden
Verstärkers 236 geführt. Der positive Eingangsanschluß
des Verstärkers 236 ist über einen Widerstand 242 mit
Erdpotential verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 236 ist
über einen Widerstand 244 zum Steueranschluß 34 des Moduls 32
und mit einem Gegenkopplungswiderstand 246 verbunden, der seinerseits
mit dem negativen Eingangsanschluß des Verstärkers 236
verbunden ist. Der Verstärker 236 invertiert allgemein das
Signal, das seinem negativen Eingangsanschluß von dem Pufferverstärker
212 zugeführt wird, um so ein Steuersignal für den
Steueranschluß 34 der Verstärkungssteuereinrichtung 32 zu erzeugen.
Das in Fig. 4 dargestellte Decodiersystem ist ähnlich wie das
Codiersystem nach Fig. 3 aufgebaut, jedoch mit der Ausnahme,
daß das erstere vorzugsweise die niederfrequenten Anteile des
von dem Codiersystem gelieferten codierten Signals E₁ entsprechend
einer Frequenzbewertungsfunktion deemphasiert, die im wesentlichen
das Komplement der Frequenzbewertungsfunktion darstellt,
die bei dem Codierungsvorgang erzeugt wird. Im einzelnen ist
der Eingangsanschluß 22 A mit einem Tiefpaßfilter 20 A verbunden.
Dieses Tiefpaßfilter ist so bemessen, daß die Bandbreite des
dem Anschluß 22 A zugeführten codierten Signals E₁ begrenzt wird
und der Eingangsanschluß 22 A gegenüber dem übrigen Teile des
Systems gepuffert wird. Das Filter 20 A ist gegenüber dem Filter
20 geringfügig abgeändert und weist einen Eingangskondensator
300 auf, der über einen Kondensator 302 und Widerstände
304 und 306 mit dem positiven Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers
308 verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen
den Kondensatoren 300 und 302 ist über einen Widerstand 310
sowohl mit dem negativen Eingangsanschluß als auch dem Ausgang
des Verstärkers 308 verbunden. Ein Kondensator 213 ist
zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 304 und 306 einerseits
und dem negativen Eingangsanschluß des Verstärkers 308
andererseits eingeschaltet. Ein Kondensator 314 ist zwischen
dem positiven Eingangsanschluß des Verstärkers 308 und Erdpotential
eingeschaltet. Der Verbindungspunkt des Kondensators
302 und des Widerstandes 304 ist über einen Widerstand 316 mit
Erdpotential und außerdem mit dem Kontaktarm eines Schalters
318 verbunden. Der Kontaktarm ist zwischen einer ersten Stellung,
in der der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator
302 und dem Widerstand 304 mit einer Leitung 160 A verbunden
ist, und einer zweiten Stellung beweglich, in der der Verbindungspunkt
mit der Leitung 160 A nicht verbunden ist.
Der Ausgang des Filters 20 A ist mit der Vorwärtssteuerschaltung
38 A verbunden, die identisch zur Rückführungsschaltung
38 ist. Der Ausgang des Filters 20 A ist weiterhin über einen
Kondensator 320 und einen Widerstand 322 mit dem Eingangsanschluß
30 A der Verstärkungssteuereinrichtung 32 A verbunden, die
identisch zur Verstärkungssteuereinrichtung 32 nach Fig. 3 ist.
Der Steueranschluß 34 A der
Verstärkungssteuereinrichtung 32 A ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 244 A
und 246 A am Ausgang eines Verstärkers 236 A verbunden, so daß die
Verstärkungssteuereinrichtung 32 A ein Steuersignal von der Vorwärtssteuerschaltung
38 A in ähnlicher Weise empfängt, wie dies anhand der Verstärkungssteuereinrichtung
32 nach Fig. 3 beschrieben wurde. Die von der Verstärkungssteuereinrichtung 32 A hervorgerufene
Verstärkung ist jedoch im wesentlichen das Komplement
der von der Verstärkungssteuereinrichtung 32 erzeugten Verstärkung. Wenn daher die
Verstärkungssteuereinrichtung 32 eine Komprimierung des Signals während des Codierungsvorganges
durchführt, führt die Verstärkungssteuereinrichtung 32 A eine Expandierung
des Signals während des Decodierungsvorganges auf
den ursprünglichen Pegel durch. Der Ausgang der Verstärkungssteuereinrichtung 32 A
ist mit dem Eingangsanschluß 24 A des spannungsgesteuerten
Filters 26 A verbunden. Dieses Filter liefert eine Bewertungs
funktion, die im wesentlichen exakt komplementär zu der
Bewertungsfunktion des Filters 26 des Codierungssystems nach
Fig. 3 ist, so daß, wenn das Filter 26 nach Fig. 3 den niederfrequenten
Anteil des Eingangssignals E in bezüglich der hochfrequenten
Anteile verstärkt, das Filter 26 A in komplementärer
Weise die entsprechenden niederfrequenten Anteil des codierten
Eingangssignals E₁ bezüglich der entsprechenden hochfrequenten
Anteile abschwächt. Das Filter 26 A umfaßt zwei parallele Übertragungspfade für den Signalausgang der Verstärkungssteuereinrichtung 32 A, der einem
Eingang 24 A zugeführt wird. Der erste dieser Pfade weist vorzugsweise
einen im wesentlichen festen Übertragungsfrequenzbereich
auf und läßt vorzugsweise hauptsächlich nur relativ
hohe Frequenzen des dem Eingangsanschluß 24 A zugeführten Signals
durch. Dieser erste Pfad schließt einen Operationsverstärker
324 ein, dessen negativer Eingangsanschluß mit dem
Eingangsanschluß 24 A des Filters 26 A verbunden ist, während
der positive Eingangsanschluß dieses Verstärkers mit dem Erdpotential
über einen Widerstand 326 verbunden ist. Es sind
drei Gegenkopplungspfade zwischen dem negativen Eingangsanschluß
und dem Ausgang des Verstärkers 324 vorgesehen. Der
erste Gegenkopplungspfad besteht aus einem Widerstand 328,
der in Serie mit einem Kondensator 330 geschaltet ist, während
der zweite aus einem Widerstand 332 und der dritte aus einem
Kondensator 334 besteht. Der Ausgang des Verstärkers 324 ist
weiterhin mit dem Eingangsanschluß 120 A des Filters 26 A verbunden.
Der zweite Signalübertragungspfad wird durch einen Gegenkopplungspfad
um den Verstärker 324 herum gebildet und überträgt
Signale über einen Frequenzbereich (der vorzugsweise in der
Hauptsache aus relativ niedrigen Frequenzen besteht), der in
Abhängigkeit von der Amplitude des Steuersignals veränderlich
ist, das dem Steueranschluß 28 A des Filters 26 A zugeführt
wird. Dieser zweite Gegenkopplungspfad schließt einen
Eingangskondensator 348 ein, dessen einer Anschluß mit dem
Ausgang des Verstärkers 324 verbunden ist während der andere
Anschluß mit einem Widerstand 346 verbunden ist. Dieser Widerstand
ist mit seinem anderen Anschluß mit dem Eingangsanschluß
des Verstärkungssteuermoduls 126 A verbunden. Der Ausgang des
Moduls 126 A ist mit dem negativen Eingangsanschluß eines Verstärkers
338 und über einen Kondensator 340 und einen Widerstand
342 (die beide parallel geschaltet sind) mit dem Ausgang
des Verstärkers 338 verbunden. Der positive Eingangsanschluß
des Verstärkers 338 ist über einen Widerstand 344 mit
Erdpotential verbunden, während der Ausgang des Verstärkers
über einen Widerstand 336 mit dem Eingangsanschluß 24 A des
Filters 26 A verbunden ist.
Das Verstärkungssteuermodul 126 A ist identisch zum Modul 126
nach Fig. 3 und wird daher nicht ausführlich beschrieben. Der
Steueranschluß 28 A des Moduls 126 A ist mit der Vorwärtssteuerschaltung
38 A über einen Widerstand 230 mit dem Verbindungspunkt
der Widerstände 228 A und 232 A am Ausgang des Differenzverstärkers
50 A verbunden, so daß das Modul 126 A ein Steuersignal
von der Vorwärtssteuerschaltung 38 A in einer ähnlichen
Weise empfängt, wie dies anhand des Moduls 126 nach Fig. 3 beschrieben
wurde. Die Verstärkung des Moduls 126 A ist jedoch
im wesentlichen das Komplement zur Verstärkung des Moduls 126.
In Abhängigkeit von der Größe des Steuersignals am Steueranschluß
28 A ändert sich die Verstärkung der über den zweiten
Pfad übertragenen niederfrequenten Signalen als Komplement
der Verstärkung, die in dem entsprechenden Pfad während des
Codierungsvorganges hervorgerufen wurde. Dies bewirkt, daß
der Übertragungsfrequenzbereich des zweiten Pfades des Decodierungssystems
derart geändert wird, daß die niederfrequenten
Anteile des Signals bezüglich der hochfrequenten Anteile dieses
Signals so wiederhergestellt werden, wie sie waren, als sie
dem Eingangsanschluß 22 des Codiersystems nach Fig. 3 zugeführt
wurden, jedoch ohne daß das Rauschen bei Frequenzen moduliert
wird, die keine oder nur geringe Signalenergie aufweisen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel haben die verschiedenen
Widerstände und Kondensatoren nach den Fig. 3 und 4
die folgenden in Tabelle I gezeigten Werte:
In der vorstehenden Tabelle bezeichnen die vorangestellten
Buchstaben R bzw. C einen Widerstand bzw. einen Kondensator,
auf dessen Wert die spezielle Bezugsziffer bezug nimmt. Die
Bezeichnung µF bezieht sich auf Mikrofarad, nF bezieht sich
auf Nanofarad, pF bezieht sich auf Picofarad, K bezieht sich
auf Kiloohm und M bezieht sich auf Megohm.
Bei diesen Werten für die einzelnen Bauteile der Schaltungen
nach Fig. 3 und 4 können die Amplituden-Frequenzgänge der
Filter und die Betriebsweise der Ausführungsform anhand der
Fig. 5 bis 7 erläutert werden.
Bei der Codierung des dem Eingangsanschluß 22 nach Fig. 3 zugeführten
Eingangssignals wird das System durch das Tiefpaßfilter
20 übertragen, das Frequenzen unterhalb von ungefähr
30 kHz zum Eingangsanschluß 24 des spannungsgesteuerten Filters
weiterleitet. Die Übertragung über den durch die Kondensatoren
110 und 116 und die Widerstände 114 und 118 gebildeten ersten
Pfad schließt in der Hauptsache den hochfrequenten Anteil des
dem Anschluß 24 zugeführten Signals ein und diese Übertragung
ist idealisiert in Fig. 5A gezeigt. Der Übertragungspfad beginnt
mit der Übertragung bei einer Frequenz von ungefähr 140 Hz
und der Anstieg erfolgt mit ungefähr +6 dB/Oktave bis 2120 Hz,
von wo ab die Übertragung gleichförmig verläuft. Die Amplituden-
Frequenzgangskurve bleibt unabhängig von dem Energieinhalt
des Eingangssignals E in relativ gleich.
Andererseits schließt die Übertragung über den zweiten Pfad,
der durch die Kondensatoren 122, 132 und 136, die Widerstände
124, 134 und 138, das Verstärkungssteuermodul 126 und den Verstärker
128 gebildet ist, hauptsächlich den niederfrequenten
Energieanteil des dem Anschluß 24 zugeführten Signals ein und
ist grob in Fig. 5B gezeigt. Der Übertragungspfad überträgt
alle Frequenzen unterhalb von ungefähr 480 Hz und von dieser
Frequenz an fällt die Amplituden-Frequenzgangskurve mit einer
Rate von -6 dB/Oktave ab. Die Amplitude dieser Kurve verschiebt
sich, wenn sich eine Änderung der Energie-Frequenzverteilung des
Eingangssignals über allgemein den gesamten Frequenzbereich
ergibt. Die Amplitudendurchlaßkurve verschiebt sich jedoch
auch mit Änderungen der Verstärkung des Verstärkungssteuermoduls
126, so daß der Übertragungspegel des Übertragungspfades
verschoben wird. Wenn daher die Übertragungspfade am
Anschluß 120 kombiniert werden, ändert sich die Amplitude des
Anteils bei niedrigeren Frequenzen des Signals am Anschluß 120
bezüglich des Anteils mit höheren Frequenzen in Abhängigkeit
von der Verstärkung des Verstärkungssteuermoduls 126.
Die Verstärkung des Verstärkungssteuermoduls 126 hängt von
dem Gleichspannungsausgangssignal des Differenzverstärkers 50
ab, der seinerseits von den Ausgängen der Verstärker 210 und
212 abhängt und der Ausgang dieser Verstärker ist wiederum abhängig
von den Ausgängen der logarithmischen Konverterschaltungen
48 bzw. 46. Der Ausgang der logarithmischen Konverterschaltung
46 wird hauptsächlich von der Hochfrequenz-Information abgeleitet,
während der Ausgang der logarithmischen Konverterschaltung
48 hauptsächlich von der niederfrequenten Information abgeleitet
wird, die in dem der Rückführungsschaltung 38 zugeführten
Signal enthalten ist. Wenn daher der Gleichspannungsausgang
des Verstärkers 212 größer als der Gleichspannungsausgang
des Verstärkers 210 ist, was anzeigt, daß eine größere
Energiemenge in dem hochfrequenteren Anteil des Signals als
im niederfrequenteren Anteil des Signals vorhanden ist, so
ist der Ausgang des Verstärkers 50 ein positives Gleichspannungssignal,
dessen Größe von der den Eingangsanschlüssen zugeführten
Eingangssignale abhängt. Das positive Gleichspannungsausgangssignal
des Verstärkers 50 wird dem Steueranschluß 28 des Verstärkungssteuermoduls
126 zugeführt, so daß dieses eine Verstärkung von
größer als 1 liefert und die niederfrequente Energie wird
gegenüber der höherfrequenten Energie verstärkt. Der Ausgang
des Anschlusses 120 weist dann einen Amplituden-Frequenzgangsverlauf
auf, der den Kurven 6 A oder 6 B nach Fig. 6 ähnlich ist.
Die Kurven 6 A und 6 B zeigen die Frequenz-Amplituden-Durchlaßkurven
von zwei Eingangssignalen, die eine dominierende Energie
bei 10 kHz bzw. 2 kHz aufweisen.
Wenn die Ausgänge der Verstärker 210 und 212 im wesentlichen
gleich sind, was anzeigt, daß eine gleiche Energiemenge in
den höher- und niederfrequenten Anteilen des Signals vorhanden
ist, so sind die den Eingängen des Verstärkers 50 zugeführten
Eingangssignale gleich. Der Ausgang des Verstärkers
50 ist daher derart, daß das Modul 126 eine Verstärkung von 1
ergibt, so daß die niederfrequente Information bezüglich der
höheren Frequenzanteile weder verstärkt noch abgeschwächt wird,
so daß sich eine Frequenzgangskurve ähnlich der Kurve 6 C nach
Fig. 6 ergibt. Fig. 6C zeigt die Frequenz-Amplituden-Durchlaßkurve
eines Eingangssignals mit einer dominierenden Energie
bei 1 kHz. Wie dies gezeigt wurde, tritt diese Kurve 6 C bei
einer Verstärkung von 1 auf, wenn der Energieinhalt der höher-
und niederfrequenten Anteile des Signals ungefähr gleich ist,
während ein Minimum von ungefähr -6 dB bei 1 kHz hervorgerufen
wird. Dies ist bedeutsam, weil die Eingänge an den Verstärker
50 von der Größe der Energie in dem dem Rückführungspfad 38
zugeführten Signal in dem Frequenzbereich von 140 und 2120 Hz
abhängen (die allgemein als Mittenfrequenzen betrachtet werden,
bei denen typischerweise der größte Teil der Energie von Programmeingangssignalen
vorhanden ist), während die Auswirkung
auf das Signal zwischen diesen Frequenzen minimal ist, wie
dies die Kurve 6 C zeigt.
Wenn schließlich der Ausgang des Verstärkers 212 kleiner als
der Ausgang des Verstärkers 210 ist, was eine größere Energiemenge
in dem niederfrequenten Teil des Signals als im hochfrequenten
Bereich anzeigt, so ist der Ausgang des Verstärkers
50 ein negatives Gleichspannungssignal, dessen Größe von der
Größe der Differenz der Größe der Signale abhängt, die den
Eingangsanschlüssen des Verstärkers zugeführt werden. Das
negative Gleichspannungsausgangssignal des Verstärkers 50
wird dem Steueranschluß 28 des Verstärkungssteuermoduls 126
zugeführt, so daß dieses eine Verstärkung von weniger als 1
ergibt und die niederfrequentere Energie wird bezüglich der
höherfrequenten Energie abgeschwächt. Bei einem derartigen
Fall weist der Ausgang am Anschluß 120 eine Amplituden-Frequenzdurchlaßkurve
ähnlich den Kurven 6 D, 6 E oder 6 F nach
Fig. 6 auf. Die Kurven 6 D, 6 E und 6 F zeigen die Frequenz-
Amplituden-Durchlaßkurven von drei Eingangssignalen, deren
dominierende Energie bei 500 Hz, 200 Hz bzw. 50 Hz liegt.
Nachdem das Eingangssignal im Filter 26 einer Preemphasis
unterworfen wird, wird dieses Signal in einer Verstärkungssteuereinrichtung
32 in ähnlicher Weise komprimiert, wie dies in
der US-Patentschrift 37 89 143 beschrieben ist. Insbesondere
stellt die Verstärkungssteuereinrichtung 32 den Ausgang des Filters 26 fest und dient
zur Steuerung der dem Ausgang aufgeprägten Verstärkung proportional
zum Steuersignal, das von dem Ausgang des Verstärkers
236 der Rückführungsschaltung 38 an den Steueranschluß
34 geliefert wird. Die Verstärkungssteuereinrichtung 32 damit eine Kompression,
bei der die Eingangspegel zu den Ausgangspegeln in Dezibel
aufeinander über einen im wesentlichen konstanten Faktor bezogen
sind, der kleiner als 1 ist. Es sei bemerkt, daß das der
Verstärkungssteuereinrichtung 32 zugeführte Steuersignal von der Hochfrequenzenergie
des Signals abgeleitet wird und daher nicht durch
die veränderliche Verstärkung beeinflußt wird, die durch das
Filter 26 hervorgerufen wird und weil die veränderliche Verstärkung
des Filters 26 nur den niederfrequenten Anteil des
Signals beeinflußt, ist die Übertragung des hochfrequenten
Anteils des Signals im wesentlichen unabhängig von dem Energiegehalt
des durch das Filter übertragenen Signals.
Bei der Wiedergabe des codierten Signalausganges des Codierers
nach Fig. 3 mit Hilfe des Decodierers nach Fig. 4 wird das
codierte Signal in komplementärer Weise behandelt, um ein
decodiertes Signal zu erzielen. Die Vorwärtssteuerschaltung
38 A arbeitet in der gleichen Weise wie die Rückführungsschaltung
38, so daß, wenn die niederfrequente Energie bezüglich
der höherfrequenten Energie des Programmeingangssignals während
des Codierungsprozesses geändert wird, die niederfrequente
Energie des codierten Signals bezüglich der höherfrequenten
Energie während des Decodierungsvorganges in komplementärer
Weise geändert wird. Wenn weiterhin das Programmeingangssignal
durch die Verstärkungssteuereinrichtung 32 während des Codierungsvorganges
komprimiert wird, so wird das codierte Signal in
komplementärer Weise durch die Verstärkungssteuereinrichtung 32 A
während der Decodierung oder Wiedergabe expandiert.
Eine typische Einton-Durchlaßkurve des beschriebenen Codierungs-
und Decodierungssystems ist in Fig. 7 gezeigt. Die Kurve 7 A
zeigt ein codiertes Signal am Ausgangsanschluß 36 des Codierers
wenn ein Einton-Programmeinrichtungssignal an den Eingangsanschluß
22 angelegt wird. Wenn ein Einton-Signal über den Eingangsanschluß
22 A des Decodierers angelegt wird, so ist die Amplituden-
Frequenz-Durchlaßkurve ähnlich der nach Fig. 7 B. Ein Einton-
Programmsignal, das über einen Codierer und einen dazu in Reihe
geschalteten Decodierer übertragen wird, erzeugt eine im wesentlichen
ebene Frequenz-Amplituden-Durchlaßkurvendarstellung.
Die durch die beschriebenen Codierungs- und Decodierungssysteme gebildete Filteranordnung
verringert die Rauschmodulation in wenig aufwendiger und
unkomplizierter Weise, ohne daß Frequenzgangfehler
multipliziert werden.
Es ist zu erkennen, daß die Filter 16 und 16 A ohne eine Komprimierung
und Expandierung des übertragenen Signals einfach dadurch
verwendet werden kann, daß die Verstärkungssteuereinrichtung
32 des Codierers nach Fig. 1 entfernt wird und der Ausgang
des Filters 26 direkt mit dem Ausgangsanschluß 36 und dem Eingang
des Bandpaßfilters 40 der Rückführungsschaltung 38 verbunden
wird. In gleicher Weise kann die Verstärkungssteuereinrichtung
32 A des Decodierers nach Fig. 2 entfernt werden und der Ausgang
des Bandpaßfilters 20 A wird direkt mit dem Eingang des spannungsgesteuerten
Filters 26 A sowie mit dem Eingang des Bandpaßfilters
40 A der Vorwärtssteuerschaltung 38 A verbunden. Die Filter ergeben
ein Rauschverringerungssystem durch eine Preemphasis
des Spektralbereiches der dominierenden Signalenergie des übertragenen
Signals bei der Codierung und eine Deemphasis des
codierten Signals in komplementärer Weise bei der Wiedergabe
des codierten Signals. Die Eigenart der Pegel-Preemphasis-
Filter 42 und 42 A und der logarithmischen Konverterschaltungen
46 und 46 A ist daher so, daß diese Schaltungen zwei Funktionen
in dem Kompandor nach den Fig. 1 und 2 erfüllen, d. h. sie
wirken als Detektor oder Frequenzdiskriminator eines Spektralbereiches
des übertragenen Signals zur Erzeugung des Steuersignals,
das den Steueranschlüssen 28 und 28 A zugeführt wird
und sie liefern ein Steuersignal zur Steuerung der Verstärkungssteuereinrichtungen
32 und 32 A.
Das beschriebene System ergibt eine rauschverringernde adaptive
Signalbewertungs-Filteranordnung, bei der eine adaptive
Signalbewertung in einer Weise durchgeführt wird, die unabhängig
von den Pegeleinstellforderungen bei den Codier- oder
Decodiersystemen ist.
Weiterhin werden alle Steuerfunktionen des Systems durch Signalverhältnisse
und nicht durch Absolutwerte bestimmt. Insbesondere
wird die Verstärkungssteuerung proportional von
dem Effektivwert des Tonfrequenz-Eingangssignals abgeleitet.
Weiterhin hängt die relative Preemphasis der niedrigfrequenten
und höherfrequenten Anteile des Tonfrequenzspektrums des Signals
von der Mittelfrequenzinformation ab, bei der üblicherweise
der größte Teil des Signals vorhanden ist. Bei der dargestellten
bevorzugten Ausführungsform liegt der geneigte Teil
der Durchlaßkurve nach Fig. 5A zwischen 140 Hz und 2120 Hz
während der Abfall der Kurve nach Fig. 5B bei 480 Hz beginnt.
Weiterhin ist die der Verstärkungssteuereinrichtung 32 gelieferte Verstärkung von
der Hochfrequenzenergie des Signals abhängig, die im wesentlichen
unabhängig von der Größe der Preemphasis der niedrigfrequenteren
Energie ist.
Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird die tieferfrequente Energie des
Einganges bei der Codierung einer Preemphasis gegenüber der
Hochfrequenzenergie unterworfen, wobei eine komplementäre
Deemphasis bei der Wiedergabe bewirkt wird. Stattdessen kann
genauso der Übertragungsbereich des niederfrequenten Pfades
der spannungsgesteuerten Filter 26 und 26 A festgelegt werden,
während das Hochfrequenz-Durchlaßverhalten des anderen Pfades
veränderlich gemacht wird. In einem derartigen Fall würde die
niederfrequente Komponente des Signals (die von den Verstärkern
210 und 210 A abgeleitet wird) dem Steueranschluß 34 bzw. 34 A
der entsprechenden Verstärkungssteuereinrichtungen 32 bzw. 32 A zugeführt.
Claims (12)
1. Adaptive Signalbewertungs-Filteranordnung zur Übertragung eines
elektrischen Signals über einen Signalweg, mit einem steuerbaren Filter,
dessen Frequenzgang sich in Abhängigkeit von einem Filtersteuerungssignal
ändert, und mit einer Steuereinrichtung zur Erzeugung des Filtersignals,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung (16)
- - eine erste Detektoreinrichtung (42, 46) zur Messung der Signalenergie des übertragenen Signals in einem ersten Spektralbereich und zur Erzeugung eines ersten diese Signalenergie darstellenden Signals,
- - eine zweite Detektoreinrichtung (44, 48) zur Messung der Signalenergie des übertragenen Signals in einem zweiten Spektralbereich und zur Erzeugung eines zweiten diese Signalenergie darstellenden Signals, und
- - eine Vergleichseinrichtung (50) zum Vergleich des ersten Signals mit dem zweiten Signal und zur Erzeugung des Filtersteuersignals in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs einschließt, und
daß das steuerbare Filter (26) den Spektralbereich der dominierenden
Signalenergie des übertragenen Signals bezüglich zumindestens eines
weiteren Spektralbereichs des übertragenen Signals als Funktion des
Filtersteuersignals ändert.
2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Detektoreinrichtung
(42, 46, 44, 48) jeweils einen logarithmischen Konverter (46,
48) einschließen, der das erste bzw. zweite Signal derart erzeugt, daß
dieses Signal logarithmisch auf die Effektivamplitude der Signalenergie
in dem ersten bzw. zweiten Spektralbereich bezogen ist.
3. Filteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vergleichereinrichtung (50)
durch eine Einrichtung zur Messung der Differenz zwischen dem ersten
und dem zweiten Signal gebildet ist.
4. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem Signalweg in Serie mit dem
Filter (26) eine Verstärkungssteuereinrichtung (32) eingeschaltet ist,
die eine Verstärkung des übertragenen Signals hervorruft, die von einem
der ersten und zweiten Signale abhängt.
5. Filteranordnung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Spektralbereich die höheren
und der zweite Spektralbereich die niedrigen Frequenzen einschließt
und daß die Verstärkung eine Funktion des ersten Signals ist.
6. Filteranordnung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das erste Signal ein Gleichspannungssignal
ist, dessen Amplitude von der Energie in dem mittleren Frequenzteil
des übertragenen Signals abhängt.
7. Filteranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die veränderliche Verstärkung
größer als 1 ist, so daß das übertragene Signal expandiert wird.
8. Filteranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die veränderliche Verstärkung
kleiner als 1 ist, so daß das übertragene Signal komprimiert wird.
9. Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten
Spektralbereiche einander ausschließen und daß der eine Spektralbereich
die niedrigen Frequenzen und der andere Spektralbereich die höheren
Frequenzen einschließt.
10. Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem
Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß an entgegengesetzten Enden
des Signalwegs, dadurch gekennzeichnet, daß das
Filter (26) in dem Signalweg angeordnete und zwischen dem Eingangsanschluß
(22) und dem Ausgangsanschluß (36) angeschaltete Einrichtungen
einschließt, die zwei parallele Übertragungswege bilden, von denen der
erste Übertragungsweg (110-118) feste Übertragungseigenschaften über
einen ersten Frequenzbereich aufweist, während der zweite Übertragungsweg
(110-118) einen höheren Frequenzbereich durchlassen,
während die Frequenzübertragungseigenschaften des zweiten Übertragungsweges
(122-138) veränderliche Übertragungseigenschaften über einen zweiten
Frequenzbereich aufweist, daß sich veränderlichen Übertragungseigenschaften
in Abhängigkeit von der Amplitude des Filtersteuersignals
ändern, daß die Frequenzübertragungseigenschaften des einen Übertragungsweges
(119-118) einen höheren Frequenzbereich durchlassen,
während die Frequenzübertragungseigenschaften des zweiten Übertragungsweges
(122-138) den niedrigen Frequenzbereich durchlassen, und daß
eine Einrichtung (120) zur Kombination der Ausgangssignale der beiden
Übertragungswege vorgesehen ist, die ein kombiniertes Signal entlang
des Signalübertragungsweges liefert.
11. Filteranordnung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Übertragungsweg (110-118)
feste Übertragungseigenschaften über einen Bereich relativ hoher
Frequenzen aufweist, während der zweite Übertragungsweg veränderliche
Übertragungseigenschaften über einen Bereich relativ niedriger
Frequenzen aufweist.
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