DE3125790A1 - Schaltungsanordnung zum modifizieren des dynamikbereiches - Google Patents

Description

Patentanwälte European Patent Attorneys

% München

D26 P32 D

Ray M. Dolby

San Francisco, CaI., USA

Schaltungsanordnung zum Modifizieren des Dynamikbereiches

Priorität: 30. 6.1980 -USA- Serial No. 163 950 22. 8.1980 -USA- Serial No. 180 771

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Die Erfindung betrifft allgemein Schaltungsanordnungen, die den Dynamikbereich von Signalen ändern, nämlich. Kompressoren, die den Dynamikbereich komprimieren und Expander, die den Dynamikbereioh expandieren. Die Erfindung ist besonders nützlich zur Behandlung von Audiosignalen, ist jedoch auch bei anderenSignalen anwendbar.

Kompressoren und Expander werden normalerweise, zusammen verwendet (ein Kompandersystem), um eine Gerausohminderung zu bewirken; das Signal wird" vor der Übertragung oder Aufzeichnung komprimiert und nach dem Empfang oder der Wiedergabe vom Übertragungskanal expandiert. Kompressoren können jedoch auch alleine verwendet werden, um den Dynamikbereioh herabzusetzen, beispielsweise um der Kapazität eines Über-

tragungskanals Rechnung zu tragen, ohne anschließende Expansion, wenn das komprimierte Signal für den gewünschten Zweck adäquat ist. Zusätzlich werden Kompressoren alleine· in gewissen Produkten verwendet, insbesondere Audioprodukten, die nur dazu vorgesehen sind, komprimierte Rundfunk- oder aufgezeichnete Signale zu übertragen oder aufzuzeichnen. Expander allein werden in gewissen Produkten verwendet, insbesondere Audio-Produkten, die nur dazu vorgesehen sind, bereits komprimierte Rundfunk- oder aufgezeichnete Signale zu empfangen oder wiederzugeben. In gewissen Produkten, insbesondere Audio-Aufzeiohnungs- und Wiedergabe-Geräten, ist ein einzelnes Gerät oft so konfiguriert, das die Betriebsart umgeschaltet werden kann, und zwar auf Kompressorbetrieb zur Aufzeichnung von Signalen, und für Expanderbetrieb zur Wiedergabe von komprimierten Rundfunk- oder voraufgezeichneten Signalen.

Der Betrag der Kompression oder Expansion kann in dB ausgedrückt werden. Beispielsweise bedeutet die Angabe "10 dB Kompression", daß ein dynamischer Eingangsbereich von N dB auf einen Ausgangsbereich von (N-10) dB komprimiert wird. Wenn in einem. Geräuschminderungssystem einer Kompression von 1.0 dB eine komplementäre Expansion voa 10 dB folgt, so ergibt sich in der üblichen Ausdrucksweise eine Geräuschminderung von 10 DB.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Schaltungsanordnung zum Modifizieren des Dynamikbereiches eines Eingangssignals," die eine erste Schaltung mit einer bilinearen Charakteristik aufweist (wobei "linear" in diesem Zusammenhang konstante Verstärkung bezeichnen soll); diese bilineare Charakteristik ist zusammengesetzt aus:

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1) einem linearen Niedrigpegel-Teil bis herauf zu einer Schwelle,

2) einen nichtlinearen Mittelpegel-Teil (mit veränderlicher Verstärkung) oberhalb der Schwelle und "bis zu einem Endpunkt, der für ein •vorbestimmtes maximales Kompressionsverhältnis oder Expansionsverhältnis sorgt, und

3) einem linearen Hochpegel-Teil mit einer Verstärkung, die sich von der Verstärkung des ETiedrigpegel-Teils unterscheidet.

Die Charakteristik wird als bilineare Charakteristik bezeichnet, weil zwei Teile mit im wesentlichen konstanter Verstärkung vorhanden sind. In der Praxis sind die Schwelle und der Endpunkt nicht immer gut definierte "Punkte". Die beiden tJbergangsbereiche, wo der Mittelpegelbessich in den linearen Niedrigpegel- bzw. Hochpegel-Ber.eich übergeht, können irgendeine Form haben, sowohl die einer scharfen Biegung als auch die eines besonderen weichen Übergangs, je nach der Steuerkennlinie des Kompressors· und des Expanders. ■ .

Es ist auch darauf hinzuweisen., daß Schaltungsanordnungen mit bilinearer Charakteristik zu unterscheiden sind von zwei anderen bekannten Arten von Schaltungsanordnungen, nämlich:

a) eine logarithmische oder nichtlineare Schaltungsanordnung mit fester oder veränderlicher Neigung und ohne irgendeinen linearen Teil: die Verstärkung ändert sich über den gesamten Dynamikbereich. · *

A-JL

b) Schaltungsanordnungen mit einer Charakteristik mit zwei oder mehr Teilen, yon denen nur ein einziger Teil linear ist ("uni-linear").

Sine Schaltungsanordnung mit einer bilinearen Charakteristik hat spezielle Vorteile und wird in großem Umfang verwendet. Die SclweHe oder der Schwellwert kann, oberhalb d«s Eingangsrauschpegels oder des Übertragungskanal-Rauschpegels eingestellt werden, um die Möglichkeit auszuschließen, daß die Schaltung.durch Rauschen gesteuert wird« Der Hochpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung vermeidet eine nichtlineare Behandlung hoohpegeliger Signale, wodurch sonst Verzerrungen eingeführt würden. Darüber hinaus ergibt der Hochpegelbereich im FaIIe eines Audio-Signals, für das die Schaltung syllabisch sein muß, einen Bereich, in dem Überschwingungen berücksichtigt werden können, die mit einer syllabischen Schaltung auftreten, wenn der Signalpegel abrupt steigt. Diese Überschwingungen werden durch Clipper-Dioden oder ähnliche Einrichtungen unterdrückt. Kur bilineare Charakteristiken bringen diese Kombination von Vorteilen mit sich.

Die überwiegende Anzahl bekannter Schaltungen mit bilinearer Charakteristik, die heutzutage im Verbraucher-Audio-Geräten verwendet werden, ergeben 10 dB Kompression bzw. Expansion, was für viele Zwecke ausreicht. Ein gewisses Rauschen bleibt jedoch für kritische Hörer hörbar, und für höchste Wiedergabetreue sind stärkere Kompression und Expansion erwünscht, sagen wir etwa 20 dB. Es ist schwierig, solche großen Kompressions- oder Expansionsbeträge zu erzielen, ohne auf Probleme zu treffen, die die Signalqualität beeinträchtigen«

Es sind Schaltungen "bekannt und im Handel erhältlich, die 20 ^dß Kompression oder Expansion ergehen, und sogar mehr_s es handelt sich jedoch gewöhnlich um logarithmische Schaltungsanordnungen mit konstanter Neigung, "bei denen sich die Verstärkung konstant über dem ganzen Dynamikbereich oder nahezu dem ganzen Dynamikbereieh ändert. Solche Schaltungen leiden, unter stärkeren Verzerrungs- und Signalgleichlauf-

,-sehr niedrigen und sehr „^ . _ , , Problemen bei/hohen Signalßegeln als bilineare Schaltungen, bei denen die Verstärkungsänderung auf einen mittleren Teil der Charakteristik beschränkt ist, und Überschwingungsprobleme treten in stärkerem Maße auf als bei Anordnungen mit bilinearer Charakteristik. Bekannte Kompander mit konstanter Neigung verwenden Kompressionsverhältnisse im Bereich 1,5:1, 2:1 und 3:1, ein Verhältnis 2:1 ist jedoch am verbreitesten.

Das Kompressionsverhältnis wird als das Verhältnis einer Zunahme im Eingangsdynamikbereich zur entsprechenden Zunahme im Ausgangsdynamikbereich. Das Expansionsverhältnis für einen komplementären Expander ist das Inverse des ^Kompressionsverhältnisses. Wenn das Kompressionsverhältnis 3:1 beträgt, beträgt das Expansionsverhältnis 1:3. Es ist bequem, das Konzept des inversen ExpansionsVerhältnisses zu verwenden, das für das soeben genannte Beispiel 3si beträgt, d.h. es entspricht dem Kompressionsverhältnis. Der Einfachheit halber wird die folgende Diskussion hauptsächlich auf das Kompressionsverhältnis beschränkt, wobei Jedoch selbstverständlich zu berücksichtigen ist, daß die gleichen Betrachtungen mutatis mutandis für das Expansionsverhältnis anzustellen sind.

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Ein hohes KompresBionsverhältnis hat den Nachteil, daß es schwierig ist, die Komplementarität zwischen Kompressor und Expander zu gewährleisten; insbesondere Pegelfehler oder Fehler im Frequenzgang des Übertragungs- oder Aufzeichnungsmediums führen zu entsprechend vervielfachten Fehlern am Ausgang des Expanders.

Es ist-bekannt, (zum Beispiel US-PS 2 558 002, US-PS 4 061 874; JapaniscEe Patentveröffentlichung 51-20124) den Betrag der verfügbaren Kompression dadurch zu erhöhen, daß mehrere Kompressorstufen in Kaskade geschaltet werden. Diese bekannten Schaltungen (gesteuerte Impedanzeinrichtungen, Dioden etc.)» multiplizieren die Kompressionsverhältnisse der einzelnen Stufen, so daß sich ein hohes Kompressionsverhältnis ergibt, mit den oben erläuterten Nachteilen. Beispielsweise ergeben eine Schaltung mit einem Kompressionsverhältnis 2:1 mit einer anderen mit einem Kompressionsverhältnis 3^1 ein Gesamtverhältnis von -6:1. Das resultierende Expansionsverhältnis 1:6 steBfc außerordentlich hohe Anforderungen an die Gleichförmigkeit des Übertragungskanals. Ein weiterer Gesichtspunkt sind die Forderungen an die Schaltung, die die Verstärkungsänderung bewirkt, die dazu erforderlich ist, die Kompressor- oder Expander-Kennlinie zu erzielen. Es ist relativ leicht, dafür zu sorgen, daß eine Schaltung genaue Verstärkungsänderungen innerhalb eines Bereichs von 10 dB bewirkt; es ist jedoch wesentlich schwerer, dafür zu sorgen, daß die gleiche Schaltung genaue Verstärkungsänderungen über einen Bereich von 20 dB bewirkt. Es ist deshalb schwierig, eine kontrollierte, reproduzierbare Charakteristik zur Verwendung in einem Kompandersystem zu erreichen. Die japanische Patentveröffentlichung 51-20124 kommt zu dem Schluß, daß mehrere Kompressoren (und Expander) in Reihe für Wiedergabesysteme für hohe Wiedergabetreue als Geräuschminderungssystem nicht geeignet sind.

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Es ist auch bekannt (US-PS«en 3 902 131 und 3 930 208) mehrere Kompressorstufen in Kaskade anzuordnen, die in einander ausschließenden Frequenzbereichen arbeiten. Solche Anordnungen "brauchen nicht zu einer Erhöhung des Kompressionsverhältnisses gegenüber dem von einer Einzelstufe zu führen, sie führen jjedoch auch nicht zu einer Erhöhung der Kompression.

Aufgrund all dieser Überlegungen ist es Aufgabe der Erfindung, einen größeren Betrag der Kompression oder Expansion ohne einen unerwünscht großen Anstieg des Kompressionsverhältnisses zuerreichen und ohne daß sehr Irohe Anforderungen an irgendeine Schaltung gestellt werden müssen, die in die Bewirkung der Verstärkungsänderung involviert ist.

Weiter soll durch die Erfindung ein höherer Betrag an Audio-Kompression oder -Expansion erreicht werden, ohne daß ein unerwünscht großer Anstieg von "Überschwingungen hervorgerufen werden wird, die bei Signalsprüngen entstehen.

Einer näheren Untersuchung von bilinearen Schaltungen zeigt, daß sie nicht nur die oben aufgeführten Vorteile haben, sondern auoh noch einen weiteren - nämlich eine Möglichkeit zur Lösung des Problems des hohen Kompressionsverhältnisses und, im lalle von Audio-Schältungen, eine Möglichkeit zur Lösung des Problems starker tfoer schwingungen«,

Es ist zunächst darauf hinzuweisen, daß die Überlagerung der linearen Bereiche das Kompressionsverhältnis in diesen Bereichen nicht erhöht, das Kompressionsverhältnis wird nur in dem begrenzten Bereich erhöht, in dem die Dynamikwirkung

stattfindet. Es wurde deshalb festgestellt, daß es möglich, ist, die Bereiche der Dynamikwirkimg in der Weise zu trennen, daß zwar insgesamt ein Anstieg der Kompression erhalten wird, gleichzeitig aber das Gesamt-Maximum des Kompressions- oder Expansionsverhältnisses nicht erheblich, geändert wird.

Ein weiteres Merkmal einer solchen Anordnung besteht darin, daß das Gesamtresultat bilinear ist, mit allen zugehörigen Vorteilen. Die Staffelungsmöglichkeit der Wirkung von bilinearen Geräten bildet einen weiteren, bisher nicht erkannten Vorteil dieser Geräteart.

Die oben angegebenen Ziele werden durch die Erfindung erreicht, die dadurch gekennzeichnet sind, daß einer ersten Schaltung, die eine bilineare Eingangs-Ausgangs-Oharakteristik hat, eine oder mehrae Schaltungen folgen, die ebenfalls bilineare Charakteristiken bei irgendeiner gegebenen Frequenz innerhalb eines Frequenzbereiches hat bzw. haben, der den Schaltungen gemeinsam ist. Die Schwellen und die Dynamikbereiche der Schaltungen werden auf unterschiedliche Werte eingestellt, so daß die Mittelpegelbereiche der Charakteristiken der Schaltungen gestaffelt werden, um eine Verstärkungsänderung über einen größeren Bereich von mittleren Eingangspegeln als für irgendeine der Schaltungen einzeln zu erreichen, und um eine größere Differenz zwischen den Verstärkungen bei niedrigen und hohen EingangspegeIn zu erhalten, jedoch mit einem maximalen Kompressions- oder Expansionsverhältnis, das im wesentlichen nicht größer ist als das maximale Kompressionsverhältnis irgendeiner Einzelschaltung, und zwar dank der Staffelung.

Wenn im Falle von Audio-Schaltungen die Schaltungen Überschwingungsunterdrüokungs-(Begrenzungs-)Elemente haben,dann ist es auch möglich, deren Schwellwerte zu staffeln, zusammen mit der Staffelung der syllabischen Schwellen. Die Über-

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Schwingungen der Niedrigpegelschaltungen oder -stufen, werden entsprechend herabgesetzt, mit einem minimalen Gesamt-tiberschwingen der mehreren Stufen. Das steht im Konteö: zu konventionellen logarithmischen Kompressoren, hei denen starke Überschwingungen notwendigerweise hervorgemfen werden.

Jede dieser Schaltungen kann eine Änderung des Spektralgehaltes des Signals einführen - "beispielsweise im Falle eines Kompressors eine Höhenanhebung bei kleinen Pegeln. Jede folgende Stufe kann damit von einem Signal mit sich progressiv änderndem Spektralgehalt betätigt werden. Im Ualle von komplexen Signalen hat das den Vorteil einer Spektralverbreiterung der Fehlermöglichkeiten in der Dekoderfunktion. Im Falle eines Bandaufzeichnungsgerätes mit ungleichförmiger Prequenzgang-Charakteristik reduziert beispielsweise die Spektralverschiebungsneigung die dynamischen ,, und Frequenzgang-Pehler über alles im dekodierten Resultat.

Es soll jetzt der Betrag der erforderlichen Staffelung betrachtet werden. Der Einfachheit halber wird dazu auf eine Reihenschaltung von zwei Kompressorschaltungen Bezug genommen. Das Kompressionsverhältnis jeder der beiden Schaltungen steigt von eins an der jevieiligen Schwelle ' zu einem Maximum (z.B. 2s1 und dieser Teil soll als steigende flanke des Kompressionsverhältnisses bezeichnet werden. Das Verhältnis fällt dann zurück auf eins und dieser Teil soll als.fallende Planke bezeichnet werden. Strenggenommen, kann die fallende Planke sich asymptotisch an eins annähern, praktisch kann jedoch angenommen werden, daß der Wert eines erreicht ist, wenn das Kompressionsverhältnis einen Wert hat, der sich nur um einen beliebig kleingewählten Betrag vom Wert eines unterscheidet.

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Die Staffelung des Mittelpegelbereichs der beiden Schaltungen resultiert darin, daß die fallende Flanke einer Schaltung die steigende Planke der anderen Schaltung überlappt. Wenigstens in erster Näherung kann dafür gesorgt werden, daß die Differenz zwischen den beiden Schwellen einen solchen Wert hat, daß die Überlappung der Planken in einem Gesamtkompressions-Verhältnis resultiert, daß das maximale Kompressionsverhältnis einer der Schaltungen selbst nicht merklich übersteigt.

Vorzugsweise liegt die Schwelle der zweiten Schaltung niedriger als die der ersten Schaltung (wenn mehr als zwei Schaltungen verwendet werden, hat jede weitere Schaltung vorzugsweise eine progressiv niedriger liegende Schwelle) im Falle eines Kompressors und umgekehrt im Falle eines Expanders. Im Prinzip kann die Reihenfolge umgekehrt werden, wobei die erste Kompressorschaltung die niedrigere Schwelle hat.

Im Falle von mehr als zwei Schaltungen kann die Reihenfolge der Schwellwertpegel im Prinzip willkürlich sein und auch ihre Aufeinanderfolge beliebig sein, sofern nur die Mittelpegelteile der Schaltungen in passender Weise gestaffelt sind.

Als ideale Staffelung wird eine solche angesehen, bei der die fallende Planke der einen Schaltung die steigende Planke der anderen Schaltung überlappt, um, soweit wie möglich, den Pegelbereich zu beschränken, in dem die Dynamikwirkung in der Gesamt-Reihenschaltung stattfindet, während gleichzeitig eine merkliche Erhöhung des maximalen Kompressions- oder Expansionsverhältnisses gegenüber dem eines Einzelgerätes vermieden wird. Wenn dann beispielsweise das maximale Kompressionsverhältnis jeder Schaltung 2:1 beträgt, steigt das Kompressionsverhältnis der Gesamtschaltungs-

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anordnung auf 2:1, bleibt auf diesem Wert innerhalb der Überlappung, und fällt dann auf eins zurück. Idealerweise ergibt sich damit überhaupt kein Anstieg über das Verhältnis 2:1, im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, von Kompressorstufen in Kaskade, die die Verhältnisse auf 4:1 vervielfachen.

In der Praxis kann es schwierig sein, eine optimale Überlappung bei allen Frequenzen zu erreichen, es ist jedoch zu erkennen, daß, sofern eine vernünftige Annäherung an das Ideal angestrebt wird,, daß verhindert werden kann, daß das Maximum des Gesamt-Kompressionsverhältnisses in dem angegebenen Beispiel zu stark über 2:1 ansteigt. In einer praktischen Schaltungsanordnung kann es vielleicht auf 2,5»1 ansteigen.

Ein niedriges maximales Kompressionsverhältnis (beispielsweise 1,5 : 1) ermöglicht es dem Expander, leichter dem Kompressor zu folgen, um für eine gute Komplementarität bei Sighalkanälen mit etwas unzuverlässigen Verstärkungen und/oder Frequenzgängen zu sorgen. Ein niedriges Kompressionsverhältnis breitet jedoch die Dynamik-Wirkung über einen größeren Pegelbereich aus, wodurch sich ;eine größere Neigung zur Geräuschmodulation für ein und denselben maximalen Betrag an Geräuschminderung^ (Verstärkungsdifferenz bei niedrigen und hohen Pegeln)ergibt. Es muß also ein Kompromiß bezüglich der unerwünschten Effekte gefunden werden, die durch große und durch kleine Kompressionsverhältnisse verursacht werden. Dementsprechend hängt das ideale Kompressionsverhältnis von der System-Umwelt und den Entwurfszielen des Systems ab·

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Die Möglichkeit, bilineare Stufen zu staffeln·, gibtdem Konstrukteur eine zusätzliche Möglichkeit an die Hand, eine Gesamtschaltung zu optimieren. Bei dieser Optimierung können die Formen der Kompressionscharakteristiken der einzelnen Stufen speziell unter Berücksichtigung der Staffelung entworfen werden. Die Signalsprungcharakteristiken der Schaltungen werden alle in diese Betrachtung einbezogen und es wird vorzugsweise die Gelegenheit wahrgenommen, die tJberschwingungs-Unterdrückungsschwellen in Audio-Kompression und -Expandern zu staffeln, um eine minimale Überschwingung über die ganze Schaltung zu erhalten.

Eine unter der Bezeichnung "sliding band" in weitem Umfang bekannte Schaltung, die als erste und zweite Schaltung verwendet werden kann, erzeugt die spezifizierte erwünschte Charakteristik für den Fall der Hochfrequenz-Audio-Kompression oder -Expansion dadurch, daß eine Hochfrequenzanhebung (für

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Kompression) oder Absenkung (für Expansion) mittels eines Hochpaßfilters mit variabler unterer Grenzfrequenz eingeflihrt wird. Wenn der Signalpegel im Hochfrequenz"band steigt, gleitet die Filtergrenzfrequenz aufwärts, so daß das angehobene "bzw. abgesenkte Band verschmälert wird und das Nutzsignal von der Anhebung bzw. Absenkung ausgeschlossen wird. Beispiele solcher Schaltungen sind beschrieben in den ÜS-PS'en Re 28 426, 3 757 254, 4 072 914, 3 934 190 und japanischer Patentanmeldung 55529/71.

Entsprechend können sowohl die erste als auch die zweite Schaltung eine solche "sliding band"-Schaltung sein. Im Prinzip können die Ruhe-Grenzfrequenzen der beiden "sliding band"-Schaltungen unterschiedlich sein und das kann dazu ausgenutzt werden, einen Kompressions- oder Expansionsgrad zu erhalten, der in einem Teil des behandelten Frequenzbandes größer ist als in einem anderen. · Gemäß einer wichtigen * Weiterentwicklung der Erfindung werden die Grenzfrequenzen jedoch im wesentlichen identisch gemacht. Das führt zu dem ■ Torteil einer schärferen Diskriminierung zwischen dem Frequenzbereich,in dem Anhebung oder Absenkung vorgenommen wird, und dem Bereich, wo das nicht geschieht, und dementsprechend einer schärferen Diskriminierung zwischen dem Bereich, in dem eine Geräuschminderung nicht weiter stattfindet, weil ein merkliches Nutzsignal auftritt, und dem Bereich, in dem die Geräuschminderung effektiv bleibt.

Andererseits sind auoh Schaltungen gut bekannt, bei denen das Frequenzspektrum durch entsprechende Bandpaßfilter in mehrere Bänder aufgespalten wird, und die Kompression oder Expansion wird in jedem Band durch eine Verstärkungssteuefung bewirkt, sei es eine automatisch ansprechende Begrenzungseinrichtung vom Diodentyp oder eine gesteuerte Be grenzung se in**·

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richtung, und zwarjim Pall eines Kompressors »mit irgendeiner Form einer reziproken oder komplementären Schaltung für einen Expander. Beispiele solcher Schaltungen sind in der US-PS 3 846 719 zu finden. Diese Schaltungen mit Bandaufspaltung oder Mehrpaß-Schaltungen haben den Torteil einer unabhängigen Wirkung in den verschiedenen Frequenzbändern, und wenn diese Eigenschaft erforderlich ist, können solche Schaltungen als erste, zweite oder noch höhere Stufe in der Schaltungsanordnung nach' der Erfindung verwendet werden.

Im Prinzip" kann eine der Schaltungen, sei es die erste oder die zweite, eine Mehrbandschaltung sein und die andere eine sliding "band-Schaltung. Das ist in speziellen Situationen interessant, wo es beispielsweise erwünscht ist, den Kompressions-oder Expansionsgrad in einem Teil des gesamten Frequenzbandes zu vergrößern, wobei die sliding band-Schaltung und einer oder mehrere der Mehrband-Kanäle in diesen Teil des Frequenzbandes wirken.

Es ist bekannt, bilineare Kompressoren und Expander, sowohl vom Typ sliding band als auch vom Typ Bandspaltung, unter Terwendung eines einzigen Signalweges aufzubauen. Allgemein wird jedoch bevorzugt, solche Geräte in der Weise aufzubauen, daß ein Hauptsignalweg geschaffen wird, der hinsichtlich des Dynamikbereiches linear ist, mit einer Tereinigungsschaltung in diesem Hauptweg, und einer weiteren Schaltung, die ihren Eingang vom Eingang oder Ausgang der weiteren Schaltung ableitet und deren Ausgang mit der Tereinigungsschaltung gekoppelt ist. Die weitere Schaltung weist einen Begrenzer (selbstwirkend oder gesteuert) auf, und das begrenzte Signal der weiteren Schaltung hebt das Signal des Hauptweges in'der Tereinigungsschaltung im Falle der Kompression an, wirkt jedoch im Falle der Expansion dem

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Signal des Hauptweges entgegen. Im oberen Teil des Eingangs-Dynamikbereichs ist das begrnzte Signal des weiteren Weges kleiner als das Hauptwegsignal. Der Hauptweg und die -weiteren Schaltungen sind vorzugsweise und am zweckmäßigsten getrennt identifizierbare Signalwege.

Solche "bekannte Kompressoren und Expander sind "besonders vorteilhaft, weil sie es ermöglichen, die gewünschte Art der Übertragungscharakteristik auf eine präzise Weise herzustellen, ohne Probleme der Verzerrung "bei hohen Pegeln. Der Uiedrigpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung wird dadurch verwirklicht, daß dem weiterenWeg oder der weiteren Schaltung eine Schwelle oberhalb des Rauschpegels gegeben wird; unterhalb dieser Schwelle ist der weitere Weg linear. Der Mittelpegelteil wird durch den Bereich erzeugt, innerhalb dessen die Begrenzerwirkung des weiteren Weges teilweise effektiv wird und der Hochpegelteil mit im wesentlicher konstanter Verstärkung ergibt sich, nachdem der Begrenzer vcül wirksam geworden ist, so daß das Signal des weiteren Weges aufhört, anzusteigen, und verglichen zum Signal des Hauptweges vernachlässigbar wird. Im höchsten Teil des dynamischen Eingangsbereiches ist der Ausgang der ganzen Schaltungsanordnung effektiv nur das Signal, das vom linearen Hauptweg durchgelassen wird, d.h. linear bezüglich des dynamischen Bereiches. In

Dual-Path-Audio-Schaltungen

sind Vorkehrungen für Unterdrückumg von Unterschwingungen speziell einfach.

Beispiele solcher bekannten Schaltungen sind in den TJS-PS'en 3 846 719, 3 903 485 und Ee 28 426 zu finden. Es sind auch analoge Schaltungen bekannt, die ähnliche Resultate erreichen, bei denen der" weitere Weg jedoch Charakteristiken invers zu Begrenzercharakteristiken hat

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und der Ausgang des weiteren Weges dem Hauptwegsignal zur Kompression entgegenwirkt, und das Hauptwegsignal zur Expansion anhebt (US-PS«en 3 828 280 und 3 875 537).

Jede dieser bekannten bilineare Schaltungen kann dementsprechend als erste oder zweite Schaltung der erfindungsgemäßen Schaltung verwendet werden, um die inhärenten Vorteile zu erreichen und für eine gute Möglichkeit zu sorgen, den gewünschten Betrag der Staffelung zu erreichen. Zu diesem Zweck werden die Schwellen und die Dynamikbereiche der beiden weiteren Wege entsprechend eingestellt.

Wie bereits' erwähnt, ist es nicht notwendig, die gewünschte Form einer bilinearen Charakteristik durch solche "dual path"-Techniken zu erzeugen. Es gibt Alternativen, die jeweils mit einem einzigen Weg arbeiten, wie sie beschrieben sind in den US-PS'en 3 757 254, 3 967 219, 4 072 914 und 3 909 733 und in der japanischen Patentanmeldung 55529/71, beispielsweise. Mit diesen alternativen Schaltungen können gewöhnlich nicht ebenso gute Resultate erzielt werden wie mit dual path-Schaltungen, oder sie sind weniger bequem und damit weniger wirtschaftlich, sie können jedoch im allgemeinen äquivalente Resultate ergeben. Dementsprechend können diese bekannten Schaltungen ebenfalls als eine oder mehrere der Schaltungen einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verwendet werden. Gewünschtenfalls kann die erste oder die zweite Schaltung eine dual path-Schaltung sein und die andere eine Einweg-Schaltung.

Die Erfindung wird näher anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen beispielhaften Satz von Kurven für komplementäre, bilineare Kompressions- und Expansionscharakteristiken;

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I¹Ig. 2 ein allgemeines Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung;

Pig. 3 eine grafische Veranschaulichung eines Beispiels für Bereiche der Dynamikwirkung, und wie sie bei in Reihe geschalteten Kompressoren oder Expandern getrennt werden können;

Pig. 4 eine vereinfachte Form der Darstellung inPig. 3;

Pig. 5 eine Reihe von idealisierten bilinearen Charakteristik-Kurven, die eine allgemeine Technik zur Staffelung der Schwellwerte von in Reihe liegenden Schaltungen illustrieren;

Pig. 6 ein Schaltbild eines bekannten sliding band-Kompressors; Pig. 7 ein Schaltbild eines bekannten sliding band-Expanders; Pig. 8 ein Schaltbild einer Modifikation für Pig. 6 bzw. 7;

Pig. 9 eine Blattschreiberaufzeichnung des Prequenzgangs unterhalb der Kompressionsschwelle von zwei Kompressoren bzw. Expandern in Reihe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Pig.10 eine Blattschreiberaufzeichnung des Prequenzgangs unterhalb der Kompressionsschwelle eines bekannten Kompressors und Expanders nach Pig. 6, 7 und 8;

Pig.11 eine Blattsohreiberaufzeichnung des Eingang-Ausgang-Prequenzganges eines Kompressors mit Reihenschaltung von Geräten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung";

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Pig. 12 eine Blattschreiberaufzeichnung des Eingangs-Ausgangs-Prequenzganges eines bekannten Kompressors mit einem einzelnen Gerät;

Pig. 13 bis 15 Reihen von Suchton-Kurven, die die sliding band-Wirkung einer Ausführungsform der Erfindung und der Schaltung nach Pig. 6 und 8 illustrieren;

Pig. 16 Kennlinien unterhalb der Kompressionsschwelle einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Pig. 17 charakteristische Kurven ähnlicher Art wie inPig. 11, jedoch für eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Pig. 18 charakteristische Kurven ähnlich denen der Pig. 11 .und 17, jedoch mit Illustration übertriebener Bündelung.

Beispiele für bilineare, komplementäre Kompressions- und Expansions-Übertragungs-Charakteristiken (bei einer bestimmten Prequenz) sind in Pig. 1 dargestellt, wobei für die Kompressionscharakteristik der Niedrigpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung, die Schwelle, der Teil, in dem die Dynamikwirkung stattfindet, der Endpunkt und der Hochpegelteil mit im wesentlicher konstanter Verstärkung bezeichnet sind.

Pig. 2 zeigt die Erfindung in ihrer allgemeinsten Porm: Ein erster bilinearer Kompressor 2 nimmt die Eingangsinformation auf und legt seinen Ausgang an einen zweiten bilinearen Kompressor 4-, der in Reihe geschaltet ist, und dessen Ausgang an einen rauschbehafteten Informationsübertragungskanal N gelegt wird. Zwei in Reihe geschaltete bi-

lineare Expander 6 und 8-empfangen den Eingang vom Kanal N im Expander 6 und liefern am Ausgang des Expanders 8 den Ausgang des Geräuschminderungssystems. Die Bereiche der Dynamikwirkung der in Reihe geschalteten Geräte sind getrennt oder gestaffelt in Bezug aufeinander innerhalb des Frequenzbereiches, der den Geräten gemeinsam ist. Wenn auch die Figur zwei Geräte auf jeder Seite des Informationskanals N zeigt, so können doch zwei oder mehr verwendet werdeni Die Erfindung ^zieht zwei oder mehr, in Reihe geschaltete "bllineare Kompressoren oder Expander in Betracht» Wenn das ganze als komplementäres Geräusohminderungssystem konfiguriert ist, werden gleiche Anzahlen von in Reihe geschalteten bilinearen Kompressoren und Expandern vorgesehen.

Die Reihenfolge der Stufen mit bestimmten Charakteristiken im Kompressor ist im Expander umgekehrt. Beispielsweise ist < die letzte Stufe des Expanders komplementär zur ersten Stufe des Kompressors in jeder Hinsicht - statisches Verhalten und zeitabhängiges dynamisohes Verhalten " (Frequenz-, Phaser*» und Sprungverhalten unter allen Bedingungen von Signalpegeln und Dynamik).

Ein Beispiel für die Trennung oder Staffelung von zwei bilinearen Geräten ist in Fig. 3 epafisch veranschaulicht, wobei das Kompressionsverhältnis über dem Eingangsamplituden·= pegel (horizontale Achse) für einen Kompressor oder Expander₉ der bei einer bestimmten Frequenz arbeitet, aufgetragen ist. Der Klarheit halber sind die Kurven in idealisierter Form dargestellt; in der Praxis sind die Kurven etwas asymmetrisch in praktischen Ausführungen von Geräuschminderungssystem vom Typ A bzw. B gemäß US-PS 3 846 719 bzw. US-PS Re 28 426. Kurve 12 bezieht sich auf die Dynamikwirkung eines Kompressors oder

Expanders (Hochpegelstufe). Kurve 10 ist die eines weiteren Kompressors oder Expanders (Niedrigpegelstufe) mit einem getrennten Bereich der Dynamikwirkung. Wenn die Hochpegelstufe die erste in der Reihe von Kompressoren (aweite in der Reihe von Expandern) ist, repräsentiert die Kurve 12 die Variationen des,Kompressionsverhältnisses der ersten (Kompressor) Stufe in Abhängigkeit vom Eingangspegel zur ersten Stufe, und Kurve 10 die Variation des Kompressionsverhältnisses der zweiten (Kompressor) Stufe als Funktion des Eingangspegels zur ersten Stufe. Die oberen Kurven sind diejenigen von Kompressoren, die unteren Kurven diejenigen von Expandern. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wirkungsbereiche in Antwort auf Eingangsamplitudenpegel derart getrennt, daß das Produkt der beiden Kurven in einer Gesamtcharakteristik resultiert, die ein Kompressions- oder Expansionsverhältnis hat, das zwischenden Punkten 10a und 12a (10b und 12b) maximaler Kompression der beiden Geräte 2:1 (1:2) nioht überschreitet.

Selbst mit den beiden Geräten in Reihe bleiben also die Betriebsendbereiche weiterhin fest, das maxiaale Kompression··? verhältnis und das maximale ExpansionsVerhältnis werden nicht über, die eines einzelnen Gerätes erhöht und die Vorteile einzelner bilinearer Einrichtungen werden beibehalten. Dementsprechend sollten irgendwelche fehler, die innerhalb des Bereiches der Dynamikwirkung durch die Geräte in Reihe verursacht werden, nicht diejenigen eines Einzelgerätes übersteigen.

Die meisten bilinearen Einrichtungen legen die festen End- ·^: bereiche konstanter Verstärkung mittels fixierter, voreinge~ *" stellter Schaltungselemente, wie Widerstände und Kondensatoren; fest, die ihrer Natur nach stabil sind und keine Dynamikfehler, Spannungsverlaufverzerrungen u. dgl. einführen können.

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Dementsprechend können nur in einem Übeigangsbereich des Betriebes, zwischen den linearen Bereichen mit konstanter Verstärkung irgendwelche dynamisch aktiven Teile der Schaltungen Signalfehler einführen.

Es ist zu "beachten, daß in der Darstellung der Pig. 2 der Dynamikbereich eines konventionellen logarithmischen Kompressors oder Expanders eine horizontale Linie wird; Linie 11 ist beispielsweise die Kennlinie eines 2:1 Kompressors Linie 13 die eines 1:2 Expanders. Es ist klar, daß in dieser Analyse keine Gelegenheit zur Trennung oder Staffelung der Wirkung solcher Einrichtungen vorhanden ist.

Zur Zwecke der Analyse und um eine erste Näherung für den notwendigen Schwellwertpegel zur· Erzielung einer optimalen Staffelung nach der Erfindung zu erhalten, ist es nützlich, Pig. 3 noch weiter· zu idealisieren. Es soll deshalb angenommen werden, daß jeder Kompressor (und Expander) an einem Schwellwertpegel sofort sein maximales Kompressionsverhältnis erreioht und dieses Verhältnis beibehält, bis er einen Endpunkt an einem höheren Pegel erreicht, wo die Dynamikwirkung abrupt aufhört. Dann erscheint eine Reihe von Kompressoren und Expandern in der Darstellungsweise der Pig. 3 als eine Polge von aneinanderschließenden rechteckigen Kurven, wie sie in Pig. 4 dargestellt sind. Als Beispiel sind hier drei Kompressoren und Expander mit bilinearer Charakteristik in Reihe geschaltet. Die Uiedrigpegeleinrich-

es ·

tung, bei der sich vorzugsweise um den dritten Kompressor (erster Expander) handelt, hat die niedrigste Schwelle (T.,), die bei -62 dB dargestellt ist, mit dem Endpunkt (P,) bei -46 dB, wo die Schwelle (T₂) der Mittelpegelstufe liegt. Die Mittelpegelstufe hat ihren Endpunkt (P₂) bei - 30 dB, der Schwelle (T-) der Hochpegelstufe. Die Hochpegelstufe hat ^f

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ihren Endpunkt (P₁) bei -14 dB. Alle Pegel beziehen sich auf den Gesamt-Eingang. Es wird ferner angenommen, daß Jede Stufe eine Verstärkung von 8 dB hat und ein maximales Kompressionsverhältnis von 2:1.

Pig. 5 zeigt idealisierte Charakteristik-Kurven (Uber-Alles-Eingang gegenüber -Ausgang) für die Kompression beruhend auf dem Beispiel der Fig. 4 (die spiegelbildlichen Expansionskurven sind der Klarheit halber weggelassen worderi. Die Zeichnung zeigt, wie die Dynamikwirkung jeder Stufe im Anschluß an die der benachbarten Stufe auftritt, so daß sich ein Gesamt-Kompressionsverhältnis 2:1 ergibt, während 24 dB Kompression erhalten werden.

Aufgrund der Beobachtungen in Pig. 4 und 5 gibt eine einzige Gleichung die Beziehung zwischen Schwellwertpegeln (T), Endpunkt (P), maximales Kompressionsverhältnis (C) und Verstärkung (G) irgendeiner bestimmten Stufe an:

Unter Verwendung dieser Gleichung können die Schwellwertpegel für jede Stufe in einem iterativen Prozeß zu einer vernünftig engen Häherung bestimmt werden. Wenn beispielsweise ein Gesamt-Endpunkt (]?- ) von -14 dB mit einer Stufenverstärkung von 8 dB und einem maximalen Kompressionsverhältnis von 2 gewünscht wird, zeigt die Gleichung, daß die Hochpegelschwelle (T₁) bei -30 dB liegen soll. Dieser Wert wird dann ala Endpunkt (Pp) der Mittelpegeletufe verwendet, um zu bestimmen, daß deren Sohwelle bei -46 dB liegen soll und so fort. Auf diese Weise wird jede Stufe auf das Resultat der vorangegangenen Stufe in dieser Analyse bezogen.

Die berechnete Schwelle ist jedoch, die Ge samt schwelle, bezogen auf den Eingang der Reihenschaltung. TJm die Schwelle einer speziellen Schaltung zu erhalten, "bezogen auf ihren eigenen Eingang, wird die kumulative Signalverstärkung "bis zu diesem Punkt "berücksichtigt. Beispielsweise beträgt die Schwelle der Hiedrigstpegelstuf e in I¹Xg. 5 -46dB bezogen auf den Eingang dieser Stufe.

Die Gleichung kann auch für den Endpunkt!¹,das Kompressionsverhältnis C, oder die Verstärkung G gelöst werden. Der Konstrukteur kann also seine Schaltungsparameter auf der Basis seiner Konstruktionsziele festlegen. Solche Zeile können beispielsweise sein, daß die niedrigstpegelige Schwelle oberhalb des Grundrausehens liegt, daß der höchstpegelige Endpunkt niedrig genug liegt, um. die Verwendung eines Überschwingungsschutzes zu erlauben, und daß das maximale Gesamt-Kompressionsverhältnis nicht einen bestimmten Wert übersteigt. ■

In praktischen Schaltungen sind, wie einleitend bereits erwähnt, die Schwelle und der Endpunkt nicht immer gut definierte Punkte, als die sie in dieser Analyse behandelt werden. Die Bereiche, in denen der Mittelpegelbereich in den Niedrig- bzw. Hochpegelbereich übergeht, können gleitend oder abrupt zulaufen, je nach der Kennlinie der Schaltung, die die Dynamikwirkung steuert. In der Praxis überlappt des™ halb der Schwellwertbereich der einen Schaltung den Endpunktbereich einer anderen Schaltung.

Eine Betrachtung-der obigen Gleichung in Pig. 5 zeigt, daß für den speziellen lall eines Kompressionsverhältnisses 2:1 die Hälfte der Schwellenstaffelung durch die Signalverstärkungen der Stufen erreicht wird und daß die

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andere Hälfte durch eine geänderte Vorspannung des Steuerelementes und/oder eine geänderte Steuerverstärker-Verstärkung (höhere Verstärkung für niedrigere Schwelle) erzielt werden muß. In ähnlicher Weise wird für Kompressionsverhältnisse 1,5:1 oder 3:1 1/3 "bzw. 2/3 der Staffelung durch die Stufenverstärkungen eingesteht und 2/3 bzw. 1/3 der Staffelung muß durch die Steuerschaltung "bewirkt werden.

In Figuren 1 und 5 ist OdB ein Nenn-Maxiroum oder Bezugspegel. In Praxis ist noch ein Freiraum von einigen 10 dB bis 20 dB oberhalb des OdB-Pegels vorgesehen

Wie bereits erwähnt ist es gewöhnlich vorzuziehen,/daß die Hochpegelstufe die erste in einer Kompressorreihe ist und die Niedrigpegelstufe die letzte. Eine umgekehrte Anordung ist jedoch auch möglich. Im Umkehrungsfall braucht der Steuerverstärker der ersten Stufe eine hohe Verstärkung, um die erforderliche niedrige Schwelle zu erreichen. Diese niedrige Schwelle gilt dann auch in der Gegenwart von hochpegeligen Signalen, was im Falle der bekannten sliding band-Systeme gewöhnlich zu einem schlechten Rauschmodulationsverhalten des Gesamtsystems führt. In dieser TJmkehranordnung muß jede Stufe ausreichend Steuerverstärker-Verstärkung aufweisen, um die für diese Stufe erfaderliche Schwelle zu erreichen. Darüber hinaus ist jede Schwelle im wesentlichen fixiert und unabhängig vom Betrieb der anderen Stufen Dies ist die Konsequenz der Tatsache, daß die Signalverstärkung jeder früheren Stufe im wesentlichen auf Eins gefallen sind, wenn die Schwelle für die entsprechende folgende Stufe erreicht wird. Die Berechnung der Schwellen, die für die optimale Staffelung im umgekehrten Falle erforderlich sind, ist die Gleiche wie die im bevorzugten Falle. Die Schwelle jeder Stufe, bezogen auf ihren Eingang, wird jedoch die gleiche wie die Gesamt-Schwelle.

Im Gegensatz zur TJmkehrsituation liegt in der bevorzugten An-

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Ordnung (bei der die Hochpegelstufe die erste in der Kompressorkette ist und die Niedrigpegelstufe die letzte) eine nützliche Wechselwirkung zwischen den Stufen-verstärkungen und den Schwellen vor. Die Schwellen der stromabwärtigen Stufen werden teilweise durch die Signalverstärkungen der vorangegangenen Stufen bestimmt. In einem zweistufigen System mit 10 dB Niedrigpegelverstärkung pro Stufe wird die erforderliche Verstärkung des Steuerveratärkere der zweiten Stufe um 10 dB reduziert, dank der Niedrigpegel-SignalverStärkung der ersten Stufe. Wenn ein hochpegeliges Signal erscheint, werden die 10 dB Verstärkung der ersten Stufe eliminiert und die Schwelle der Niedrigpegelstufe wird effektiv um 10 dB erhöht. Mit sliding band-Compandera verbessert das das Rauschmodulationsverhalten der Geräuschminderungswirkung,

Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärkungen aller vorangegangenen Stufen bis zu der Schwelle irgendeiner folgenden Stufe voll wirksam. Im Gegensatz zu dem oben .beschriebenen System mit umgekehrter Ordnung nutzt die bevorzugte Anordnung am besten die vorherrschenden Signalverstärkungen der einzelnen Stufen aus, nämlich:

1. Bei sehr niedrigpegeligen Signalen (unter der Schwelle) ist die erforderliche Verstärkung des Ste.uerverstärkers jeder Stufe um einen Betrag reduziert, der gleich der kumulativen Signalverstärkung aller vorangegangenen Stufen ist. Beim Beispiel der Pig. 5 ist die erforderliche Verstärkung für den Steuerverstärker der niedrigäbpegeligen Stufe zur Erreichung einer Schwelle von.-62 dB auf diese Weise um 16 dB relativ zu der reduziert, die erforderlich wäre, wenn diese Stufejunabhängig oder in der oben beschriebenen umgekehrten Konfiguration arbeiten würde. In

3H

ähnlicher Weise ist die Verstärkung des Steuerverstärkers der Mittelpegelstufe um 8 dB reduziert, führt also zu der wirtschaftlichsten Schaltung.

2. Ein signalabhängiger variabler Schwellwerteffekt wird erreicht, so daß bei sliding band-Stufen Rauschmodulationseffekte reduziert werden. Die effektiven Schwellwerte der Niedrigpegelstufen werden progressiv mit steigendem Signalpegel bei einer bestimmten Frequenz angehoben. Bei hohen Signalpegeln (am linearen Hochpegelteil der Übertragungscharakteristik) wird die effektive Schwelle der niedrigstpegeligen Stufe um einen Pegel angehoben, der gleich ist der Niedrigpegel-(unterschwelligen) Stufenverstärkungen bis zu diesem Punkt. Im Beispiel der Pig. 5 ist die Schwelle der niedrigstpegeligen Stufe, normalerweise -62dB bei niedrigpegeligen Signalen, auf diese Weise um 16 dB auf -46dB bei hohen Signalpegeln angehoben. In ähnlicher Weise wird die Schwelle der Mittelpegelstufe auf -38 dB angehoben.

In einer ersten praktischen Ausführungsform der Erfindung, bei der sliding band-Einrichtungen in Reihe verwendet werden, sind der Kompressor 2 und der Expander 8 gemäß Fig. 2 grundsätzlich übliche sliding band-Schaltungen gemäß US-PS Re 284-26, die üblicherweise als "Typ B" bezeichnet werden, während der Kompressor 4 und der Expander 6 eine modifizierte Charakteristik haben. Es wurde festgestellt, daß, bezogen auf das von Kassettenbändern erzeugte Sauschen, ein arbeitsfähiges Resultat erreicht wird, wenn die zweite Einrichtung (im Kompressionsbetrieb) nicht nur ein/Eingangsamplituden-Pegel-Ansprechverhalten hat, sondern auch eine G-renzfrequenz, die so etwa um zwei bis drei Oktave niedriger liegt als die

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■- atf - "

einer normalen Einrichtung vom Typ B. Genauer gesagt, die Schwellwertpegel der zweiten Einrichtung werden gesenkt, sowohl der sylla"bischen Filter/Begrenzer als auch des Überschwingungs-Unterdrückungs-Begrenzers, um die Staffelung zu "bewirken, und die Grenzfrequenz des festen Filters wird um zwei "bis drei Oktaven abgesenkt.

Details der B-Schaltung sind in Pig. 6, 7 und 8 dargestellt, bei denen es sich um die Pig. 4, 5 "bzw. 10 der US-PS Re 28 4-26 handelt, und nähere Einzelheiten dieser Schaltungen, deren Betrieb und Theorie sind dort beschrieben» Die folgende Beschreibung der Pig. 6, 7 und 8 ist von der US-PS Re 28 426 übernommen.

Die Schaltung nach Pig. 6 ist speziell für den Einbau in den Aufzeichnungskanal eines Heim-Bandgerätes ausgelegt, wobei für ein Stereo-Bandgerät zwei dieser Schaltungen erforderlich" sind. Das Eingangssignal wird am Anschluß 10 an eine Emitterfolgerstufe 12 gelegt, die ein nieder-ohmiges Signal liefert.* Dieses Signal wird zunächst durch einen Geradeaus-Hauptkanal, der .aus einem Widerstand 14 besteht, an einen Ausgangsanschluß 16 gelegt, und zweitens über einen weiteren Weg, dessen letztes Element ein Widerstand 18 ist, ebenfalls mit dem Anschluß 16 verbunden. Die Widerstände 14 und 18 addieren die Ausgänge des Haupt- und weiteren Weges, um das geforderte Kompressionsgesetz zu verwirklichen.

Der weitere Weg besteht aus einem festen Pilter 20, einem Filter 22 mit variabler Grenzfrequenz, das einen PET 24 enthält (diese bilden den Filter/Begrenzer), und einemVerstärker 26, dessen Ausgang mit einem Doppeldioden-Begrenzer oder Clipper 28 und dem Widerstand 18 verbunden ist«, Der nicht-lineare Begrenzer unterdrückt Überschwingungen des ^>: Ausgangssignals mit abrupt steigenden EingangsSignalen.

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Der Verstärker 26 hebt das Signa}, im weiteren Weg auf einen Pegel derart an, daß das Knie der Charakteristik des Begrenzers oder Überschwingungsunterdrüokers 28, der aus Silizium-Dioden aufgebaut ist, am entsprechenden Signalpegel unter Sprungbedingungen wirksam ist. Die wirksame Schwelle des ÜberSchwingungsunterdrückers liegt etwas oberhalb der des syllabischen Filter/Begrenzers. Die Widerstände 14 und 18 sind so proportioniert, daß der erforderliche Kompensationsgrad der Dämpfung dann für das Signal im weiteren Weg erhalten wird.

Der Ausgang des Verstärkers 26 ist ebenfalls mit einemVerstärker 30 gekoppelt, dessen Ausgang über eine Germaniumdiode 31 gleichgerichtet wird und mit einem Glättungsfilter 32 integriert wird, um die Steuerspannung für die PET 24 zu erhalten.

Zwei einfache RC-Filter werden verwendet, wenn auch äquivalente LC- oder LCR-Filter verwendet werden könnten. Das feste Filter 20 sorgt für eine Grenzfrequeaz von 1700 Hz, unterhalb derer eine verminderte Kompression stattfindet. Das Filter 22 besteht aus einem Reihenkondensator 34 und einem Nebenschlußwiderstand 36, denen ein Reihenwiderstand und der FET 24 folgt, wobei dessen Source-Drain-Weg als ETebenschlußwiderstand geschaltet ist. Im Ruhezustand, mit Signal Null am Gate des FET 24, ist der FET gesperrt und bietet im wesentlichen unendlich großen Widerstand; das Vorhandensein des Widerstandes 38 kann dann igneriert werden. Die Grenzfrequenz des Filters 22 ist damit 800 Hz, was ersichtlich erheblich unterhalb der Grenzfrequenz des festen Filters 20 ist.

Wenn das Signal am Gate ausreichend ansteigt, damit der Widerstand des FET auf weniger als sagen wir 1 Kiloohm fällt, überbrückt der Widerstand 38 effektiv den Widerstand 36,

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und die Grenzfrequenz steigt, wobei das Durchlaßband des Filters merklich verringert wird. Der Anstieg der Grenzfrequenz ist selbstverständlich progressiv.

Die Verwendung eines FET ist zweckmäßig, weil innerhalb eines in geeigneter Weise beschränkten Bereiches von Signalamplituden eine solche Einrichtung im wesentlichen als linearer Widerstand (für jede Signalpolarität) wirkt, dessen Wert durch die Steuerspannung am Gate bestimmt ist«,

Der Widerstand 36 und der I¹ET sind an einen einstellbaren

—46 ■

Abgriff/in einem Spannungsteiler zurückgeführt, der eine Temperaturkompensations-Germaniumdiode 48 enthält. Der Abgriff 46 ermöglicht es, die Kompressionsschwelle des Filters 22 einzustellen.

Der Verstärker 26 weist komplementäre Transistoren auf, die hohe Eingangsimpedanz und niedrige Ausgangsimpedanz ergeben. Da der Verstärker den Diodenbegrenzer 28 treibt, ist eine endliche Ausgangsimpedanz erforderlich und wird durch einen Koppelwiderstand 50 bereitgestellt. Die Dioden 28 sind, wie bereits erwähnt, Siliziumdioden und haben ein scharfes Knie in der Gegend von 1/2 Volt.

Das Signal auf dem Verstärker und damit auf dem Widerstand kann mit einem Schalter 52 nach Masse kurzgeschlossen werden, wenn es erforderlich ist, den Kompressor außer Betrieb zu schalten.'

lter Verstärker 30 ist ein NPN-Transistor mit einem Emitter-Zeitkonstanten-Netzwerk 52, das höhere Verstärkung bei hohen Frequenzen ergibt. Starke hohe Frequenzen (beispielsweise ein Becken-Schlag) führt deshalb zu einem schnellen

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Verengen des Bandes, innerhalb dessen Kompression stattfindet, so daß eine Signalverzerrung vermieden wird.

Der Verstärker istpit dem Glättungsfilter 32 über die Gleichrichterdiode 31 verbunden. Der Filter weist einen Reihenwiderstand 54 und einen Nebenschlußkondensator 56 auf. Der Widerstand 54 ist durch eine Siliziumdiode 58 überbrückt, die ein sohnelles Laden des Kondensators 56 für einen schnellen Anstieg erlaubt, gekoppelt mit einer guten Glättung im eingeschwungenen Zustand. Die Spannung über dem Kondensator 56 liegt direkt am Gate des FET 24.

Eine vollständige Schaltung des komplementären Expanders ist in Fig. 7 dargestellt, eine volle Beschreibung ist jedoch nicht erforderlich, weil inn wesentlichen die Schaltung identisch Fig. 6 ist; Werte der Bauteile sind deshalb größtenteils in Fig. 7 nicht dargestellt.

Die Unterschiede zwischen Fig. 6 und 7 sind wie folgt:

In Fig. 6 leitet der weitere Weg'seinen Eingang vom Ausgangsanschluß 16a ab, der Verstärker 26a ist invertierend, und die von den Widerständen 14 und 18 kombinierten Signale werden dem Eingang (Basis) des Emitterfolgers 12 zugeführt, dessen Ausgang (Emitter) mit dem Anschluß 16a gekoppelt ist. Um eine niedrige Treibimpedanz zu gewährleisten, ist der Eingangsanschluß 10a mit dem Widerstand 14 über einen Emitterfolger 60 gekoppelt. Geeignete Maßnahmen müssen getroffen werden, um Vorspannung daran zu hindern, in den Expander einzutreten.

Der Verstärker 26a wird dadurch invertierend gemacht, daß der Ausgang vom Emitter, statt vom Kollektor, des zweiten

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(PNP) Transistors genommen wird. Diese Änderung schließt ein eine Verlagerung des 10 Kiloohm-Widerstandes 62 (fig. 6) vom Kollektor zum Emitter (Fig. 6), was automatisch für eine geeignete Ausgangsimpedanz zum Antreiben des Begrenzers sorgt. Der Widerstand 50 ist deshalb in Fig. 7 weggelassen.

Es ist|z

izu erwähnen, daß es "beim Abgleichen eines vollständigen Geräuschminderungssystems wichtig ist, gleiche Signalpegel an den Emittern der Transistoren 12 sowohl im Kompressor als auch im Expander.zu haben. Meßanschlüsse M sind deshalb als Anschluß an diese Emitter dargestellt.

Pig, 8 zeigt eine bevorzugte Schaltung zum Ersatz der Schaltung zwischen den Punkten A, B und C in Pig. 6 und 7· Wenn der PET 24 gesperrt ist, ist das zweite RC-Netzwerk 22 außer Betrieb und das erste RC-Netzwerk 20 bestimmt dann das Verhalten des weiteren Weges. Die verbesserte Schaltung kombiniert die Phasenvorteile, die dadurch erreicht werden, daß im Ruhezustand nur eine einzige RG-Sektion vorhanden ist, während.bei Vorliegen von Signal die Dämpfungscharakteristik eines RC-Pilters mit zwei Absohnitten mit 12 dB pro Oktave vorhanden ist.

In der praktischen Schaltung ist bei Verwendung von MPP 104 PET's der 39 Kiloohm-Widerstand 36a notwendig, um für eine endliche Source-Impedanz zu schaffen, in die der PET arbeiten kann. Auf diese Weise wird das Kompressionsverhältnis bei allen Prequenzen und Pegeln auf einem Maximum von etwa 2 gehalten. Der 39 Kiloohm-Widerstand 36a erfüllt die gleiche Punktion einer Begrenzung des Kompressionsverhältnisses in der verbesserten Schaltung wie der Widerstand 36 in der Schaltung nach Pig. 6 oder 7. Zusätzlich liefert , dieser Widerstand θinen Niederfrequenzweg für das Signal.

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. MO

Modifikationen der Figuren 6, 7 und 8

Wie bereits erwähnt, verwenden bei der ersten praktischen Ausführungsform der Erfindung der Kompressor 4 und der Expander 6 gemäß Jig. 2 Geräte deijin Fig. 6, 7 und 8 gezeigten Art mit modifizierten Charakteristiken. Die geänderte Grenzfrequenz und erniedrigte Schwelle werden durch Modifikation der Charakteristiken des festen Filters (festes Filter 20 nach Fig. 6) und auch der Verstärkung des Steuerverstärkers durch Änderung seiner Preemphasis-Charakteristik (Emitter-Zeitkonstanten-Netzwerk 52 des Verstärkers 30 in besagter Fig. 6) erreicht. Die Schwelle des Überschwingungsunterdrüokers wird durch das Einspeisen einer geeigneten GIeich-Vorspannung (in Vorwärtsrichtung) in die Dioden 28 abgesenkt. Die Impedanzen der variablen Filter (variable •Filter 22 in Fig. 6 und 8) werden unverändert gelassen, um eine geeignete Anpassung an die Charakteristiken vorhandener, spannungssteuerbarer variabler Schaltungselemente beizubehalten. Geeignete Modifikationen der sliding band-Schaltung vom Typ B gemäß Fig. 6, 7 und 8 bestehen darin, den Wert des 3,3 KiIοohm-Widerstandes im festen Filter 20 auf einen Wert von 18 Kiloohm zu.ändern, um dessen Grenzfrequenz um zwei bis drei Oktaven zu erniedrigen. Zur Erhöhung der Verstärkung des Steuerverstärkers wird der Wert des Kondensators im Emitter-Zeitkonstanten-Netzwerk 52 des Verstärkers 30 von 0,15 auf 0,60/uf (oder von 0,1 auf 0,4/uf, wenn der vorgeschlagene Wert von 0,1 /uf verwendet wird) erhöht. Vorspannungen von etwa plus und minus 1/4 Volt in Vorwärtsrichtung werden an die Siliziumdioden 28 gelegt, wodurch der Überschwingungs- Untercbriickungspegel um mehrere Dezibel abgesenkt wird.

Das variable Filter 22 hat eine Allpaß-Frequenz-Charakteristik, wenn die Euhesteuerspannung anliegt, und damit wird die Gesamt-Filtergrenzfrequenz um zwei bis drei Oktaven abgesenkt.

Bei Erhöhung des Kondensatorwertes im Emitternetzwerk des Steuerverstärkers 30 erhöht die Verstärkung des Verstärkers "bei jeder gegebenen Frequenz. Wie oben und in der US-PS Re 28 426 erläutert, steigt die Grenzfrequenz des variablen RC-Filters 22, wenn die Steuerspannung (vom Verstärker 30, Gleichrichter 31 und Glättungsfilter 32) steigt. Mit größeren Werten der Kapazität im Netzwerk 52 wandert das variable Filter frequenzmäßig von seinem Ruhewert bei Vorliegen niedrigpegeliger Signale aufwärts, so daß das Pegelansprechen oder die Schwelle gegenüber der in der unmodifizierten Schaltung vom Typ B gestaffelt wird.

Bas Pegelansprechen kann auf verschiedene Weise gestaffelt werden, zusätzlich zur Änderung des Emitternetzwerkes des Steuerverstärkers. Andere Möglichkeiten sind beispielsweise Änderung der Vorspannung des Steuerelementes, ferner Änderung der Verstärkung des Steuerverstärkers, Änderung der * relativen Signalpegel zwischen dem FiIterweg und dem Steuersignal- Ableitweg und so fort.

Gewisse Details der Schaltung nach Fig. 6, 7 und 8 haben · sich im Laufe der Jahre entwickelt und modernere Formen der Schaltung sind publiziert worden und allgemein bekannt. QLe Bezugnahme auf die spezielle Schaltung gemäß der US-PS Re 28 426 erfolgt wegen der Bequemlichkeit der Darstellung.

Fig. 9 zeigt eine tatsächliche Blattsehreiberauf zeichnung des Ansprechverhaltens unterhalb der Kompreseionsschwelle der beiden in Reihe geschalteten Kompressoren, von denen der erste in der oben beschriebenen Weise modifiziert ist; das Verhalten des Expanders ist ebenfalls dargestellt. Diese Figur ist mit Fig. 10· (die Fig. 12 der US-PS Re 28 426) zu vergleichen, die eine .tatsächliche Blattschreiberauf- ^f zeichnung des Ansprechverhaltens unterhalb des Kompressions-

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schwellwertes eines einzelnen Kompressors oder Expanders gemäß Fig. 6, 7 und 8 zeigt.

Fig. 11 ist eine Blatts ehre ibsrauf zeichnung des Eingänge-Ausgangs-Verhalt ens der in Reihe geschalteten Kompressoren in Abhängigkeit von der Frequenz. Eine Betrachtung der Kurven zeigt die "beiden Dynamikbereiche für die Kurven, die die beiden gestaffelten Wirkungsbereiche angeben. Die Beobaoht.ungsmögliohkeit für die Dynamikbereiche in diesen Kurven ist zwar nützlich, um die gestaffelte Wirkung der Einrichtungen zu demonstrieren, in der Praxis wird jedoch bevorzugt, daß die Kurven so glatt wie möglich sind, ohne unterscheidbare Dynamikbereiche oder "Höoker". Parallele Linien A und B sind durch die Schwellwertbereiche gezogen: Linie A bezieht sich auf die Standardschaltung und Linie B auf die modifizierte Schaltung. Die Kurven sind mit ■Pig. 12 (entsprechend US-PS Re 28 426) zu vergleichen, die ähnliche Anspreohkurven für einen einzelnen, unmodifizierten sliding band-Kompressor Typ B zeigt. I¹Xg. 11 zeigt, daß der aus in Reihe geschalteten Einrichtungen bestehendeKompressor im wesentlichen doppelt so viel Kompression liefert, die über einen größeren Frequenz- und Pegelbereioh verteilt ist.

Die"variable Band"-Wirkung der in Reihe geschalteten Einrichtungen mit gestaffelter Wirkung ist in Pig. 13 und H zu erkennen, die jeweils eine Blattschreiber-Suchton-Aufzeichnung des Verhaltens der in Reihe geschalteten Kompressoren zeigen. Sie sind mit Pig. 15 (bei der es hier um Pig. 15 der US-PS Re 28 4-26 handelt) zu vergleichen, bei der es sich um eine tatsächliche Blattschreiber" auf zeichnung handelt, die mit der Schaltung nach Pig. 6 unter Einschluß von Pig. 8 erhalten worden ist. Die "variable Band"-Wirkung it dadurch aufgezeigt, daß der Frequenzgang des

Kompressors mittels eines niedrigpegeligen Suchtones (dessen Pegel unterhalb der Kompressorschwelle liegt) in Gegenwart eines hoehpegeligen Signals aufgetragen ist; der Suchton wird am Kompressorausgang mittels eines Nachlauffilters detektiert. Das hochpegelige Signal sorgt dafür, daß die Kompressorschaltung arbeitet; die Grafik zeigt die Wirkung auf die Übergangsfrequenz des Filters.

Fig. 13 zeigt die Antwort auf einen Suchton "beim -65dB und 200 Hz Signaltöne auf Pegeln zwischen -28 dB und darunter "bis +10 dB. Pig. 14 gilt für einen 500 Hz Signalton hei Pegeln zwischen -34 dB und darunter "bis +10 dB.

Bei einer weiteren praktischen Ausführungsform de$|Erfin~ dung mit verbessertem Betriebsverhalten sindtLer Kompressor 2 und der Expander 8 gemäß· Pig. 2 beide Modifikationen üblicher Einrichtungen vom Typ B. Bei beiden in Reihe geschalteten Einrichtungen sind die Grenzfrequenzen um zwei Oktaven abgesenkt, um eine steil ansteigende Niedrigpegel-Ansprechoharakteristik zu erhalten. Die Staffelung •der· Dynamikwirkung wird durch Verringerung der Schwellen (sowohl syllabiBch als auch ÜberSchwingungs-Unterdrückung) in der zweiten (im Kompressorbetrieb) Einrichtung erhalten.

Ein Merkmal und ein nützlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Prequenzgänge der einzelnen Schaltungen kombiniert sind. Wenn eine besonders scharf ansteigende Geräuschminderungscharakteristik erwünscht ist, wird das durch die Verwendung von Schaltungen erreicht, die die gleiche Niedrigpegel-(Kühe)Prequenzgangcharakteristik haben.

Dementsprechend resultiert, in einer verbesserten Ausführungsform, die Wahl identischer Filterkennlinien bei etwa zwei Oktaven unterhalb derjenigen einer üblichen Schaltung von B-Typ in einer Charakteristik, die oberhalb von etwa 300 Hz schnell ansteigt. Das System kommt also in die lage, eine erhebliche Geräuschminderung im kritischeiteereich von 300 Hz bis 2 kHz zu erreichen, einem Bereich, in dem Bandrauschen merkbar wird, so-bald Geräusche oberhalb von 2 kHz vermindert worden sind. Der hörbare Rauschbeitrag vom Band urterhalb etwa 300 Hz ist vernachlässigbar. Wenn nur eine minimale Geräuschminderungswirkung unterhalb von 300 Hz vorgesehen wird, vermeidet das System die Manipulation von Signalgrundfrequenzen und verbessert die Komplementarität des System in praktischen Bandgeräten, die beispielsweise Frequenzgangfehler aufgrund von Kopfstörungen (head bumps) u.dgl. haben können. Durch die Vermeidung der Kompression von niederfrequenten Signalen wird darüber hinaus die Systemkompatibilität verbessert, weil die Anhebung von niederfrequenten Signalen in einer störenden Verstärkung von Rumpeln und Tiefen resultieren würde, wenn kodierte Bänder auf Systemen abgespielt werden, die keine komplementären Expander aufweisen.

Nochmals mit Bezug auf Fig. 6 und 8, in beiden Reihengeräten ist in der besprochenen praktischen Ausführungsform der Widerstand im festen Filter 20 von 3,3 Kiloohm auf 13 Kiloohm geändert worden, wodurch insgesamt die untere Grenzfrequenz der Filter 20 und 22 um etwa 2 Oktaven nach unten auf etwa 375 Hz verschoben wird. In der zweiten Einrichtung ist der Kondensator im Emitternetzwerk 52 des Steuerverstärkers 30 im Wert um einen Faktor von etwa 4 erhöht, wie bei der früher besprochenen Ausführungsform. Dies resultiert in einer Staffelung der Schwellwertpegel von etwa 10 bis 15 dB (je'nach Signalpegel und Signalfrequenz).

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Eine entspreeilende Vorspannung wird in die Diodenbegrenzerschal tung 28 eingeführt, um den Überschwingungs-Unterdrückungspegel zu erniedrigen.

Bei der Modifikation der zuletzt beechriebenen praktischen Ausführungsform kann der Kondensator 34 im Filter 22 im Wert auf 0,01 yuf erhöht werden, um die Konsistenz der Charakteristiken unterschiedlicher Einheiten zu fördern, und um die Geräuechmodulationseigenschaften zu verbessern. In jedem Falle ist dank der im wesentlichen gleichen Zeitkonstanten von festem filter 20 und variablen Filter 22, die Anordnung äquivalent einem einpoligen variablen Filter, und das feste Filter kann eliminiert werden. In dies em Falle wird der Widerstand 36a (der einen Wert von 4-7 Kiloohm in modernen ftranen der Schaltung vom B-Typ hat) im Nebenschluß zum Souroe-Drain-Weg des FET 24 gelegt, um eine Ruhe~ Grenzfrequenz von etwa 375 Hz zu erhalten. Es ist jedoch erwünscht, das feste Filter in der Hochpegelschaltung beizubehalten, so daß die Schaltung umgeschaltet werden kann, um.selbst als übliche B-Typ-Schaltung zu arbeiten.

In praktischer Hinsicht ist ein Heimgerät mit dem soeben beschriebenen verbesserten System kompatibel mit vorhandenen nicht-kodierten und B-Typ-kodierten Programm (beispielsweise Bändern oder FM-Rundfunksendungen). Die verbesserten Systeme weisen eine normale B-Typ-Einrichtung auf und können deshalb zur vollen Kompatibilität umgeschaltet werden, um als B-Typ-Einrichtung zu arbeiten. Auf der anderen Seite, wenn bespielte Bänder verfügbar werden, die mit dem verbesserten System kodiert sind, können vorhandene Heimsysteme vom B-Typ einen übertriebenen Gehalt an hohen Frequenzen oder "Brillianz" ergeben, was dadurch behandelt werden kann, daß die Höhen-Regelung in der gleichen Weise eingestellt wird, wie das derzeit der Fall ist, wenn B-kodierte Programme über

-ϊί-

Heim-Systeme wiedergegeben werden, die nicht mit einer B-Einrichtung versehen sind.

Die übliche B-Typ-Schaltung gemäß US-PS Re 28 426 hat ein maximales kompressionsverhältnis von etwa 2 : 1« Dieses Kompressionsverhältnis hat sich als gute praktische Wahl für Heim-Kassettenband-Kompandersysteme erwiesen. In den Reihenschaltungen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen behält jede Schaltung ein maximales Kompressionsverhältnis von etwa 2 : 1, und das maximale Kompressionsverhältnis der. Gesamtkombination von Schaltungen in Reihe beträgt etwa 2 : 1 bei den meisten Eingangspegeln und Frequenzen. In praktischen Ausführungsformen ist es schwierig, etwas größere Verhältnisse in einem kleinen Bereich von ' Pegeln und Frequenzen zu vermeiden, beispielsweise 2,5 : Das kann toleriert werden, wenn das Kompressionsverhältnis nicht größer ist als 2,5 : 1 (oder etwa das 1,25-fache jeder Schaltung) und wenn der Pegel- und Frequenzbereich, in dem das eintritt, nicht groß ist.

Eine weitere spezifische Ausführungsform der Erfindung, die allgemein in Fig. 2 dargestellt ist, besteht darin, einen Kompressor bzw. einen Expander als Gerät mit gespaltenen

^y -(US-PS 38 46 719: 39 03 48S)

Frequenzbändern/aufzubauen und den anderen Kompressor bzw. Expander als sliding-band-Gerät. Eine geeignete Einrichtung mit gespaltenem Band (oder Mehrbandeinrichtung) ist beschrieben in Journal of the Audio Engineering Society, Bd. 15, Nr. 4, Oktober 1967, Seiten 383-388. Einrichtungen mit gespaltenem Frequenzband entsprechend den dort veröffentlichten Parametern, sind allgemein als Geräte vom Α-Typ bekanntgeworden.

/37 a

MT-

Bei einer praktischen Ausführtmgsform erhält ein Kompressor vom Α-Typ ein flaches Eingangssignal und liefert seinen Ausgängen eine speziell darauf abgestimmte sliding "band-Einrichtung. Es ist sehr vorteilhaft, die A-Tgj-Einrichtung so anzuordnen, daß sie ein unverarbeitetes Eingangssignal erhält, weil sie darauf ausgelegt ist, ein flaches Eingangssignal zu verarbeiten. Wenn die sliding band-Einrichtiuig als erste angeordnet werden würde, ergäbe sich der Nachteil, daß das fläche Eingangssignal zu einer Form geändert würde, die weniger für den Eingang für eine A-Typ-Schaltung geeignet ist. Auf der Wiedergabeseite empfängt der sliding-band-Expander das Signal vom Kanal N, verarbeitet es und gibt es an den A-Typ-Expander weiter. .

Fig. 16 zeigt Kurverjähnlich Fig. 9 für den Niedrigpegel-Signalfrequenzgang eines A-Typ-Kompressors allein, des sliding band-Kompressors allein, und den kombinierten Kompressor-Frequenzgang. Die Expansionsfrequenzgangkurven

sind komplementär in der gleichen Weise wie in Fig. 9. Die A-Typ-Einrichtung ergibt 10 dB Kompression "bis hinauf zu etwa 5 kHz, darüber steigt der Pegel allmählich auf 15 dB "bei 15 kHz. Dieser steigende Frequenzgang der A-Typ-Charakteristik wird dazu ausgenutzt, die sliding band-Charakteristik "bei hohen Frequenzen zu desensibilisieren (vgl. den-Hochfrequenzteil der "sliding "band"-Kurve in Fig. 16); das ist insoweit vorteilhaft, als die Effekte von Unsicherheiten im Frequenzgang des Kanals im Bereich hoher Frequenzen, die noch näher erläutert werden, herabgesetzt werden. Die kombinierte Frequenzgangkurve steigt allmählich auf 20 dB, wo sie im wesentlichen bis etwa H kHz verbleibt, wo sie abfällt. Die sliding band-Einrichtung ist so ausgelegt, daß ihre Betriebsschwellen und resultierendn Bereiche der Dynamikwirkung gut klar von denen der A-Typ-Schaltung sind.

Fig. 17 zeigt eine Reihe von Frequenzgangen bei unterschiedlichen Pegeln für eine Reihenschaltung von A-Typ- und sliding band-Kompressoren. Diese Kurven bieten die gleiche Art von Information wie Fig. 11. Die schraffierte Fläche C gibt allgemein die Dynamikbereiche an, die von einer Wirkung der A-Typ-Einrichtung herrühren; die schraffierte Fläche D, die von der Wirkung der sliding band-Einrichtung. Diese Anordnung resultiert in einem maximalen Kompressionsverhältnis, das bei irgendeinem Pegel oder irgendeiner Frequenz nicht etwa 2:1 übersteigt und ist deshalb relativ frei von Fehlerverstärkungseffekten in praktischen Bandaufzeichnungskanälen.

Für die Zwecke des Beispiels ist eine übliche A-Typ-Einrichtung in Reihe mit einer speziellen sliding band-Einrichtung geschaltet worden. Im Prinzip kann jedoch auch die A-Typ-Einrichtung modifiziert werden, um ihre Bereiche der Dynamikwirkung so zu verschieben, daß sich die beste

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Anpassung an die Wirkungsbereiche der sliding band- · · Einrichtung ergeben.

Der präzise Betrag der Staffelung oder Verschiebung, die bei dieserjund anderen hier erwähnten Konfigurationen notwendig ist, hängt von den Parametern der verwendeten Signalverarbeitungseinrichtungen ab. Das Ziel der Staffelung der Bereiche der Dynamikwirkung besteht darin, Bündeleffekte in den Frequenzgangkurven zu minimieren. Die Bündelung ist' ein Anzeichen für große Kompressions- oder Expansions verhältnis. Als Beispiel wird auf Pig. 18 hingewiesen, die eine zu starke Bündelung zeigt; d.h. bei einigen Frequenzen und Pegeln resultiert eine Änderung des Eingangspegels in einer Änderung von 2,5 dB im Ausgang - ein Ver- ' hältnis 4:1. Optimalerweise wird mit zweckmäßiger Staffelung in einem Kassetten-Kompander-System über den größten Teil des Pegel- und Frequenzbereiches ein Verhältnis 2 : 1 niemals wesentlich überschritten. In anderen Arten von Übertragungssystemen können höhere Kompressionsverhältnisse akzeptabel sein.

- So-Leerseite

Claims (26)

1. Patentansprüche

   ΛΪ Schaltungsanordnung zum Modifizieren des Dynamikbereiches eines Eingangssignals, bestehend aus einer ersten Schaltung mit einer bilinearen Charakteristik, die aus einem Niedrigpegelte^.1 mit im wesentlichen konstanter Verstärkung bis hinauf zu einem Schwellwert, einem Mittelpegelteil oberhalb der Schwelle mit sich ändernder Verstärkung, die ein maximales Kompressionsverhältnis oder'Expansionsverhältnis ergibt, rind einem Hochpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung, die von der des Tiefpegelteils verschieden ist_s besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Schaltung wenigstens eine zweite .Schaltung folgt-,

   die ebenfalls eine bilineare Charakteristik innerhalb des den beiden Schaltungen gemeinsamen Frequenzbereiches hat, wobei die Mittelpegelteile der Charakteristiken der Schaltungen innerhalb eines den Schaltungeilgemeinsamen Frequenzbereiches derart gestaffelt sind, daß eine Verstärkungsänderung über einen größeren Bereich von mittleren Eingangspegeln erhalten wird, als für irgendeine der Schaltungen einzeln, und ein höherer Unterschied zwischen den Verstärkungen bei niedrigen und hohen Eingangspegeln, jedoch mit einem maximalen Kompressions- oder Expansionsverhältnis, das im wesentlichen nicht größer ist als das einer einzigen Schaltung, und zwar dank der Staffelung.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungen Kompressoren sind und die

   Schwellen auf -unterschiedliche Werte eingestellt sind, um die Mittelpegelteile der Charakteristiken der Schaltungen zu staffeln.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungen Expander sind und die Schwellen auf unterschiedliche Werte gesetzt sind, um die Mittelpegelteile der Charakteristiken der Schaltungen zu staffeln.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fallende Planke des Kompressions- oder Expansionsverhältnisses jeder der Schaltungen die steigende Flanke des Kompressions- oder Expansionsverhältnisses einer anderen der Schaltungen in dem Maße überlappt, daß das gesamte Kompressions- oder Expansions Verhältnis im überlappenden Bereich das maximale Kompressions- oder Expansionsverhältnis der benachbarten Schaltungen nicht wesentlich übersteigt.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn-, zeichnet, daß jede, der Schaltungen ein maximales Kompressions- oder inverses Expansionsverhältnis von im wesentlichen 2:1 hat und das maximale Verhältnis für die vollständige Schaltungsanordnung 2:1 nicht wesentlich übersteigt. ■
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Schaltungen aus einenrrariablen filter besteht, das für eine Anhebung oder Absenkung in einem hohen oder tiefen Frequenzbereich des Signalbandes sorgt, und auf Signale

   in diesem Bereich, in der Weise anspricht, daß die Filtergrenzfrequenz veranlasst wird, in dem Sinne zu wandern, daß der angehobene oder abgesenkte Bereich verschmälert wird.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 für Audio-Signale, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes variable Filter eine Gleichrichter-, Glättungs- und Verstärkungs-Steuerschaltung aufweist, die ein Steuersignal an eine gesteuerte Impedanzeinrichtung des Filters liefert, um das Verschieben der Filtergrenzfrequenz zu bewirken.
8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaltung ein variables Filter aufweist.
9. 9. Schaltungeanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung jedes variablen Filters .eine unterschiedliche Verstärkung hat, um auf diese Weise die unterschiedlichen Schwellen der Schaltungen einzustellen.
10. 10. Schaltungsanordnung nach.Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die.Ruhe-Grenzfrequenzen der variablen Filter im wesentlichen gleich sind.
11. 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, bei der die Anhebung oder Absenkung in einem Hochfrequenzbereich vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruhe-Grenzfrequenzen der variablen Filter im Bereich von 300 bis 400 Hz liegen.
12. 12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer Schaltung das variable Filter in Reihe mit einem festen Filter liegt, das ein engeres Durchlaßband hat als das variable Filter im Ruhezustand.
13. 13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Schaltungen ein variables Filter in Reihe mit einem festen Filter haben und daß die Grenzfrequenzen der festenFilter im wesentlichen gleich sind.
14. 14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13» bei der die Anhebung oder Absenkung in einem Hochfrequenzbereich vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Filter eine Grenzfrequenz im Bereich von 300 bis 400 Hz haben.
15. 15. Anordnung zur Geräuschminderung bestehend aus einer .Kompressoranordnung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 4 bis 14» sofern dieser von Anspruch 2 abhängt, und einer- Expanderanordnung nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 14, soneLt dieser von Anspruch 3 abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwelle jeder folgenden Kompressorschaltung niedriger liegt als die Schwelle der vorangegangenen Schaltung, und daß die Schwelle jeder folgenden Expanderschaltung höher liegt als die Schwelle der vorangegangenen Schaltung.
16. 16. Anordnung zur Geräuschminderung bestehend aus einer Kompressoranordnung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 4 bis 14, sofern dieser von Anspruch 2 abhängt, und einer Expanderanordnung nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 14, soweit dieser von Anspruch

    -JT-

    abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sehwellwert jeder folgenden Kompressorschaltung höher ist als der Schwellwert der vorangegangenen Schaltung und daß der Schwellwert Jeder folgenden Expanderschaltung niedriger liegt als der Schwellwert der vorangegangenen Schaltung.
17. 17. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, hei der wenigstens eine der Schaltungen eine Dual-Path-Schaltung ist, die einen Hauptweg aufweist, der in Bezug auf den Dynamikhereich linear ist, eine Vereiriigungs-' schaltung im Hauptweg, und einen weiteren Weg, dessen· Eingang mit dem Eingang oder Ausgang des weiteren Weges verbundeiiist, und dessen Ausgang mit der Vereinigungsschaltung verbunden ist, wobei der weitere Weg ein Signamiefert, das wenigstens in einem oberen Teil des Frequenzbandes das Hauptwegsignal mittels der Vereinigungsechaltung anhebt oder diesem entgegenwirkt, das jedoch derart begrenzt ist, daß im oberen Teil des dynamischen Eingangsbereiches das Signal des weiteren Weges kleiner ist als das Hauptwegsignal.
18. 18. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, und Anspruch 17, bei der wenigstens eine der Schaltungen eine Dual-Path-Schaltung mit dem variablen Filter im weiteren Weg ist.
19. 19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ungefähre Schwellwertpegel T einer bestimmten Stufe durch folgende Beziehung festgelegt ist

    wo I¹ der Endpunkt der betreffenden Stufe ist, C das maximale Kompressionsverhältnis dieser Stufe und G die Ver-

    stärkung dieser Stufe*
20. 20. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1

    Ms H, bei der die Schaltungsanordnung zur Modifikation des Dynamikbereichs von Audio-Signalen vorgesehen ist, und "bei der jede Schaltung einen Übersehwingungs- .' Unterdrücker mit einem Schwellwertpegel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertpegel innerhalb der Schaltungen gestaffelt sind, so daß eine Herabsetzung der Überschwingungen der Gesamtschaltungsanordnung erhalten wird.
21. 21. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 15 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert des tJberschwingungs-Unterdrückers jeder folgenden Kompressorschaltung niedriger liegt als der der vorangegangenen Schaltung und daß der Schwellwert des Übersohwingungs-Ünterdrückers in jeder folgenden Expanderschaltung höher liegt als der der vorangegangenen Schaltung.
22. 22. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 16 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert des Überschwiiig:ungs-Unterdrückers in jeder folgenden Kompressorschaltung höher Siegt als der der vorangegangenen Schaltung und daß der Schwellwert des Überschwingungs-Ünterdrüokers jeder folgenden Expanderschaltung niedriger liegt als der der vorangegangenen Schaltung.
23. 23. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bilineare Schaltungen^orgeseheη sind, die jeder eine Niedrigpegelverstärkung von im wesentlichen 10 dB haben.
24. 24. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß drei bilineare Schaltungen vorgesehen sind, die jeder eine NiedrigpegelverStärkung von im wesentlichen 8 dB aufweisen.
25. 25. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, "bei der·eine der Schaltungen den variablen filter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Schaltung vorgesehen ist, die eine Anzahl von Bandpassfiltern aufweist, jedes in Kombination mit einer Begrenzungseinrichtung.
26. 26. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5,.dadurch gekennzeichnet, daß das maximale Kompressionsverhältnis oder inverse Expansionsverhältnis der gesamten Schaltungsanordnung das 1,25-fache des maximalen Verhältnisses irgendeiner der Schaltungen nicht übersteigt.