DE2812431A1

DE2812431A1 - Verstaerker mit veraenderbarem uebertragungsmass

Info

Publication number: DE2812431A1
Application number: DE19782812431
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Ing Schroeder
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson oHG
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1978-03-22
Publication date: 1979-09-27
Also published as: GB2017458A; MY8500624A; JPS54128248A; HK68784A; IT7920670A0; AU518353B2; AU4514679A; US4270103A; IT1111123B; SG22484G; GB2017458B

Description

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Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Theodor-Stern-Kai 1

6000 Prankfurt/Main 70

Hannover, den 17-03.1978 KE2-Kör/gn

Verstärker mit veränderbarem Übertragungsmaß

Es ist bekannt, die Qualität der Wiedergabe von Tonfrequenzdarbietungen durch Vergrößern des Signal-Rausch-Abstandes durch ein Kompression-Expansion-System (sogenanntes Kompander-System) zu verbessern. Die Nutzsignale werden vor dem gestörten Übertragungsweg, z.B. Leitung oder Tonband, in ihrer Amplitude . komprimiert und nach der Übertragung expandiert. Bei Kompandern für professionelle Anwendung wird angestrebt, eine vollkommen konstante Neigung der Kompander- bzw. Expander-Kennlinien über einen möglichst großen Regelbereich zu erzielen. Der Vorteil solcher Kennlinien besteht darin, daß der Eingangspegel des Expanders von dem Ausgangspegel des Kompressors abweichen kann, ohne daß sich der Dynamikverlauf des wiedergegebenen Signals von dem Dynamikverlauf des ursprünglichen Signals unterscheidet,

Dieser für professionelle Anwendungen erwünschte große Regelbereich läßt sich jedoch mit der bei Konsumanwendungen geforderten Kompatibilität mit Übertragungseinrichtungen konstanter Verstärkung nicht vereinbaren. Die Wiedergabe eines derart komprimierten Signals ohne Expander hört sich schlecht an, da z.B. Störungen in Pausen des Eingangssignals stark angehoben sind. Ebenfalls unzureichend ist der Höreindruck bei einem unkomprimierten Signal, dai über einen Expander mit einer oben erwähnten Regelkennlinie wiedergegeben wird. Hierbei tritt nämlich eine sehr übertriebene Dynamik der Darbietung auf.

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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, einen Verstärker zu schaffen, der als Anwendung in einem Kompander eine Kompatibilität mit hinsichtlich der Dynamik linear arbeitenden Systemen gestattet und bei dem die Pegelunabhängigkeit von Kompressorausgangs- und Expandereingangssignal weitgehend erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den tint er ansprächen wiedergegeben.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert.

In Fig. 1 ist ein Pegeldiagramm in üblicher Darstellung wiedergegeben. Die zu verarbeitenden Eingangssignale IL einer Kompressionsschaltung liegen auf der Abszisse und steigen in ihrem Absolutwert von links nach rechts an. Die Ausgangssignale IL der Kompressionsschaltung liegen auf der Ordinate und steigen von unten nach oben an. Durch die gestrichelt gezeichnete Gerade 1 ist die Zuordnung zwischen dem Kompressorausgangssignal TJp und dem Kompressoreingangssignal IL gegeben. Diese Kennlinie verläuft im Idealfall als Gerade mit unendlicher Ausdehnung durch den ersten und dritten Quadranten sowie den Nullpunkt des dargestellten Diagramms. Bei einem angenommenen Kompressionsgrad von 2 : 1 beträgt die Steigung der Kompressionskennlinie 1:2.

Die Eingangssignale U, einer der Kompressionsschaltung komplementären Expansionsschaltung liegen in dem dargestellten Pegeldiagramnt ebenfalls auf der Abszisse und steigen von links nach rechts an. Die Ausgangssignale IL liegen auf der Ordinate und steigen von unten nach oben an. Die Zuordnung der Expanderausgangssignale zu den Expandereingangssignalen ist durch die punktierte Kennlinie 5 bestimmt. Auch diese Kennlinie verläuft im Idealfall als Gerade mit unendlicher Ausdehnung durch den ersten und dritten Quadranten sowie den Nullpunkt des dargestellten Diagramms. Ihre Steigung beträgt entsprechend einem Expansionsgrad von 1 : 2 2 : 1.

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Durch Überlagerung der Kennlinien 1 und 5 ergibt sich eine Kennlinie 3» d-ie in der Zeichnung als strichpunktierte Gerade mit einer Steigung von 1 : 1 dargestellt ist. Die praktische Ausführung eines als Kompressor oder Expander betriebenen Verstärkers entsprechend der Kennlinien 1 bzw. 5 würde bedeuten, daß dessen Übertragungemaß auf Werte zwischen null und unendlich einstellbar sein muß. Diese Forderung ist nicht durchführbar; man bemüht sich aber, die Grenzen des Variationsbereichs des Übertragungsmaßes so zu legen, daß der Kennlinienverlauf innerhalb des benutzten Arbeitsbereichs linear ist. Als Arbeitsbereich wird da~bei der Pegelbereich oberhalb des Verstärkereigenrauschens und unterhalb der Übersteuerungsgrenze angesehen.

Um gemäß der.der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe eine Kompatibilität mit linear arbeitenden Systemen, zu erreichen, wird - abweichend von diesem Prinzip - der Verstärker so aufgebaut, daß sein Übertragungsmaß nur zwischen einem ersten und zweiten Eingangspegel veränderbar ist. Unter dem ersten und zweiten Eingangspegel wird verstanden, daß in einer bestimmten Betriebsart diese Pegel einen festen Wert haben. Es kann natürlich möglich sein, mehrere Betriebsarten vorzusehen, bei denen dann die Pegel wahlweise festgelegt werden können.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung liegt für dasKompander^ eingangssignal der erste (niedrige) Pegel bei -30 dB und der zweite (hohe) Pegel bei +10 dB. Zwischen diesen beiden Pegeln deckt sich daher die Kompressorkennlinie der erfindungsgemäßen Ausführungsform mit der oben beschriebenen idealen Kennlinie Unterhalb des ersten und oberhalb des zweiten Pegels knickt die Kennlinie in der Weise ab, daß die entsprechenden Kennlinien-. zweige 2 mit einer Steigung von 1:1 weiterlaufen. Das bedeutet., daß unterhalb des ersten Pegels und oberhalb des zweiten Pegels der Verstärker eine konstante Verstärkung aufweist, wobei der Verstärkungsfaktor bei dem ersten Pegel einen anderen Wert hat als bei dem zweiten Pegel.

Komplementär zu der Kompressorkennlinie ist die Expanderkenn-

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linie ausgebildet. Der erste Pegel liegt "bei einem Expandereingangssignal von -I5 dB, der zweite Pegel bei einem Expandereingangssignal von +5 dB. Unterhalb des ersten und oberhalb des zweiten Pegels verläuft auch die Expanderkennlinie 4- mit einer Steigung von 1 : 1, d.h. der Verstärkungsfaktor der Expanderschaltung ist in diesen Bereichen unabhängig vom Eingangspegel; die dem ersten und zweiten Pegel zugeordneten Verstärkungsfaktoren sind aber unterschiedlich.

Eine Überlagerung der Kompressor- und Expanderkennlinien führt zu einer resultierenden Kennlinie, die der strichpunktierten Geraden 3 mit der Steigung 1 : 1 entspricht. Der Dynamikverlauf eines von dem Kompressor und dem Expander bearbeiteten Nutzsignals entspricht also dem Dynamikverlauf des ursprünglichen Signals.

Die Einschränkung des Pegelbereichs, in dem die Signale komprimiert bzw. expandiert werden, hat zur Folge, daß sehr kleine Signale von der Kompression bzw. Expansion ausgeschlossen werden. Der Kompander verarbeitet diese Signale also genauso wie ein linearer Verstärker mit konstanter Verstärkung. Auch Signale mit besonders hoher Amplitude werden von dem Kompander in gleicher Weise verarbeitet wie bei einem linearen Verstärker mit konstanter Verstärkung. Diese Behandlung der Hutzsignale ermöglicht eine Kompatibilität des Systems mit linear arbeitenden Verstärkern.

Bei der Wiedergabe von durch den Kompressor bearbeiteten Signalen ohne Expander erfolgt keine extreme Anhebung des Störpegels im Eingangssignal, da kleine Signale^ z.B. Rauschen eines Eingangsverstärkers von der Kompressionswirkung lediglich entsprechend der Kennlinie 2 um 15 dB angehoben werden und nicht entsprechend der Kennlinie 1 wesentlich mehr. Auch die Wiedergabe unkomprimierter Signale über den Expander führt nicht zu dem eingangs erwähnten übertriebenen Dynamike.indruck, da Signale mit großer Amplitude nicht noch weiter· angehoben und Signale mit kleiner Amplitude nicht noch weiter abgesenkt werden.. Die Pegelbereiche, die für eine kompatible Behandlung

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kritisch;sind, werden also linear verarbeitet.

Durch den konstanten Kompressions- bzw. Expansionsgrad zwischen dem ersten und zweiten Pegel - dargestellt durch die linearen Kennlinienabschnitte zwischen dem ersten und zweiten Pegel - bleibt auch bei Pegel_wunterschieder> zwischen dem Kompressorausgangssignal und dem Expandereingangssignal der ursprüngliche Dynamikverlauf erhalten. Lediglich an den Vereinigungspunkten der Kennlinien 1/2 bzw. 4/5 bei kleinen und großen Pegeln kann es - bei Pegelunterschieden zwischen dem Kompressorausgangssignal und Expandereingangssignal - zu Dynamikverzerrungen kommen.

Die Schaltung wird daher vorteilhaft so bemessen, daß die Bereiche unterhalb des ersten und oberhalb des zweiten Pegels bei den vorgesehenen Audioprogrammen selten angesteuert werden. Im übrigen zeigt ein Höreindruck, daß Dynamikverzerrungen in diesen Bereichen nicht so störend empfunden werden wie in mittleren Bereichen. Die im Zusammenhang mit dem idealen Kompander erwähnte Pegelunabhängigkeit zwischen dem Kompressorausgangi-und Expandereingangssignal bleibt daher bei der Erfindung weitgehend erhalten.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Schaltung zeigt einen Dynamikkompressor mit einem Kompressionsgrad von 2 : 1. Sie enthält zwei gleichartige in Kette geschaltete Verstärker 9 und 15 mit elektronisch steuerbaren Widerständen 12 und 18 in der Rückführung zur Veränderung des Übertragungsmaßes. Jeder elektronisch steuerbare Widerstand 12, 18 besitzt einen Steuereingang 13, 19, der mit dem Ausgang eines Steuerspannungserzeugers 21 verbunden ist. Ein Eingang des Steuerspannungserzeugers 21 ist mit dem Ausgang des zweiten Kettenverstärkers 15 verbunden. Das Nutzsignal ist einer Eingangsklemme 6 zugeführt, die über einen Widerstand 8 mit dem Eingang des.ersten Kettenverstärkers 9 verbunden ist. Das komprimierte Nutzsignal ist an einer Ausgangsklemme 2 abgreifbar, die mit dem Ausgang des ersten Kettenverstärkers 9 verbunden ist. Der Ausgang des ersten Kettenverstärkers 9 ist

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über einen Widerstand 14- mit dem Eingang des zweiten Kettenverstärkers 15 verbunden.

Erfindungsgemäß ist zwischen den Steuereingängen 13, 19 elektronischen steuerbaren Widerstände 12, 18 und dem Ausgang des Steuerspannungserzeugers 21 ein Begrenzungsglied 20 angeordnet, durch das die untere und obere Grenze des Variationsbereichs der Steuerspannung festgelegt ist. Dieses Begrenzungsglied kann auch in den SteuerSpannungserzeuger 21 integriert sein oder der Steuerspannungserzeuger 21 kann so ausgebildet sein, daß er selbst als Begrenzer dient.

Über diese Maßnahmen hinaus ist bei der dargestellten Schaltungsanordnung jeder elektronisch steuerbare Widerstand 12, mit einer Parallelimpedanz 11, 17 und einer Serienimpedanz 10, 16 beschaltet. Dadurch ist der Stellbereich der in der Rückführung der Kettenverstärker angeordneten Impedanzen insgesamt eingeengt.

Die Beschaltung kann gemäß Fig. 2 so ausgeführt sein, daß parallel zu dem elektronisch steuerbaren Widerstand 12, 18 eine Parallelimpedanz 11, 1? angeordnet ist und in Serie zu der Parallelschaltung eine Serienimpedanz 10, 16 angeordnet ist.

Eine andere Variante ist in der Ausschnittzeichnung in Fig. für die Schaltelemente 12, 11, 10 wiedergegeben. Hierbei ist die Serienkapazität 10 in Serie zu dem elektronisch steuerbaren Widerstand 12 geschaltet und parallel zu der Serienschaltung die Parallelimpedanz 11 angeordnet.

Eine ähnliche Beschaltung ist auch dann anwendbar, wenn der elektronisch steuerbare Widerstand nicht im Rückführungszweig sondern im Signalweg oder zwischen dem Signalweg und einer Bezugsspannung angeordnet ist. Entscheidend ist dabei immer, daß der Stellbereich des elektronisch steuerbaren Widerstandes 12, 18 eingeengt wird. Es ist auch ein elektronisch steuerbarer Widerstand geeignet, der durch seine Bauart einen oberen und/ oder unteren Widerstandsgrenzwert besitzt.

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Es Ist"auch möglicli bei einem erfindungsgemäßen Verstärker nur einen steuerbaxen Widerstand mit begrenztem Stellbereich oder nur einenBegrenzer der Steuerspannung vorzusehen. Ferner ist es möglich, die eine Grenze für die Änderung des Übertragungsmaßes durch einen im Stellbereich begrenzten elektronisch steuerbaren Widerstand und die andere Grenze durch den Begrenzer der Steuerspannung festzulegen.

Die obere Grenze des Variationsbereichs des Übertragungsmaßes kann aucii dadurch festgelegt werden, daß statt der in Fig. 2 dargestellten Kettenverstärker in invertierender Beschaltung Eettenverötärker innichtiavertierender Beschaltung vorgesehenwerden:.

Im übrigen ergibt sich für ein Kompandersystem, bei dem die Dynamiknicht-vordem Steüerspannungserzeuger auf den stationären Wert von O dB reduziert wird, auch die Möglichkeit, einen Begrenzer bezüglich der Eingangswechselspannung des Steuerspännungserzeugers vorzusehen.

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Claims

Pat ent anspräche

Verstärker mit veränderbarem Übertragungsmaß, dadurch ge- ^' kennzeichnet, daß das Übertragungsmaß nur zwischen einem r; ersten und zweiten Eingangspegel veränderbar ist.

2. Verstärker mit veränderbarem Übertragungsmaß für ein Kompandersystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsmaß unterhalb eines ersten Pegels und oberhalb eines zweiten Pegels konstant ist,wobei der erste Pegel kleiner ist als

Λ der zweite Pegel und daß das Übertragungsmaß zwischen dem ν ersten und zweiten Pegel pegelabhängig ist.

;3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2 mit Mitteln zum Ändern des .!■^"-■""^tib.eTtrag^ing-smaBe.s,, dessen Steuere ingänge mit dem Ausgang _: eInes .Steuerspannungserzeugers verbunden sind, dadurch gev kennzeichnet, daß der Steuerspannungserzeuger (21) Begren- * zungstiittel (20) zur Festlegung der oberen und/oder unteren Grenze des Variationsbereichsmeiner Steuerspannung enthält.

4. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2 mit Mitteln zum Ändern

- -desÜbertragungsmaßes, dessen Steuereingänge mit dem Ausgang :eines SteuerSpannungserzeugers verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerspannungserzeüger (21) hinsichtlich des yariationsbereichs seiner Steuerspannung selbst Begrenzer ist. ν. .._

5, Verstärker nach Anspruch 1 oder 2 mit Mitteln zum Ändern des ^aertraRunKsmaßes, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Indern des Übertragungsmaßes (12, 18) in ihrem Stellbereiche ingeengt sind.

6· Verstärker■ nach Anspruch 5ν dadurch gekennzeichnet, daß der Stellbereich: der Mittel zum Ändern des Übertragungsmaßes

V (t2,;IB^ durch Serienimpedanzen (10, 16) und/oder Parallelimpedanzen (11, 17) eingeengt ist.

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7· Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum Ändern des Übertragungsmaßes (12, 18) und der Steuerspannungserzeuger (20) hinsichtlich der Grenzen ihrer Variationsbereiche bei Kompression und bei Erpansion komplementär zueinander aufgebaut sind.

8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der erste Pegel bei -30 dB und der zweite Pegel bei +10 dB liegt.

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