DE2813792C3

DE2813792C3 - Einrichtung zur Signal-Kompression und -Expansion

Info

Publication number: DE2813792C3
Application number: DE19782813792
Authority: DE
Inventors: Saburo Takaoka; Tadahiro Yamaguchi; Fumihiko Yokogawa
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1977-03-31
Filing date: 1978-03-30
Publication date: 1980-11-06
Also published as: DE2813792B2; GB1594748A; DE2813792A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Signal-Kompression und -Expansion gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

In den meisten das Rauschen verringernden Einrichtungen für Audio-Geräte wird ein Signal einer Kompression und einer Expansion unterworfen, um dessen S/N-Verhältnis (Signal/Rausch-Verhältnis) und dynamischen Bereich zu verbessern. Ein Beispiel einer Einrichtung der oben genannten Art findet sich z. B. in der »Funkschau« 1974, Heft 11, Seiten 1259 und '.260. In dieser Einrichtung hat der Hilfssignalweg eine Hochpaß-Filter-Charakteristik, und die Charakteristik des Gesamtsystems ist im wesentlichen diejenige eines Allpaß-Filters bei niederen Signalpegeln, jedoch eines Hochpaß- oder Tiefpaß-Filters bei hohen Signalpegeln. Demgemäß wird das Rauschen über ein breites Band im Falle von niederen Signalpegeln verringert. Deshalb ist ein solches übliches System bei Tonfrequenzeinrichtungen wirkungsvoll, die magnetische Bänder oder Platten verwenden.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltdiagramm eines Übertragungssystems mit einer Signal-Kompression und -Expansion dargestellt, bei der eine Summen- und Differenztechnik eingesetzt ist. Wenn die Verstärkung des Hauptsignalweges gleich 1 ist, und die Übertragungsfunktion des Hilfssignalweges durch F(s) dargestellt wird, kann der Vorgang der Signal-Kompression -^Ms) = 1

Χ"» = T

ίο Aus diesen Gleichungen ergibt sich, daß E₀(S)= E(s), und daß somit das Ausgangssignal gleich dem Eingangssignal ist.

Eine übliche Schaltungsanordnung mit Signal-Kompression und -Expansion ist in F i g. 2 dargestellt wobei ein Signal E(s) oder EJs) der Eingangsklemme 1 zugeführt wird, welche mit dem Eingang einer Summierschaltung 2 verbunden ist. Der Ausgang der Summierschaltung ist mit dem Eingang eines negativen Phasenverstärkers 3 verbunden, dessen Ausgang mit der Ausgangsklemme 4 der Schaltungsanordnung verbunden ist. Diese beschriebenen Elemente bilden den Hauptsignalweg der Schaltungsanordnung. Andererseits wird der Hilfssignalweg durch einen Umschalter 5, ein Hochpaß-Filter 6, einen positiven Phasenverstärker 7, einen Gewichtsfunktion-Verstärker 8, eine Detektorschaltun«; 9 und ein Element 10 mit veränderbarer Impedanz gebildet.

In einer solchen Schaltungsanordnung wird die Empfangsimpedanz des Hochpaß-Filters 6 durch ein Element 10 mit veränderbarer Impedanz gesteuert. Die Feststellung eines Signals an dem gewichteten Ausgang des Verstärkers 7 erfogt durch die Detektorschaltung 9, um dadurch eine Steuerspannung für das Element mit veränderbarer Impedanz zu erhalten. Die Steuerspannung ist eine Gleichspannung, welche der Größe des Signalpegels und der Frequenzcharakteristik des Gewichtsfunktions-Verstärkers 8 proportional ist. Als Ergebnis erhält man eine Frequenzcharakteristik, welche dem Signalpegel des gesamten Hilfssignalweges entspricht, um die Signal-Kompression und -Expansion durchzuführen.

Wenn die Schaltungsanordnung der Fig. 2 auf der Übertragungsseite verwandt wird, eird der Schaltarm 5 an den Kontakt 5a gelegt. Wenn sie auf der Empfangsseite verwandt wird, wird de- Schaltarm an den Kontakt 5b gelegt.

Bei dieser bekannten Einrichtung werden für das der Verstärkereinrichtung vorgeschaltete Hochpaßfilter üblicherweise passive ÄC-Elemente mit veränderbarer Impedanz, wie beispielsweise ein Feldeffekttransistor oder eine spannungsgesteuerte Schaltungsanordnung mit veränderbarem Widerstand verwendet. Hierbei ist es erforderlich, daß die Steuerspannung genau der Widerstandsänderungscharakteristik entspricht. Die Elemente mit veränderbarer Impedanz besitzen jedoch Kennlinien, die Schwankungen unterworfen sind. Selbst wenn Feldeffekttransistoren verwendet werden, ist es schwierig, dem genannten Erfordernis Rechnung zu tragen. Die veränderbare Widerstandscharakteristik

bo eines Feldeffekttransistors (FET) verändert die Gesamtimpedanz. Es ist daher erforderlich, in dem Hochpaßfilter die gleiche Anzahl passiver Elemente vorzusehen, wie in einer üblichen Schaltung. Soll die Einrichtung als integrierte Schaltung ausgebildet werden, so sind die

_b5 genannten passiven Bauelemente außerhalb des IC-Chips vorzusehen. Hierdurch entstehen beträchtliche Kosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die als integrierte Schaltung ausgebildet v/erden kann, und bei der die Anzahl der außerhalb -ier integrierten Schaltung vorzusehenen Bauteile verringert ist

Diese Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs genannten Einrichtung, erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird kein Hochpaßfilter mit den oben erläuterten Nachteilen mehr benötigt Die erfindungsgemäße Einrichtung kann leicht als integrierte Schaltung ausgebildet werden, ohne daß eine große Anzahl diskreter Bauelemente außerhalb des IC-Chips vorgesehen werden müssen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. J ein Blockdiagramm eines üblichen Übertragungssystems, in dem eine Signal-Kompression- und Expansion-Einrichtung verwandt wird,

F i g. 2 ein Blockdiagramm eines üblichen Signal-Kompression- und Expansion-Schaltkreises, wobei

Fig.3 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Signal-Kompression- und Expansion-Schaltkrei- 25 c;_c

ses nach der Erfindung,

F i g. 4 ein Blockdiagramm des Integrationsschaltkreises der F i g. 3,

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Verstärkung als Funktion der Kreisfrequenz-Charakteristiken der in F i g. 4 dargestellten Schaltungsanordnung,

Fig.6a, 6b und 6c Bockdiagramme verschiedener Ausführungsformen des Hilfssignalweges und

F i g. 7 ein schematisches Schaltbild eines spannungsgesteuerten Schaltkreises mit veränderbarer Verstärkung, welche in der Ausführungsform der F i g. 6 verwandt werden kann.

In F i g. 3 ist eine Ausführungsform einer Signal-Kompression- und Expansion-Einrichtung nach der Erfindung dargestellt, weiche dadurch erhalten wird, daß das Hochpaß-Filter 6 das Element 10 mit veränderbarer Impedanz in F i g. 2 ersetzt wird durch einen spannungsgesteuerten Schaltkreis 11 mit veränderbarer Verstärkung und einen Integrator 12, die im Rückkopplungszweig des Verstärkers 7 in Reihe geschaltet sind. Der Schaltkreis 11 mit veränderbarer Verstärkung wird durch den Ausgang der Detektorschaltung 9 gesteuert. Die übrigen Schaltkreiselemente in Fig. 3 sind ähnlich jenen in Fig.2. Mit anderen Worten, umfaßt der Hilfssignalweg der Signal-Kompression- und Expansion-Einrichtung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung einen Verstärker 7, einen Gewichtsfunktion-Verstärker 8, welcher mit dem Ausgang des Verstärkers 7 verbunden ist, einen Detektorschaltkreis 9, um den Ausgang des Gewichtsfuktion-Verstärkers festzustellen, einen Schaltkreis 11 mit veränderbarer Verstärkung, welcher den Ausgang des Verstärkers 7 verstärkt, wobei er der Steuerung durch den Detektorschaltkreis 9 unterliegt, und einen Integrptionsschaltkreis 12, welcher den Ausgang des Scha'.!..c:^a 11 mit veränderbarer Verstärkung integriert und den so integrierten Ausgang an den Eingang des Verstärkers 7 über eine Subtraktionsschaltung 13 zurückführt. Somit wird das Signal unter Zuhilfenahme einer Gleichspannung, welche den Pegel und der Frequenz eines Eingangsignales entspricht, komprimiert oder expandiert.

Wenn der Verstärker 7 ein Operationsverstärker ist, dessen einer Eingangsanschluß mit dem Ausgang des Integrationsschaltkreises 12 und dessen anderer Eingangsanschluß mit dem Schalter 5 verbunden ist. kann die Subtraktionsschaltung 13 fortgelassen werden, wie es in F i g. 6c dargestellt ist

Der Integrationsschaltkreis 12, wie es in Fig.4 gezeigt ist kann einen Operationsverstärker 14, einen Widerstand 15 und einen Kondensator 16 umfassen. Wird beim Betrieb folgendes angenommen: Das Eingangssignal an den Schalter 5 ist ej(s), die Verstärkung des Verstärkers 7 beträgt K, das Ausgangssignal an die Summierschaltung 2 ist eo(s); die Verstärkung des spannungsgesteuerten Schaltkreises 11 mit veränderbarer Verstärkung beträgt x, der Widerstandswert des Widerstandes 15 beträgt R und die Kapazität des Kondensators 16 beträgt C, dann kann die Obetragungsfunktion der Schaltungsanordnung, die in F i g. 4 dargestellt ist ausgedrückt werden durch:

■s-«-

sK / sK \

■— (3)

RC

Die Verstärkung als Funktion der Kreisfrequenz-Charakteristik der Gleichung (3) ist in F i g. 5 graphisch dargestellt, in der ein Hochpaß-Filter mit einer Grenze Κω_ο für die Kreisfrequenz dargestellt ist, wenn χ = 1. Wenn χ < 1 und χ > 1 ändert sich die Grenze der Kreisfrequenz, und eine solche Änderung kann durch die Änderung der Verstärkung des spannungsgesteuerten Schlatkreises 11 gesteuert werden.

Indem man dieses Prinzip anwendet, können Schaltungsanordnungen zum Ersetzen der üblichen Hochpaß-Filter geschaffen werden, und zusätzlich kann eine dem Signalpegel in dem Hilfssignalweg entsprechende Frequenzcharakteristik erhalten werden, in dem die Frequenzcharakteristik des Gewichtsfunktion-Verstärkers 8 verändert wird, wenn dieses erwünscht ist.

Wenn angenommen wird, daß die Gewichtsfunktion durch G(s) dargestellt ist, dann kann die Beziehung zwischen der Gewichtsfunktion und der Verstärkung χ ausgedrückt werden wie folgt:

χ = G(S) eAs).

Aus Gleichungen (3) und (5) kann die folgende Gleichung erhalten werden:

s + K (D₀ G (s)

Wenn in die Gleichung (6) eine gegebene Gewichtsfunktion eingesetzt wird, kann eine dem Signalpegel entsprechende Frequenzcharakteristik erhalten werden. Wird vorher die Übertragungsfunktion F(s) dieses Hilfssignalweges auf die Gleichungen (1) und (2) angewandt, kann die erwünschte Signal-Kompression und -Expansion durchgeführt werden.

Bei der Ausführungsform des Hilfsignalweges gemäß Fig. 6a hat der spannungsgesteuerte Schaltkreis mit veränderbarer Verstärkung einen Anschluß 30, um eine konstante Verstärkung festzulegen, so daß die Gesamtverstärkung des Schaltkreises 11 gleich der Summe der konstanten Verstärkung, welche durch eine an den Anschluß 30 angelegte, vorgegebene Spannung be-

stimmt ist, und einer veränderbaren Verstärkung, welche von dem Ausgang des Detektors 9 abhängt. Sonst ist der Schaltkreis in F i g. 6a der gleiche wie der in F ig. 4.
Bei dem Schaltkreis der Fig.6a gilt unter der Annahme, daß die konstante Verstärkung des spannungsgesteuerten Schaltkreises 11 mit veränderbarer Verstärkung ΛΌ und die veränderbare Verstärkung Xist, für die Übertragungsfunktion des Hilfsweges in Fig.6a folgende Beziehung:

IsML

sK

s + K-

RC

(X₀ + X)

sK

s + K- W₀ (X₀ + X)

■)·

(7)

Es folgt unmittelbar aus Gleichung (7), daß die Übertragungsfunktion bestimmt wird durch den Term Kw₀X₀ für die Grenze der hohen Kreisfrequenz wenn X < < 1 und eine spezifische Kreisfrequenz hat.

In F i g. 6b ist eine weitere Ausführungsform für einen Hilfssignalweg dargestellt, bei der ein Zeitkonstanienschaltkreis mit dem Ausgang des Verstärkers 7

IsML

C'i (S)

sK X

verbunden ist, welcher in der Form eines mit dem Kondensator 16 und dem Eingangsanschluß des Verstärkers 7 verbundener Widerstand 17 ausgebildet ist.

Bei der Ausführungsform gilt unter der Annahme, daß die Werte für die Widerstände 15 und 17 R] und R₂ sind, für die Übertragungsfunktion folgende Beziehung:

sK

s + K (XW] +

(8)

worin w\ = l/7?iCund W₂ = MR₂C. Aus der Gleichung (8) ergibt sich ohne weiteres, daß die Grenze für die hohe Kreisfrequenz bestimmt wird durch Kw₂, wenn X < < 1 ist, und einen spezifischen Wert hat. Da die Zeitkonstante R₂C nur durch den Wert R₂ bestimmt wird und nicht durch andere Übertragungsparameter in dem Hilfsweg beeinflußt wird, besteht in bezug auf dessen Einstellung ein hoher Grad an Freiheit. Bei dieser Ausführungsform ist es auch möglich, den Widerstand 15 in Reihe mit dem Eingangsanschluß des Schaltkreises 11 mit veränderbarer Verstärkung zu verbinden.

In Fig.6c ist eine noch andere Ausführungsform des Schaltkreises für den Hilfssignalweg dargestellt, wobei der spannungsgesteuerte Schaltkreis mit veränderbarer Verstärkung einen Anschluß 31 zum Einstellen einer konstanten Verstärkung aufweist, so daß seine Gesamtverstärkung gleich der Summe aus der konstanten Verstärkung und der veränderbaren Verstärkung ist, weiche der Steuerspannung entspricht sie durch den Detektor 9 angelegt wird. Der Schaltkreis 11 ist ein Signal-Inversionsverstärker, dessen Eingang mit einem Widerstand 18 verbunden ist Ein Widerstand 17 bildet eine Nebenschlußstrecke zu der Reihenschaltung aus dem Verstärker 11 und dem Widerstand 18.

Die Übertragungsfunktion dieses Schaltkreises ist wie folgt:

ejs) _ sK

<.w -"~_+K rjzTxZTT-1

Der zweite Term des Nenners auf der rechten Seite der Gleichung (9) stellt die Grenze wh für die hohe Kreisfrequenz dar, und wird dargestellt durch:

vv/1 =

In Gleichung (10) entspricht (Xo-RiZR₂) einem konstanten Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11, welcher durch den Widerstand 18 bestimmt ist Das heißt, ohne Signal wird die Grenze für die hohe Kreisfrequenz durch die Differenz zwischen einer anfänglichen konstanten Verstärkung und der Verstärkung bestimmt, weiche durch das Verhältnis der Widerstände R] und R2 festgelegt ist Somit kann die Grenze der hohen Frequenz des Hilfsweges durch den Wert des Widerstandes 18 bestimmt werden, und indem ein veränderbarer Widerstand hierfür verwendet wird, ist es möglich, die Frequenzcharakteristik des Schaltkreises gemäß dem Pegel des sich unter Kompression und Expansion befindenden Signals zu steuern.

Bei der in Fig.6c dargestellten Ausführungsform, in der die veränderbare Verstärkung durch das Verhältnis des primären Steuerstroms /1 von dem Detektor 9 zu dem sekundären Steuerstrom I₂ bestimmt wird, welcher an dem Anschluß 31 anliegt kann eine Änderung der Offsetspannung des gesamten Hilfssignalweges aufgrund eines plötzlichen Ansteigens des sekundären Steuerstroms von Null auf einen hohen Wert auftreten.

Um eine solche Änderung zu verringern, ist es möglich, einen anfänglichen sekundären Steuerstrom anzuwenden, um eine konstante Verstärkung des Verstärkers 11 zu schaffen, und eine solche Verstärkung mittels des Widerstandes 18, wie es bereits erwähnt wurde, aufzuheben. Es ist auch möglich, diese Änderung dadurch weiter zu verringern, daß ein Kondensator in Reihe mit dem Widerstand 18 geschaltet wird, so daß der konstante Strom wechselstrommäßig aufgehoben oder geregelt werden kann. Auf diese Weise wird der spannungsgesteuerte Schaltkreis mit einer konstanten Verstärkung ausgebildet welche durch den Widerstand 18 geregelt wird, um die Grenze für die hohe Frequenz des Hilfskanals festzulegen. Somit kann irgendeine Änderung der Offsetspannung des Hilfskanals verringert werden, und es ist möglich, dessen Frequenzcharakteristik zu regeln.

In F i g. 7 ist ein Beispiel des spannungsgesteuerten Schaltkreises 11 mit veränderbarer Verstärkung gemäß F i g. 6c dargestellt Ein erster Steueranschluß 30 ist mit dem Ausgang des Detektors 9 verbunden. Ein vorbestimmtes konstantes Verstärkungssignal wird an den zweiten Steueranschluß 31 gegeben. Eine vorbestimmte Vorspannung wird an den Anschluß 32 gelegt Ein Eingangsanschluß 33 ist mit dem Widerstand 18 und ein Ausgangsanschluß 34 mit dem Operationsverstärker 14 verbunden.

In Fig. 7 bilden die Transistoren Qn bis Q₂] und Widerstände R7 bis Rg einen Differentialverstärker. Die Transistoren Q] bis (?i6und Widerstände R] bis A4 bilden einen spannungsgesteuerten Schaltkreis mit veränderbarer Verstärkung, und dessen Stromverstärkung wird durch das Emitter-Strom-Verhältnis der Transistoren φ) und Cto bestimmt

Blatt Zeichnunecn

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Signal-Kompression und -Expansion, mit einem Hauptsignalweg, mit dem in Rückwärts- oder Vorwärts-Kopplung ein Hilfssignalweg verbindbar ist, welcher eine Verstärkereinrichtung, einen an dessen Ausgang geschalteten Gewichtsfunktionsverstärker mit einer an seinem Ausgang angeschlossenen Detektor-Schaltung, einen spannungsgesteuerten Schaltkreis mit veränderbarer Verstärkung und einen Integrator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuente Schaltkreis (11) mit veränderbarer Verstärkung an den Ausgang der Verstärkereinrichtung (7) angeschlossen ist, daß der Ausgang der Detektorschaltung (9) an den Verstärkungssteuereingang des spannungsgesteuerten Schaltkreises (11) geführt ist, an dessen Ausgang der Integrator (12) angeschlossen ist, und daß eine Rückführeinrichtung (13) vorgesehen ist, um das Ausgangssignal des Integrators (12) an den Eingang der Verstärkereinrichtung zurückzuführen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtung eine Subtraktionsschaltung (13) umfaßt, die die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Integrators (12) und dem Eingangssignal des Hilfssignalwegs an den Eingang der Verstärkereinrichtung (7) gibt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinrichtung einen Operationsverstärker (7) aufweist, und daß der Ausgang des Integrators (12) an einen der beiden Eingänge des Operationsverstärkers (7) angeschlossen ist.

und -Expansion durch die folgenden zwei Gleichungen ausgedrückt werde: