DE2856045C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus der DE-AS 19 00 639 bekannt ist.

Kompander werden zur Störabstandsverbesserung bei der Signal­ übertragung auf Strecken sowie bei der Signalspeicherung ein­ gesetzt. Die Arbeitsweise besteht darin, schwache Signale vor der Übertragung oder Speicherung in ihrem Pegel anzuhe­ ben und nach der Übertragung oder Wiedergabe abzusenken. Da­ bei werden die auf dem Übertragungswege hinzukommenden Stör­ signale mit abgesenkt. Außerdem können Störsignale durch Nutzsignale mehr oder weniger verdeckt werden. Der Verdeck­ ungseffekt ist eine physiologische Erscheinung und hängt da­ von ab, wieweit das Nutzsignal und das Störsignal in der Fre­ quenz 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 re­ geln, wie es bereits der DE-AS 19 00 639 zu entnehmen ist. Bei dieser bekannten Schaltung sind vier Kanäle zur Auftei­ lung des Niederfrequenzspektrums vorgesehen, die mit Ausnah­ me ihrer frequenzspezifischen Bemessung identisch aufgebaut sind.

Um beim Kompander ein komplementäres Verhalten hinsichtlich Kompression und Expansion zu erzielen, ist es weiterhin zweckmäßig, für beide Betriebsarten die gleichen Stellglieder zu verwen­ den. Schaltungstechnisch wird dies realisiert, indem die Stellglieder in der einen Betriebsart, z. B. Kompression, im Gegenkopplungsweg eines Verstärkers und in der anderen Be­ triebsart, z. B. Expansion, im Signalweg mit dem Verstärker angeordnet sind. Es hat sich gezeigt, daß bei Gegenkopplungs­ betrieb eine Schwingneigung besteht, die vor allem durch die Übertragungseigenschaften des höchstfrequenten Kanals be­ stimmt wird. Diese Schwingneigung hat folgende Ursache: Die aus den Schaltungs- und Transistorkapazitäten im Gegen­ kopplungsweg gebildeten Tiefpässe führen zu einer Signallauf­ zeit 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 hoch­ frequenten 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 Signallauf­ zeit aufzubauen.

Diese Aufabe wird bei einer Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im Kennzeichen angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung be­ sitzt den Vorteil, daß ein Differenzverstärker eingespart wird. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Er­ findung sind in Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Schaltung zur wahlweisen automati­ schen Dynamik-Kompression oder -Expansion mit Aufteilung des Frequenzspektrums in drei Kanäle. Dem Kompander werden die Eingangssignale über eine Eingangsklemme 1 zugeführt und über einen Kondensator 2 an den nichtinvertierenden Eingang 5 eines Differenzverstärkers 4 angelegt. Zwischen dem nicht­ invertierenden Eingang 5 und Masse ist ein Widerstand 3 an­ geordnet, der zur Festlegung eines bestimmten Eingangswider­ standes dient. Von dem Ausgang 7 des Differenzverstärkers 4 ist ein Gegenkopplungsweg zu dem invertierenden Eingang 6 geführt. Bei der Betriebsart "Kompression" verläuft der Gegenkopplungsweg für das obere Frequenzband über eine steuer­ bare Filteranordnung 41, für das mittlere Frequenzband über eine steuerbare Filteranordnung 16 und für das untere Fre­ quenzband über eine steuerbare Filteranordnung 32 zu einer Vereinigungsschaltung 59. Die Vereinigungsschaltung 59 ist als nichtinvertierender Summierverstärker ausgebildet. Der weitere Gegenkopplungsweg verläuft von dem Ausgang der Ver­ einigungsschaltung 59 über einen Kondensator 15, einen ersten Schalter 12, einen zweiten Schalter 10 und einen weiteren Kondensator 9 zu dem invertierenden Eingang 6 des Differenz­ verstärkers 4. Durch den niederohmigen Ausgang der Vereini­ gungsschaltung 59 wird ein direkter Gegenkopplungsweg des Diffe­ renzverstärkers 4 über einen Widerstand 8 für das Signal unter­ brochen. Dieser Weg dient nur noch zur Einstellung des Arbeitspunktes.

Der Signalweg verläuft vom Ausgang 7 des Differenzverstärkers 4 über einen Kondensator 11 zu einer Ausgangsklemme 14. An dieser Ausgangsklemme 14 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 Differenzverstär­ kers 4 verläuft dann vom Ausgang 7 über den Widerstand 8 zum invertierenden Eingang 6. Die bei der Betriebsart "Kompression" im Gegenkopplungsweg liegenden Schaltungselemente sind bei "Expansion" im Signalweg angeordnet. Der Signalweg bei der Betriebsart "Expansion" verläuft dann vom Ausgang 7 des Differenzverstärkers 4 über die bereits erwähnten steuerbaren Filteranordnungen 41, 16, 32 zu der Vereinigungsschaltung 59. Vom Ausgang der Vereinigungsschaltung 59 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 ge­ bracht, so ist der Kompander unwirksam und die an der Eingangs­ klemme 1 anliegenden Eingangssignale werden mit der konstanten Verstärkung 1 über den Differenzverstärker 4 und den Kondensa­ tor 11 an die Ausgangsklemmen 13 und 14 geführt.

Die Steuerung des Übertragungsmaßes bei jedem steuerbaren Filter erfolgt über jeweils einen der Filteranordnung zuge­ ordneten Zweigweg mit einem Steuerspannungserzeuger. Für den hochfrequenten Kanal ist ein Zweigweg 46, für den mittel­ frequenten 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 Steuerspannungserzeugern 31 im wesentlichen gleich aufgebaut. Der Auf­ bau wird hier an dem Zweigweg 24 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 die entsprechende steuerbare Fil­ teranordnung 16 durch einen steuerbaren Widerstand 28 in der Ver­ stärkung 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 Verstärkers 27 werden über einen Spannungsteiler aus den Widerständen 29 und 30 einem Steuerspannungserzeuger 31 zuge­ führt. Der Steuerspannungserzeuger 31 ist mit den Steuerein­ gängen des steuerbaren Widerstandes 28 und einem in der steuer­ baren Filteranordnung 16 angeordneten steuerbaren Widerstand verbunden und steuert die Widerstände im Sinne einer Widerstandsver­ minderung bei zunehmender Nutzsignalamplitude. Die drei steuerbaren Filteranordnungen 41, 16, 32 unterteilen das Frequenzspek­ trum in drei Frequenzbänder. Die Frequenzcharakteristik ist vorzugsweise so bemessen, daß sich die Frequenzgänge benach­ barter Kanäle bei -3 dB schneiden. Der Kanal für das höchst­ frequente Band enthält ein Hochpaßfilter aus einem Kondensator 42 sowie der Reihenschaltung eines Widerstandes 43 und 44. Von dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände 43 und 44 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 45 ist dadurch bereits so niederohmig, daß bei einer Widerstandsänderung dieses Widerstandes die Grenzfre­ quenz des Hochpaßfilters und damit des hochfrequenten Übertra­ gungskanals 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 diese im Übertragungs­ maß steuerbare Filteranordnung 41 zu erhalten.

Die steuerbare Filteranordnung 16 für den mittelfrequenten Kanal enthält am Eingang ein Tiefpaßfilter aus einem Widerstand 17 und einem Kondensator 18. Mit dem Tiefpaßfilter ist ein als Impedanz­ wandler 19 dienender Spannungsfolger verbunden. Hinter dem Impedanzwandler 19 ist ein Hochpaßfilter aus einem Kondensator 20 und einer Reihenschaltung aus den Widerständen 21 und 22 angeord­ net. Das Hochpaßfilter ist im Prinzip so aufgebaut wie im hochfrequenten Kanal. Entsprechend ist mit dem Verbindungs­ punkt der Widerstände 21 und 22 einerseits der Zweigweg 24, andererseits ein steuerbarer Widerstand 23 verbunden, dessen anderer Anschluß mit dem Eingang der Vereinigungsschaltung 59 verbunden ist. Da das Übertragungsmaß des mittelfrequenten Kanal mit zunehmender Frequenz abnimmt, kann die an sich durch den Impedanzwandler 19 verursachte, gegenüber dem hochfrequenten Kanal höhere Leerlaufverstärkung sowie die zusätzliche Phasen­ drehung durch Schaltungs- und Transistorkapazitäten nicht zu einer kritischen Phasendrehung führen. Die Gegenkopplung wird nämlich im Bereich höherer Phasendrehung der im mittelfrequen­ ten Kanal angeordneten Tiefpässe zunehmend durch den nächst­ höheren Kanal übernommen. Im mittel- und niederfrequenten Bereich ist daher die Einfügung eines Impedanzwandlers im Hinblick auf die Stabilität der Regelschleife unschädlich.

Der niederfrequente Kanal enthält ein Tiefpaßfilter aus einem Widerstand 33 und einem Kondensator 34. Mit dem Tief­ paßfilter ist ein als Impedanzwandler 35 dienender Spannungs­ folger verbunden. Am Ausgang des Impedanzwandlers 35 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 Filteranordnungen 41, 16, 32 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 Diffe­ renzverstärkers 48. Der invertierende Eingang 50 des Differenz­ verstärkers ist mit einer Bezugsspannung (Masse) verbunden. Vom Ausgang 51 des Differenzverstärkers 48 führt ein Gegen­ kopplungsweg über einen Widerstand 58 auf den invertierenden Eingang 55 eines Differenzverstärkers 53. Der nichtinvertieren­ de Eingang 56 des Differenzverstärkers 53 ist an eine Bezugs­ spannung (Masse) gelegt. Der Ausgang 54 des Differenzverstärkers 53 ist über einen Widerstand 52 mit dem nichtinvertierenden Eingang 49 des Differenzverstärkers 48 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 Differenzverstärkers 48 eine entsprechend hohe Dämpfung aufweisen. Dabei ist zweckmäßig der Differenzverstärker 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 Übertragungsbereiches der Vereinigungsschaltung 59 als nahezu idealer Inverter arbeitet. Der Übertragungsbereich der Vereinigungsschaltung 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 der Vereinigungsschaltung 59 liegenden Verstärker bestimmt. Die Schaltung ist also das echte Gegenstück zu der bekannten invertierenden Schaltung. Gegenüber der Maßnahme, als nichtinvertierenden Summierver­ stärker zwei invertierende Verstärker hintereinander zu schalten, bei der sich die Leerlaufverstärkungen der einzel­ nen Verstärker multiplizieren und bei der die aus den Schaltungs- und Transistorkapazitäten gebildeten Tiefpässe einen steileren Phasengang ergeben, besitzt die Vereinigungsschaltung 59 bei gleichem Schaltungsaufwand Vorteile für die Stabilität.

Eine besonders große Sicherheit gegen Schwingneigung zeigt daher die Kombination aus dem erfindungsgemäßen steuerbaren Filter 41 für den hochfrequenten Kanal im Zusammenhang mit der beschriebenen Vereinigungsschaltung 59.

Es ist auch möglich, neben der in dem Ausführungsbeispiel be­ schriebenen Unterteilung des Frequenzbandes in drei Bereiche auch eine Unterteilung in mehr Bereiche vorzunehmen. Es müßten dann weitere steuerbare Filteranordnungen sowie weitere Zweigwege vorgesehen werden. Die weiteren steuerbaren Filteranordnungen könnten dann wie die steuerbare Filteranordnung 16 ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, den Frequenzbereich nur in zwei Bänder aufzuteilen. In diesem Fall würden ein Kanal für das hochfrequente Band mit der steuerbaren Filteranordnung 41 und ein Kanal für das niederfrequente Band mit der steuer­ baren Filteranordnung 32 ausreichen. Die steuerbare Filteranordnung 16 entfällt. Bei den zuletzt erwähnten Maßnahmen müßten natürlich die Grenzfrequenzen der Bänder entsprechend der eingangs genannten Überschneidung angepaßt werden.

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

Claims (5)

1. Schaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion eines am Eingang der Schaltung anliegenden Signals mit einem bestimmten Frequenzspektrum, die ei­ nen Aufteilungspunkt aufweist, an dem das Signal auf mehrere frequenzselektive Kanäle, die jeweils ein Stell­ glied zur Steuerung des Übertragungsmaßes im jeweiligen Kanal, sowie ein Filter enthalten, aufgeteilt wird, und die eine Vereinigungsschaltung für die Ausgänge der Ka­ näle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalan­ teile im höchstfrequenten Kanal vom Aufteilungspunkt (7) über den niederohmigen Ausgang eines passiven Hoch­ paßfilters (42, 43) unmittelbar auf das zugehörige Stellglied geführt sind, während die zwischen dem Auf­ teilungspunkt (7) und dem jeweiligen Stellglied angeord­ neten Filter in den übrigen Kanälen Impedanzwandler (19, 35) enthalten.

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

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vereinigungsschaltung (59) für die Kanäle als nichtinvertierender Verstärker (48) mit niederohm­ igem Eingangswiderstand ausgebildet ist, wobei in einem Rückkopplungsweg zwischen dem Ausgang (51) und dem nichtinvertierenden Eingang (49) ein invertierender Ver­ stärker (53) angeordnet ist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die frequenzselektiven Kanäle und die Vereinigungsschaltung (59) bei Kompression im Gegenkopp­ lngsweg zwischen dem Ausgang (7) und dem invertieren­ den Eingang (6) eines Differenzverstärkers (4) angeord­ net sind und bei Expansion im Signalweg in Serie mit dem Differenzverstärker (4) angeordnet sind.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die frequenzselektiven Kanäle und die Vereinigungsschaltung (59) bei Expansion im Gegenkopp­ lungsweg zwischen dem Ausgang (7) und dem invertieren­ den Eingang (6) eines Differenzverstärkers (4) angeord­ net sind und bei Kompression im Signalweg in Serie mit dem Differenzverstärker (4) angeordnet sind.