DE2856045A1

DE2856045A1 - Schaltung zur wahlweisen automatischen dynamik-kompression oder -expansion

Info

Publication number: DE2856045A1
Application number: DE19782856045
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Scholz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson oHG
Priority date: 1978-12-23
Filing date: 1978-12-23
Publication date: 1980-07-10
Also published as: JPS5591221A; DE2856045C2; US4287491A; JPS6363126B2

Description

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

6000 Frankfurt 70

Hannover, den 20.12.1978 KE2-Kör/ds

Schaltung zur wahlweisen automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur wahlweisen automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kompander werden zur Störabstandsverbesserung bei der Signalübertragung auf Strecken sowie bei der Signalspeicherung eingesetzt. Die Arbeitsweise besteht darin, schwache Signale vor der Übertragung oder Speicherung in ihrem Pegel anzuheben und nach der Übertragung oder Wiedergabe abzusenken. Dabei werden die auf dem Übertragungswege hinzukommenden Störsignale mit abgesenkt. Außerdem können Störsignale durch Nutzsignale mehr oder weniger verdeckt werden. Der Verdeckungseffekt ist eine physiologische Erscheinung und hängt davon ab, wieweit das Nutzsignal und das Störsignal in der Frequenz voneinander abweichen. Es ist deshalb zweckmäßig, das Niederfrequenzspektrum in mehrere frequenzselektive Kanäle aufzuteilen und das Übertragungsmaß in diesen Kanälen nur in Abhängigkeit von den darin auftretenden Nutzsignalen zu regeln. Um beim Kompander ein komplementäres Verhalten hinsichtlich Kompression und Expansion zu erzielen, ist es weiterhin zweckmäßig,

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für beide Betriebsarten die gleichen Stellglieder zu verwenden. Schaltungstechnisch wird dies realisiert, indem die Stellglieder in der einen Betriebsart, z.B. Kompression, im Gegenkopplungsweg eines Verstärkers und in der anderen Betriebsart, z.B. Expansion, im Signalweg mit dem Verstärker angeordnet sind. Es hat sich gezeigt, daß bei Gegenkopplungsbetrieb eine Schwingneigung besteht, die vor allem durch die Übertragungseigenschaften des höchstfrequenten Kanals bestimmt wird. Diese Schwingneigung hat folgende Ursache: Die aus den Schaltungs- und Transistorkapazitäten im Gegenkopplungsweg gebildeten Tiefpässe fühlten zu einer Signallavifzeit und damit zu einer Phasendrehung. Befindet sich z.B. im Gegenkopplungsweg ein Verstärker, um die von dem Stellglied verursachte hohe Dämpfung auszugleichen, so kann im hochfrequenten Kanal die für die Schwingbedingung erforderliche kritische Phasendrehung erreicht werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, bei einer Schaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion den Gegenkopplungsweg für den hochfrequenten Kanal im Hinblick auf eine kurze Signallaufzeit aufzubauen. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im Kennzeichen angegebenen Merkmale gelöst. Die Erfindung besitzt außerdem den Vorteil, daß ein Differenzverstärker eingespart wird.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Schaltung zur wahlweisen automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion mit Aufteilung des

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Frequenzspektrums in drei Kanäle. Dem Kompander werden die Eingangs signale über eine Eingangsklenime 1 zugeführt und über einen Kondensator 2 an den nichtinvertierenden Eingang .eines Differenzverstärkers k angelegt. Zwischen dem nichtinvertierenden Eingang 3 und Masse ist ein Widerstand 3 angeordnet, der zur Festlegung eines bestimmten Eingangswiderstandes dient. Von dem Ausgang 7 des Differenzverstärkers ist ein Gegenkopplungsweg zu dem invertierenden Eingang 6 geführt. Bei der Betriebsart "Kompression" verläuft der Gegenkopplungsweg für das obere Frequenzband über eine steuerbare FiIteranordnung kl, für das mittlere Frequenzband über eine steuerbare Filteranordnung l6 und für das untere Frequenzband über eine steuerbare FiIteranordnung 32 zu einer Vereinigungsschaltung 59· Die Vereinigungsschaltung 59 ist als nichtüavertierender Summierverstärker ausgebildet. Der weitere Gegenkopplungsweg verläuft von dem Ausgang der Vereinigungsschaltung über einen Kondensator i5i einen ersten Schalter 12, einen zweiten Schalter 10 und einen weiteren Kondensator 9 zu dem invertierenden Eingapg 6 des Differenzverstärkers k. Durch den niederohmigen Ausgang der Vereinigung sschaltung 59 wird ein direkter Gegenkopplungsweg des Verstärkers k über einen Widerstand 8 für das Signal unterbrochen. Dieser Weg dient nur noch zur Einstellung des Arbeitspunktes.

Der Signalweg verläuft vom Ausgang 7 des Differenzverstärkers k über einen Kondensator 11 zu einer Ausgangsklemme Ik. An dieser Ausgangsklemme sind bei der Betriebsart "Kompression" die komprimierten Nutzsignale abgreifbar. In der Betriebsart "Expansion" wird der Schalter 10 in die nicht eingezeichnete Stellung gelegt. Der Gegenkopplungsweg des Differenzverstärkers h verläuft dann vom Ausgang 7 über den Widerstand 8 zum invertierenden Eingang 6. Die bei der Betriebsart "Kompression" im Gegenkopplungsweg liegenden Schaltungselemente sind bei

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"Expansion" im Signalweg angeordnet. Der Signalweg bei der Betriebsart "Expansion" verläuft dann vom Ausgang 7 des Differenzverstärkers 4 über die bereits erwähnten steuerbaren Filteranor.dnungen 4l,l6,32 zu der Vereinigungsschaltung 59. Vom Ausgang der Vereinigungsschaltung verläuft der Signalweg weiter über den Kondensator 15 und den Schalter 12 zu einer Ausgangsklemme 13·

Wird der Schalter 12 in die nicht eingezeichnete Stellung gebracht, so ist der Kompander unwirksam und die an der Eingangsklemme 1 anliegenden Eingangssignale werden mit der konstanten Verstärkung 1 über den Differenzverstärker 4 und den Kon den iq,-tor 11 an die Ausgangsklemmen 13 und l4 geführt.

Die Steuerung des Übertragungsmaßes bei jedem steuerbaren Filter erfolgt über jeweils einen der Filteranordnung zugeordneten Zweigweg mit einem Steuerspannungserzeuger. Für den hochfrequenten Kanal ist ein Zweigweg 46, für den mi.ttelfrequenten Kanal ein Zweigweg 24 und für den niederfrequenten Kanal ein Zweigweg 39 vorgesehen. Die Zweigwege sind bis auf an ihren Eingängen liegende Bewertungsfilter 47,25,40 und die Zeitkonstanten in den zur Steuerspannung dienenden Gleichrichtern 31 im wesentlichen gleich aufgebaut. Der Aufbau wird hier an dem Zweigweg für den mittelfrequenten Kanal erläutert. Die bereits in der Dynamik verminderten Signale werden über das Bewertungsfilter 25 und ein Trimmpotentiometer 26 dem Eingang eines steuerbaren Verstärkers 27 zugeführt. Dieser Verstärker ist wie auch das entsprechende steuerbare Filter l6 durch einen steuerbaren Widerstand 28 in der Verstärkung steuerbar. Die Verstärkung wird dabei so gesteuert, daß die an der Eingangsklemme 1 angelegten Signale am Eingang des Zweigweges 27 im stationären Zustand auf den halben Dynamikwert und hinter dem Verstärker 27 auf den Dynamikwert Null reduziert werden. Die Ausgangssignale des

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Verstärkers 27 werden über einen Spannungsteiler aus den Widerständen 29 und 30 einem Steuerspannungserzeuger 31 zugeführt. Der Steuersρannungserζeuger 31 ist mit den Steuereingängen des steuerbaren Widerstandes 28 und einem im steuerbaren Filter l6 angeordneten steuerbaren Widerstand verbunden und steuert die Widerstände im Sinne einer Widerstandsverminderung bei zunehmender Nutzsignalamplitude. Die drei steuerbaren Filteranordnungen unterteilen das Frequenzspektrum in drei Frequenzbänder. Die Frequenzcharakteristik ist vorzugsweise so bemessen, daß sich die Frequenzgänge benachbarter Kanäle bei -3 dB schneiden. Der Kanal für das höchstfrequente Band kl enthält einen Hochpaß aus einem Kondensator 42 sowie der Reihenschaltung eines Widerstandes 43 und 44. Von dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände 43 und wird das Signal einerseits für den Zweigweg 46 abgegriffen, andererseits wird das Signal erfindungsgemäß direkt einem als Stellglied dienenden steuerbaren Widerstand 45 zugeführt. Der steuerbare Widerstand 45 ist an seinem anderen Ende mit dem Eingang der Vereinigungsschaltung 59 verbunden. Der für die Pegelanpassung des dem Stellglied zugeführten Signals verwendete Spannungsteiler aus den Widerständen 43 und 44 wird mit in das frequenzbestimmende Hochpaßfilter einbezogen. Der Verbindungspunkt des Hochpaßfilters mit dem steuerbaren Widerstand 25 ist dadurch bereits so niederohmig, daß bei einer Widerstandsänderung dieses Widerstandes die Grenzfrequenz des Hochpasses und damit des hochfrequenten Übertragungskanals nahezu unbeeinflußt bleibt. Daher ist es möglich, bei dieser Schaltung ohne Impedanzwandler oder Trennverstärker auszukommen und so die im Hinblick auf die Stabilität erforderliche kurze Phasenlaufzeit für dieses im Übertragungsmaß steuerbare Filter zu erhalten.

Das steuerbare Filter l6 für den mittelfrequenten Kanal enthält am Eingang einen Tiefpaß aus einem Widerstand 17 und einem Kondensator l8. Mit dem Tiefpaß ist ein als Trennverstärker dienender Spannungsfolger 19 verbunden. Hinter dem

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Spannungsfolger ist ein Hochpaß aus einem Kondensator 20 und einer Reihenschaltung aus den Widerständen 21 und 22 angeordnet. Das Hochpaßfilter ist im Prinzip so aufgebaut wie im hochfrequenten Kanal. Entsprechend ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 21 und 22 einerseits der Zwagweg 2k, andererseits ein steuerbarer Widerstand 23 verbunden, dessen anderer Anschluß mit dem Eingang der Vereinigungsschaltung verbunden ist. Da das Übertragungsmaß des mittelfrequenten Kanals mit zunehmender Frequenz abnimmt, kann die an sich durch den Verstärker 19 verursachte, gegenüber dem hochfrequenten Kanal höhere Leerlaufverstärkung sowie die zisätzliche Phasendrehung durch Schaltungs- und Transistorkapazitäten nicht zu einer kritischen Phasendrehung führen. Die Gegenkopplung wird nämlich im Bereich höherer Phasendrehung der im mittelfrequenten Kanal angeordneten Tiefpässe zunehmend durch den nächsthöheren Kanal übernommen. Im mittel- und niederfrequenten Bereich ist daher die Einfügung eines Impedanzwandlers im Hinblick auf die Stabilität der Regelschleife unschädlich.

Der niederfrequente Kanal 32 enthält ein Tiefpaßfilter aus einem Widerstand 33 und einem Kondensator 3^· Mit dem Tiefpaßfilter ist ein als Trennverstärker dienender Spannungsfolger 35 verbunden. Am Ausgang des Impödanzwandlers liegt ein Spannungsteiler aus den Widerständen 36 und 37 ~ Mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände ist einerseits der Zweigweg 39 und andererseits der eine Anschluß eines steuerbaren Widerstandes 38 verbunden. Der andere Anschluß des steuerbaren Widerstandes 38 ist mit dem Eingang der Vereinigungsschaltung 59 verbunden. Auch im niederfrequenten Kanal kann aus den gleichen Gründen wie beim mittelfrequenten Kanal die kritische Phasendrehung nicht erreicht werden.

Die Vereinigungsschaltung 59 ist als nichtinvertierender Summierverstärker ausgebildet, um die von den steuerbaren

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Filtern verursachte Dämpfung wieder auszugleichen. Auch der nichtinvertierende Summierverstärker ist dabei so aufgebaut, daß er eine kurze Phasenlaufzeit aufweist. Die Eingangssignale gelangen an den nichtinvertierenden Eingang 49 eines Differenzverstärkers 48. Der invertierende Eingang 50 des Differenzverstärkers ist mit einer Bezugsspannung (Masse) verbunden. Vom Ausgang 51 des Differenzverstärkers 48 führt ein Gegenkopplungsweg über einen Widerstand 58 auf den invertierenden Eingang 55 eines Differenzverstärkers 53· Der nichtinvertierende Eingang 56 des Differenzverstärkers 53 ist an eine Bezugsspannung (Masse) gelegt. Der Ausgang 54 des Differenzverstärkers 53 ist über einen Widerstand 52 mit dem nichtinvertierenden Eingang 49 des Differenzverstärkers 58 verbunden. Der Differenzverstärker 53 enthält außerdem im Gegenkopplungsweg zwischen seinem Ausgang 54 und seinem invertierenden Eingang 55 einen Widerstand 57· Bei großer Verstärkung der Schaltung muß der Gegenkopplungsweg des Verstärkers 48 eine entsprechend hohe Dämpfung aufweisen. Dabei ist zweckmäßig der Verstärker 53 so beschaltet, daß seine Verstärkung kleiner als 1 ist. Unter der Voraussetzung, daß die Differenzverstärker 48 und 53 gleiche Eigenschaften haben, ergibt sich dann, daß der Verstärker 53 auch noch am Ende des Ubertragungsbereicb.es der Vereinigungsschaltung 59 als nahezu idealer Inverter arbeitet. Der Übertragungsbereich des Summierverstärkers 59 wird dann in gleicher Weise wie bei einer Schaltung mit nur einem als invertierender Verstärker beschalteten Verstärker mit Spannungsgegenkopplung durch den im Signalweg, d.h. zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Summierverstärkers 59 liegenden Verstärker bestimmt. Die Schaltung ist also das echte Gegenstück zu der bekannten invertierenden Schaltung. Gegenüber der Maßnahme, als nichtinvertierenden Summierverstärker zwei invertierende Verstärker hintereinander zu schalten, bei der sich die Leerlaufverstärkungen der einzelnen Verstärker multiplizieren und bei der die aus den Schaltungs- und Transistorkapazitäten gebildeten Tiefpässe

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einen steileren Phasengang ergeben, besitzt der Suramicrverstärker 59 bei gleichem Schaltungsaufwand Vorteile für die Stabilität.

Eine besonders große Sicherheit gegen Schwingneigung zeigt daher die Kombination aus dem erfindungsgemäßen steuerbaren Filter für den hochfrequenten Kanal im Zusammenhang mit dem beschriebenen Summierverstärker 59.

Es ist auch möglich, neben der in dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Unterteilung des Frequenzbandes in drei. Bereiche auch eine Unterteilung in mehr Bereiche vorzunehmen. Es müßten dann weitere steuerbare Filter sowie weitere Zweigwege vorgesehen werden. Die weiteren .steuerbaren Filter könnten dann wie das Filter l6 ausgebildet sein.Ebenso ist es möglich, den Frequenzbereich nur in zwei Bänder aufzuteilen. In diesem Fall würden ein Kanal für das hochfrequente Band mit dem Filter kl und ein Kanal für das niederfrequente Band für das Filter 32 ausreichen. Das steuerbare Filter l6 entfällt. Bei den zuletzt erwähnten Maßnahmen müßten natürlich die Grenzfrequenzen der Bänder entsprechend der eingangs genannten Überschneidung angepaßt werden.

Die Frequenzbegrenzung des Gesamtubertragungsbereiches erfolgt außerhalb der Kompanderschaltung. So kann z.B. durch den Koppelkondensator 2 und den Widerstand 3 die untere Frequenzgrenze und durch einen zusätzlichen Tiefpaß am Eingang auch die obere Frequenzgrenze festgelegt werden und zwar so, daß der Übertragungsbereich der Korapressionsschaltung nicht größer ist als die Bandbreite des Ubertragungskanals.

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Claims

- /- H 78/63 Patentansprüche

1. Schaltung zur wahlweisen automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion mit Aufteilung des Frequenzspoktrums auf mehrere frequenzselektive Kanäle, die Stellglieder zur Steuerung des Übertragungsmaß es entha3.ten, und einer Vereinigungsschaltung für die Atisgänge dor Kanäle, dadurch gekennzeichnet, daß der höchstfrequente Kanal Uli) vom Aufteilungspunkt (7) nur über ein passives Filter (42,^3) auf das zugehörige Stellglied (^li5) geführt ist, während die zwischen dem Aufteilungspunkt (7) und dem jeweiligen Stellglied angeordneten Filter für die übrigen Kanäle (32,l6) Impedanzwandler enthalten.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem hochfrequenten Kanal (4l) nur ein niederfr.quenter Kanal (32) mit einem Impedanzwandler (35) vorgesehen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vereinigungsschaltung (59) für die Kanäle als nichtinvertierender Verstärker (48) mit niederohmigem Eingangswiderstand ausgebildet ist, wobei in einem Rückkopplungsweg zxirischen dom Ausgang (5l) und dem nicht invertierenden Eingang (49) ein invertierender Verstärker (53) angeordnet ist.

4« Schaltung nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet , daß die frequenzselektiven Kanäle und die Vereinigungsschaltung bei Kompression im Gogfmkopplimgsweg zwischen einem Ausgang (7) und einem invertierenden Eingang (6) eines Differonzversbarkers (4) angeordnet sind und bei Expansion im Signalweg in Serie mit dem Differenzverstärker Cl) angeordnet sind.

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ORIGINAL INSPECTED

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Schaltung nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzselektiven Kanäle und die Vereinigung s schaltung bei Expansion im Gegenkopplungsweg zwischen einem Ausgang (7) und einem invertierenden Eingang (6) eines Differenzverstärkers (k) angeordnet sind und bei Kompression im Signalvreg in Serie mit dem Differenzverstärker (k) angeordnet sind.

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