DE3125790C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dabei kann es sich um einen Kompressor, der den Dynamikbereich komprimiert oder einen Expander, der den Dynamikbereich expandiert handeln. Die Erfindung ist besonders nützlich zur Behandlung von Audiosignalen, ist jedoch auch bei anderen Signalen anwendbar.

Eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus der DE 19 00 639 B2 bekannt. Diese Druckschrift offenbart zugleich auch die beiden Alternativen einer sogenannten "Dual-Path"-Schaltung sowie einer Mehrband-Schaltung, auf die später noch im einzelnen eingegangen wird.

Kompressoren und Expander werden normalerweise zusammen verwendet (Kompandersystem), um eine Rauschminderung zu bewirken. Das Signal wird vor einer Übertragung oder Aufzeichnung komprimiert und nach dem Empfang oder der Wiedergabe vom Übertragungskanal expandiert. Kompressoren können jedoch auch alleine, d. h. ohne anschließende Expansion verwendet werden, um den Dynamikbereich eines Signals herabzusetzen, beispielsweise um der Kapazität eines Übertragungskanals Rechnung zu tragen, wenn das komprimierte Signal für den gewünschten Zweck genügt. Auch werden Kompressoren in gewissen Produkten, insbesondere Audioprodukten, die nur dazu vorgesehen sind, komprimierte Rundfunksignale zu übertragen oder voraufgezeichnete Signale aufzuzeichnen, alleine verwendet. Expander allein werden in gewissen Produkten verwendet, insbesondere Audio-Produkten, die nur dazu vorgesehen sind, bereits komprimierte Rundfunksignale zu empfangen oder aufgezeichnete Signale wiederzugeben. In gewissen Produkten, insbesondere Audio-Aufzeichnungs- 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 auf 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 Eingangsdynamikbereich von N dB auf einen Ausgangsbereich von (N-10) dB komprimiert wird. Wenn in einem Rauschminderungssystem einer Kompression von 10 dB eine komplementäre Expansion von 10 dB folgt, so ergibt sich in der üblichen Ausdrucksweise eine Rauschminderung von 10 dB.

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

• 1) einem ersten linearen Teil (nachfolgend auch "Niedrigpegel- Teil" genannt) für Eingangssignalpegel unterhalb eines ersten Schwellenwerts (nachfolgend als "Schwelle" bezeichnet),
• 2) einem zweiten linearen Teil (nachfolgend auch "Hochpegel- Teil" genannt) für Eingangssignalpegel oberhalb eines zweiten Schwellenwerts (nachfolgend als "Endpunkt" bezeichnet), und
• 3) einem nichtlinearen Teil (nachfolgend auch "Mittelpegel- Teil" genannt) mit veränderlicher Verstärkung für Eingangssignalpegel zwischen der Schwelle und dem Endpunkt, der für ein vorbestimmtes maximales Kompressionsverhältnis oder Expansionsverhältnis sorgt.

Die Verstärkung der Schaltung im Niedrigpegel-Teil unterscheidet sich von der im Hochpegel-Teil.

Diese Charakteristik wird als bilinear bezeichnet, weil zwei Teile mit im wesentlichen konstanter Verstärkung vorhanden sind. In der Praxis sind die Schwelle und der Endpunkt nicht immer genau definierte "Punkte". Die beiden Übergangsbereiche, wo der Mittelpegelbereich in den linearen Niedrigpegel- bzw. Hochpegel-Bereich übergeht, können verschiedenste Formen 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) einer logarithmischen oder nichtlinearen Schaltungsanordnung mit fester oder veränderlicher Neigung und ohne irgendeinen linearen Teil: die Verstärkung ändert sich über den gesamten Dynamikbereich und
• b) Schaltungsanordnungen mit einer Charakteristik mit zwei oder mehr Teilen, von denen nur ein einziger Teil linear ist ("uni-linear").

Eine Schaltungsanordnung mit einer bilinearen Charakteristik hat spezielle Vorteile und wird in großem Umfang verwendet. Die Schwelle (der erste Schwellwert) kann oberhalb des Eingangsrauschpegels oder des Übertragungskanal-Rauschpegels eingestellt werden, um die Möglichkeit auszuschließen, daß die Schaltung durch Rauschen gesteuert wird. Der Hochpegel-Teil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung vermeidet eine nichtlineare Behandlung hochpegeliger Signale, wodurch sonst Verzerrungen eingeführt würden. Darüber hinaus ergibt der Hochpegel-Teil im Falle eines Audio- Signals, für das die Schaltung syllabisch sein muß, einen Bereich, in dem Überschwingungen berücksichtigt werden können, die bei einer syllabischen Schaltung auftreten, wenn der Signalpegel abrupt ansteigt. Diese Überschwingungen werden durch Clipper-Dioden oder ähnliche Einrichtungen unterdrückt. Nur bilineare Charakteristiken bringen diese Kombination von Vorteilen mit sich.

Die überwiegende Anzahl bekannter Schaltungen mit bilinearer Charakteristik, die heutzutage in 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 eine stärkere Kompression und Expansion erwünscht, 20 dB etwa. 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 dB Kompression oder Expansion ergeben, und sogar mehr. Dabei handelt es sich jedoch gewöhnlich um logarithmische Schaltungsanordnungen mit konstanter Neigung, bei denen sich die Verstärkung konstant über den ganzen Dynamikbereich oder nahezu den ganzen Dynamikbereich ändert. Solche Schaltungen leiden unter stärkeren Verzerrungs- und Signalgleichlauf-Problemen bei sehr niedrigen und sehr hohen Signalpegeln 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 verbreitetsten.

Unter dem Kompressionsverhältnis versteht man das Verhältnis der differentiellen Änderung des Eingangssignalpegels zur entsprechenden differentiellen Änderung des Ausgangssignalpegels. Das Expansionsverhältnis für einen komplementären Expander ist das Inverse des Kompressionsverhältnisses. Wenn das Kompressionsverhältnis 3 : 1 beträgt, beträgt das Expansionsverhältnis also 1 : 3. Es hat sich eingebürgert, das Konzept des inversen Expansionsverhältnisses zu verwenden, das für das soeben genannte Beispiel 3 : 1 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.

Ein hohes Kompressionsverhältnis 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 25 58 002, US 40 61 874, JP-B-51-20 124) 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 von 2 : 1 mit einer anderen mit einem Kompressionsverhältnis von 3 : 1 ein Gesamtverhältnis von 6 : 1. Das resultierende Expansionsverhältnis 1 : 6 stellt außerordentlich hohe Anforderungen an die Gleichförmigkeit des Übertragungskanals. Ein weiterer Gesichtspunkt sind die Anforderungen 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 Bereiches 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 solch einem Kompandersystem zu erreichen. Die JP-B-51-20 124 kommt zu dem Schluß, daß mehrere Kompressorstufen (bzw. Expanderstufen) in Reihe für Wiedergabesysteme nicht geeignet sind. Es ist auch bekannt (US-PS′en 39 02 131 und 39 30 208), 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 jedoch auch nicht zu einer Erhöhung der Kompression.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen größeren Betrag der Kompression oder Expansion ohne einen unerwünscht großen Anstieg des Kompressionsverhältnisses erlaubt, ohne daß sehr hohe Anforderungen an irgendeine Schaltung gestellt werden müssen, die an der Verstärkungsänderung beteiligt ist.

Weiter soll durch die Erfindung ein höherer Betrag an Audio-Kompression oder -Expansion erreicht werden, ohne daß ein unerwünscht großer Anstieg von Überschwingungen infolge von Signalsprüngen auftritt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Merkmale der Unteransprüche wird die Erfindung in vorteilhafter Weise weitergebildet.

Eine nähere Untersuchung von bilinearen Schaltungen zeigt, daß sie nicht nur die oben aufgeführten Vorteile haben, sondern auch noch einen weiteren - nämlich eine Möglichkeit zur Lösung des Problems des hohen Kompressionsverhältnisses und, im Falle von Audio-Schaltungen, eine Möglichkeit zur Lösung des Problems starker Überschwingungen.

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 festgestellt, daß es möglich ist, die Bereiche der Dynamikwirkung mehrerer in Reihe geschalteter Schaltungen in der Weise zu trennen, daß zwar insgesamt ein Anstieg der Kompression erhalten wird, gleichzeitig aber das Maximum des Gesamtkompressions- oder Expansionsverhältnisses nicht erheblich geändert wird.

Ein weiteres Merkmal einer solchen Anordnung besteht darin, daß die Charakteristik der Gesamtanordnung ihrerseits bilinear ist, mit allen zugehörigen Vorteilen. Die Staffelungsmöglichkeit der Wirkung von bilinearen Schaltungen bildet einen weiteren, bisher nicht erkannten Vorteil dieser Schaltungsart.

Wenn im Falle von Audio-Schaltungen die Schaltungen Überschwingungsunterdrückungs- (Begrenzungs-)Elemente haben, dann ist es möglich, auch deren Schwellwerte zu staffeln, zusammen mit der Staffelung der syllabischen Schwellen. Die Überschwingungen der Niedrigpegelschaltungen oder -stufen, werden entsprechend herabgesetzt, mit einem minimalen Gesamt-Überschwingen der mehreren Stufen. Das steht im Kontrast zu konventionellen logarithmischen Kompressoren, bei denen notwendigerweise starke Überschwingungen hervorgerufen 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 Falle von komplexen Signalen hat das den Vorteil einer Spektralverbreiterung der Fehlermöglichkeiten in der Dekoderfunktion. Im Falle eines Bandaufzeichnungsgerätes mit ungleichförmiger Frequenzgang-Charakteristik reduziert beispielsweise die Spektralverschiebungsneigung die dynamischen und Frequenzgang-Fehler 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 jeweiligen Schwelle zu einem Maximum (z. B. 2 : 1); dieser Teil soll als steigende Flanke des Kompressionsverhältnisses bezeichnet werden. Das Verhältnis fällt dann zurück auf Eins, und dieser Teil soll als fallende Flanke bezeichnet werden. Streng genommen, kann die fallende Flanke sich asymptotisch an Eins annähern, praktisch kann jedoch angenommen werden, daß der Wert Eins erreicht ist, wenn das Kompressionsverhältnis einen Wert hat, der sich nur um einen beliebig klein gewählten Betrag vom Wert Eins unterscheidet.

Die Staffelung der Mittelpegelbereiche der beiden Schaltungen resultiert darin, daß die fallende Flanke einer Schaltung die steigende Flanke 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 Flanken in einem Gesamtkompressions-Verhältnis resultiert, das das maximale Kompressionsverhältnis einer der Schaltungen selbst nicht merklich übersteigt.

Vorzugsweise liegt im Falle eines Kompressors 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 Expanders ist es umgekehrt. Im Prinzip kann die Reihenfolge umgekehrt werden, so daß die erste Kompressorschaltung die niedrigere Schwelle hat.

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

Als ideale Staffelung wird eine solche angesehen, bei der die fallende Flanke der einen Schaltung die steigende Flanke 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 einer einzelnen Schaltung vermieden wird. Wenn dann beispielsweise das maximale Kompressionsverhältnis jeder Schaltung 2 : 1 beträgt, steigt das Kompressionsverhältnis der Gesamtschaltungsanordnung 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 vorgenommen wird, verhindert werden kann, daß das Maximum des Gesamt-Kompressionsverhältnisses in dem angegebenen Beispiel wesentlich 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, so daß für eine gute Komplementarität bei Signalkanälen mit etwas unzuverlässigen Verstärkungen und/oder Frequenzgängen gesorgt ist. Ein niedriges Kompressionsverhältnis breitet jedoch die Dynamik-Wirkung über einen größeren Pegelbereich aus, wodurch sich eine größere Neigung zur Rauschmodulation für ein und denselben maximalen Betrag an Rauschminderung (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.

Die Möglichkeit, bilineare Schaltungen zu staffeln, gibt dem Konstrukteur eine zusätzliche Möglichkeit an die Hand, eine Gesamtschaltung zu optimieren. Bei dieser Optimierung können die Formen der Kompressionscharakteristiken der einzelnen Schaltungen 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 Überschwingungs-Unterdrückungsschwellen in Audio-Kompressoren und -Expandern zu staffeln, um eine minimale Überschwingung über die ganze Schaltungsanordnung zu erhalten.

Eine unter der Bezeichnung "Gleitband" oder, für Fachleute geläufiger, im Angloamerikanischen "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 Kompression) oder Absenkung (für Expansion) mittels eines Hochpaßfilters mit variabler unterer Grenzfrequenz eingeführt wird. Wenn der Signalpegel im Hochfrequenzband 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 US-PS'en Re 28 426, 37 57 254, 40 72 914, 39 34 190 und in der JP 55 529/71.

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. Dies 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 Weiterbildung der Erfindung werden die Grenzfrequenzen jedoch im wesentlichen identisch gemacht. Das führt zu dem Vorteil einer schärferen Diskriminierung zwischen dem Frequenzbereich, in dem die Anhebung oder Absenkung vorgenommen wird, und dem Bereich, wo das nicht geschieht, und dementsprechend einer schärferen Diskriminierung zwischen dem Bereich, in dem keine Rauschminderung mehr stattfindet, weil ein merkliches Nutzsignal auftritt, und dem Bereich, in dem die Rauschminderung effektiv bleibt.

Andererseits sind auch Schaltungen bekannt, bei denen das Frequenzspektrum durch entsprechende Bandpaßfilter in mehrere Bänder aufgespalten, und die Kompression oder Expansion in jedem Band durch eine jeweilige Verstärkungssteuerung bewirkt wird, sei es eine automatisch ansprechende Begrenzungseinrichtung vom Diodentyp oder eine gesteuerte Begrenzungseinrichtung im Fall eines Kompressors, und irgend einer reziproken oder komplementären Schaltung für einen Expander. Beispiele solcher Schaltungen mit Bandaufspaltung oder Mehrband-Schaltungen haben den Vorteil einer unabhängigen Wirkung in den verschiedenen Frequenzbändern, und, wenn diese Eigenschaft erforderlich ist, können solche Schaltungen als erste, zweite oder noch höhere Schaltung 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 diesem Teil des Frequenzbandes wirken.

Es ist bekannt, bilineare Kompressor- und Expanderschaltungen, sowohl solche des "sliding band" Typs als auch solche mit Bandaufspaltung, unter Verwendung eines einzigen Signalweges aufzubauen. Allgemein wird jedoch bevorzugt, solche Schaltungen in der Weise aufzubauen, daß ein Hauptsignalweg geschaffen wird, der hinsichtlich des Dynamikbereiches linear ist, mit einer Vereinigungsschaltung in diesem Hauptsignalweg, und einem Nebensignalweg, der sein Eingangssignal vom Eingangs- oder Ausgangssignal des Hauptsignalwegs ableitet und dessen Ausgang mit der Vereinigungsschaltung gekoppelt ist (sogenannte "Dual-Path"- oder Zweiweg- Schaltungen). Der Nebensignalweg weist einen Begrenzer (selbstwirkend oder gesteuert) auf, und das begrenzte Signal des Nebensignalwegs hebt das Signal des Hauptsignalweges in der Vereinigungsschaltung im Falle der Kompression an, wirkt jedoch im Falle der Expansion dem Signal des Hauptsignalweges entgegen. Im oberen Teil des Eingangs- Dynamikbereichs ist das begrenzte Signal des Nebensignalweges kleiner als das Hauptwegsignal. Der Hauptsignalweg und der Nebensignalweg sind vorzugsweise und am zweckmäßigsten getrennt identifizierbare Signalwege.

Solche bekannten 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 Niedrigpegel-Teil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung wird dadurch verwirklicht, daß der Schaltung im Nebensignalweg eine Schwelle oberhalb des Rauschpegels gegeben wird; unterhalb dieser Schwelle ist der Nebensignalweg linear. Der Mittelpegel-Teil wird durch den Bereich erzeugt, innerhalb dessen die Begrenzerwirkung des Nebensignalweges teilweise effektiv wird, und der Hochpegel-Teil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung ergibt sich, nachdem der Begrenzer voll wirksam geworden ist, so daß das Signal des Nebensignalweges aufhört anzusteigen, und verglichen mit dem Signal des Hauptsignalweges (Hauptwegsignal) vernachlässigbar wird. Im höchsten Teil des dynamischen Eingangsbereiches ist das Ausgangssignal der ganzen Schaltungsanordnung effektiv nur das Signal, das vom linearen Hauptsignalweg durchgelassen wird, d. h. linear bezüglich des dynamischen Bereiches. In "Dual-Path"-Audio- Schaltungen sind Vorkehrungen für die Unterdrückung von Überschwingungen besonders einfach.

Beispiele solcher bekannten Schaltungen sind in den US- PS'en 38 46 719, 30 03 485 und Re 28 426 zu finden. Es sind auch analoge Schaltungen bekannt, die ähnliche Resultate erreichen, bei denen der Nebensignalweg jedoch Charakteristiken invers zu Begrenzercharakteristiken hat und das Ausgangssignal des Nebensignalweges dem Hauptwegsignal zur Kompression entgegenwirkt bzw. es zur Expansion anhebt (US 38 28 280 und US 38 75 537).

Jede dieser bekannten bilinearen Schaltungen kann dementsprechend als erste oder zweite Schaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 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 Nebensignalwege 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 Signalweg arbeiten, wie sie in den US-PS'en 37 57 254, 39 67 219, 40 72 914 und 39 09 733 und in der JP 55 529/71, beispielsweise beschrieben sind. Mit diesen alternativen Schaltungen können gewöhnlich nicht ebenso gute Resultate erzielt werden wie mit "Dual-Path"-Schaltungen, oder sie sind komplizierter 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.

Der Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

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

Fig. 2 ein allgemeines Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;

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

Fig. 4 eine vereinfachte Form der Darstellung in Fig. 3;

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

Fig. 6 ein Schaltbild eines bekannten "sliding band"-Kompressors;

Fig. 7 ein Schaltbild eines bekannten "sliding band"-Expanders;

Fig. 8 ein Schaltbild einer Modifikation für Fig. 6 bzw. 7;

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

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

Fig. 11 eine Blattschreiberaufzeichnung des Eingang-Ausgang- Frequenzganges eines Kompressors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 eine Blattschreiberaufzeichnung des Eingangs-Ausgangs- Frequenzganges eines bekannten Kompressors mit einer einzigen Schaltung;

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

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

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

Fig. 18 charakteristische Kurve ähnlich denen der Fig. 11 und 17, jedoch mit Illustration übertriebener Bündelung.

Beispiele für bilineare, komplementäre Kompressions- und Expansions-Übertragungs-Charakteristiken (bei einem bestimmten Frequenz) sind in Fig. 1 dargestellt, wobei für die Kompressionscharakteristik der Niedrigpegel-Teil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung, die Schwelle, der Mittelpegel- Teil, in dem die Dynamikwirkung stattfindet, der Endpunkt und der Hochpegel-Teil mit im wesentlicher konstanter Verstärkung als solche bezeichnet sind.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in ihrer allgemeinsten Form: Eine erste bilineare Kompressorschaltung 2 nimmt die Eingangsinformation auf und legt ihr Ausgangssignal an eine zweite bilineare Kompressorschaltung 4, die in Reihe geschaltet ist und deren Ausgang an einen rauschbehafteten Informationsübertragungskanal N gelegt wird. Zwei in Reihe geschaltete bilineare Expanderschaltungen 6 und 8 empfangen ihr Eingangssignal vom Kanal N in der Expanderschaltung 6 und liefern am Ausgang der Expanderschaltung 8 das Ausgangssignal des Rauschminderungssystems. Die Bereiche der Dynamikwirkung der in Reihe geschalteten Schaltung sind innerhalb des Frequenzbereiches, der den Schaltungen gemeinsam ist, getrennt oder gestaffelt in bezug zueinander. Wenn auch die Figur zwei Schaltungen auf jeder Seite des Informationskanals N zeigt, so können doch zwei oder mehr verwendet werden. Die Erfindung zieht zwei oder mehr in Reihe geschaltete bilineare Kompressor- oder Expanderschaltungen in Betracht. Wenn das ganze als komplementäres Rauschminderungssystem konfiguriert ist, werden gleiche Anzahlen von in Reihe geschalteten bilinearen Kompressor- und Expanderschaltungen vorgesehen.

Die Reihenfolge der Schaltungen mit bestimmten Charakteristiken im Kompressor ist im Expander umgekehrt. Beispielsweise ist die letzte Schaltung des Expanders komplementär zur ersten des Kompressors in jeder Hinsicht - statisches Verhalten und zeitabhängiges dynamisches Verhalten (Frequenz-, Phasen- und Sprungverhalten unter allen Bedingungen von Signalpegeln und Dynamik).

Ein Beispiel für die Trennung oder Staffelung von zwei bilinearen Schaltungen ist in Fig. 3 grafisch veranschaulicht, wobei das Kompressionsverhältnis über dem Eingangsamplitudenpegel (horizontale Achse) für einen Kompressor oder Expander, der bei einer bestimmten Frequenz arbeitet, aufgetragen ist. Der Klarheit halber sind die Kurven in idealisierter Form dargestellt; bei praktischen Ausführungen von Rauschminderungssystem vom Typ A bzw. B gemäß US-PS 38 46 719 bzw. US-PS Re 28 426 sind die Kurven etwas asymmetrisch. Kurve 12 bezieht sich auf die Dynamikwirkung einer Kompressor- oder Expanderschaltung (Hochpegelstufe). Kurve 10 ist die einer weiteren Kompressor- oder Expanderschaltung (Niedrigpegelstufe) mit einem getrennten Bereich der Dynamikwirkung. Wenn die Hochpegelstufe die erste in der Reihe einer Kompressorschaltungsanordnung (zweite in der Reihe einer Expanderschaltungsanordnung) ist, repräsentiert die Kurve 12 die Variationen des Kompressionsverhältnisses der ersten (Kompressor) Schaltung in Abhängigkeit vom Eingangspegel zur ersten Schaltung, und Kurve 10 die Variation des Kompressionsverhältnisses der zweiten (Kompressor) Schaltung als Funktion des Eingangspegels zur ersten Schaltung. 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 zwischen den Punkten 10a und 12a (10b und 12b) maximaler Kompression der beiden Schaltungen 2 : 1 (1 : 2) nicht überschreitet.

Selbst mit den beiden Schaltungen in Reihe bleiben also die Betriebsendbereiche weiterhin fest, das maximale Kompressionsverhältnis und das maximale Expansionsverhältnis werden nicht über die einer einzelnen Schaltung erhöht und die Vorteile einzelner bilinearer Schaltungen werden beibehalten. Dementsprechend sollten irgendwelche Fehler, die innerhalb des Bereiches der Dynamikwirkung durch die in Reihe geschalteten Schaltungen verursacht werden, nicht diejenigen einer einzelnen Schaltung übersteigen.

Die meisten bilinearen Schaltungen legen die festen Endbereiche konstanter Verstärkung mittels fixierter, voreingestellter Schaltungselemente, wie Widerständen und Kondensatoren, fest, die ihrer Natur nach stabil sind und keine Dynamikfehler, Spannungsverlaufverzerrungen und dergl. einführen können.

Dementsprechend können nur in einem Übergangsbereich 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 Fig. 3 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.

Zum Zwecke der Analyse und, um eine erste Näherung für den notwendigen Schwellwert zur Erzielung einer optimalen Staffelung nach der Erfindung zu erhalten, ist es nützlich, Fig. 3 noch weiter zu idealisieren. Es soll deshalb angenommen werden, daß jede Kompressorschaltung (und Expanderschaltung) an einem Schwellwert sofort ihr maximales Kompressionsverhältnis erreicht und dieses Verhältnis beibehält, bis sie einen Endpunkt an einem höheren Pegel erreicht, wo die Dynamikwirkung abrupt aufhört. Dann erscheint eine Reihe von Kompressor- und Expanderschaltungen in der Darstellungsweise der Fig. 3 als eine Folge von aneinanderschließenden rechteckigen Kurven, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. Als Beispiel sind hier drei Kompressor- und drei Expanderschaltungen mit bilinearer Charakteristik in Reihe geschaltet. Die Niedrigpegelstufe, bei der es sich vorzugsweise um die dritte Kompressorschaltung (erste Expanderschaltung) handelt, hat die niedrigste Schwelle (T₃), die bei -62 dB dargestellt ist, mit dem Endpunkt (F₃) bei -46 dB, wo die Schwelle (T₂) der Mittelpegelstufe liegt. Die Mittelpegelstufe hat ihren Endpunkt (F₂) bei -30 dB, der Schwelle (T₁) der Hochpegelstufe. Die Hochpegelstufe hat ihren Endpunkt (F₁) bei -14 dB. Alle Pegel beziehen sich auf den Gesamt-Eingang. Es wird ferner angenommen, daß jede Stufe im Niedrigpegel-Teil ihrer bilinearen Kennlinie eine Verstärkung von 8 dB hat und ein maximales Kompressionsverhältnis von 2 : 1.

Fig. 5 zeigt idealisierte Charakteristik-Kurven (Über-Alles- Eingang gegen -Ausgang) für die Kompression beruhend auf dem Beispiel der Fig. 4 (die spiegelbildlichen Expansionskurven sind der Klarheit halber weggelassen worden). 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, d. h. Unterschied zwischen der Verstärkung der Schaltungsanordnung im Niedrigpegel-Teil ihrer bilinearen Kennlinie und derjenigen im Hochpegel-Teil, erhalten werden.

Aus den Fig. 4 und 5 ist ableitbar, daß eine einzige Gleichung die Beziehung zwischen dem Schwellwert (T), dem Endpunkt (F), dem maximalen Kompressionsverhältnis (C) und dem Verstärkungsunterschied (G) zwischen den beiden linearen Teilen der Kennlinie einer beliebigen Stufe angibt:

Unter Verwendung dieser Gleichung können die Schwellwerte für jede Stufe in einem iterativen Prozeß zu einer vernünftig engen Näherung bestimmt werden. Wenn beispielsweise ein Gesamtendpunkt (F₁) von -14 dB mit einer Stufenverstärkung von 8 dB und einem maximalen Kompressionsverhältnis von 2 : 1 gewünscht wird, ergibt die Gleichung, daß die Schwelle (T₁) der Hochpegelstufe bei -30 dB liegen soll. Dieser Wert wird dann als Endpunkt (F₂) der Mittelpegelstufe verwendet, um zu bestimmen, daß deren Schwelle 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 so jeweils berechnete Schwelle ist jedoch bezogen auf den Eingang der Reihenschaltung. Um die Schwelle einer einzelnen Stufe bezogen auf ihren eigenen Eingang zu erhalten, wird die kumulative Signalverstärkung bis zu diesem Punkt berücksichtigt. Beispielsweise beträgt die Schwelle der Niedrigstpegelstufe in Fig. 5 -46 dB bezogen auf den Eingang dieser Stufe.

Anhand der Gleichung kann auch der Endpunkt F, das Kompressionsverhältnis C, oder die Verstärkung G ermittelt werden. Der Konstrukteur kann also seine Schaltungsparameter auf der Basis seiner Konstruktionsziele festlegen. Solche Ziele können beispielsweise sein, daß die niedrigstpegelige Schwelle oberhalb des Grundrauschens liegt, daß der höchstpegelige Endpunkt niedrig genug liegt, um die Verwendung eines Überschwingungsschutzes zu erlauben, und daß das maximale Gesamt-Kompressionsverhältnis einen bestimmten Wert nicht übersteigt.

In praktischen Schaltungen sind, wie einleitend bereits erwähnt, die Schwelle und der Endpunkt nicht immer exakt definierte Punkte, als die sie in dieser Analyse behandelt werden. Die Bereiche, in denen der Mittelpegel-Teil der Kenlinie in den Niedrig- bzw. Hochpegel-Teil übergeht, können gleitend oder abrupgt verlaufen, je nach der Kennlinie der Schaltung, die die Dynamikwirkung steuert. In der Praxis überlappt deshalb der Schwellwertbereich der einen Schaltung den Endpunktbereich einer anderen Schaltung.

Eine Betrachtung der obigen Gleichung und Fig. 5 zeigt, daß für den speziellen fall eines Kompressionsverhältnisses 2 : 1 die Hälfte der Schwellenstaffelung durch die Signalverstärkungen der Stufen erreicht wird, und daß die 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 von 1,5 : 1 oder 3 : 1, 1/3 bzw. 2/3 der Staffelung durch die Stufenverstärkungen eingestellt und 2/3 bzw. 1/3 der Staffelung muß durch die Steuerschaltung bewirkt werden.

In den Fig. 1 und 5 ist 0 dB ein Nenn-Maximum oder Bezugspegel. In Praxis ist noch ein Freiraum von einigen 10 dB bis 20 dB oberhalb des 0-dB-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 Anordnung 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 Gegenwart von hochpegeligen Signalen, was im Fall der bekannten "sliding band"- Systeme gewöhnlich zu einem schlechten Rauschmodulationsverhalten des Gesamtsystems führt. In dieser Umkehranordnung muß jede Stufe ausreichend Steuerverstärker-Verstärkung aufweisen, um die für diese Stufe erforderliche 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 ist, wenn die Schwelle für die entsprechende folgende Stufe erreicht wird. Die Berechnung der Schwellen, die für die optimale Staffelung im umgekehrten Fall erforderlich sind, ist die gleiche wie die im bevorzugten Fall. Die Schwelle jeder Stufe, bezogen auf ihren Eingang, wird jedoch die gleiche wie die Gesamt-Schwelle.

Im Gegensatz zur Umkehrstation liegt in der bevorzugten Anordnung (bei der die Hochpegelstufe die erste in der Kompressorkette ist und die Niedrigpegelstufe die letzte) eine nützliche Wechselwirkung zwischen den Stufenverstärkungen und den Schwellen vor. Die Schwellen der nachfolgenden Stufen werden teilweise durch die Signalverstärkungen der vorangehenden Stufen bestimmt. In einem zweistufigen System mit 10 dB Niedrigpegelverstärkung pro Stufe wird die erforderliche Vertärkung des Steuerverstärkers 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. Bei "sliding band"-Compandern verbessert dies das Rauschmodulationsverhalten der Rauschminderungswirkung.

Bei der bevorzugten Ausführungsform sind bis zu der Schwelle einer beliebigen Stufe die Verstärkungen aller vorangehenden Stufen voll wirksam. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen System mit umgekehrter Reihenfolge 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 Steuerverstärkers jeder Stufe um einen Beitrag reduziert, der gleich der kumulativen Signalverstärkung aller vorangehenden Stufen ist. Beim Beispiel der Fig. 5 ist die erforderliche Verstärkung für den Steuerverstärker der niedrigstpegeligen Stufe zur Erreichung einer Schwelle von -62 dB auf diese Weise um 16 dB relativ zu der reduziert, die erforderlich wäre, wenn diese Stufe unabhängig oder in der oben beschriebenen umgekehrten Konfiguration arbeiten würde. In 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 (im linearen Hochpegel-Teil 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 Fig. 5 ist die Schwelle der niedrigstpegeligen Stufe, normalerweise -62 dB bei niedrigpegeligen Signalen, auf diese Weise um 16 dB auf -46 dB bei hohen Signalpegeln angehoben. In ähnlicher Weise wird die Schwelle der Mittelpegelstufe auf -38 dB angehoben.

In einer ersten praktischen Ausführungsform der Erfindung sind die Kompressorschaltung 2 und die Expanderschaltung 8 gemäß Fig. 2 grundsätzlich übliche "sliding band"-Schaltungen gemäß US-PS Re 28 426, die üblicherweise als "Typ B"-Schaltungen bezeichnet werden, während die Kompressorschaltung 4 und die Expanderschaltung 6 eine modifizierte Charakteristik haben. Es wurde festgestellt, daß, bezogen auf das von Kassettenbändern erzeugte Rauschen, ein arbeitsfähiges Resultat erreicht wird, wenn die zweite Schaltung (im Kompressionsbetrieb) nicht nur ein gestaffeltes Eingangsamplitudenpegel-Ansprechverhalten hat, sondern auch eine Grenzfrequenz, die so etwa um zwei bis drei Oktaven niedriger liegt als die einer normalen Schaltung vom Typ B. Genauer gesagt, die Schwellwerte der zweiten Schaltung werden gesenkt, sowohl der syllabischen 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 Fig. 6, 7 und 8 dargestellt, die den Fig. 4, 5 bzw. 10 der US-PS Re 28 426 entsprechen. Nähere Einzelheiten dieser Schaltungen, deren Betrieb und Theorie sind dort beschrieben. Die folgende Beschreibung der Fig. 6, 7 und 8 ist aus der US-PS Re 28 426 übernommen.

Die Schaltung nach Fig. 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 niederohmiges Signal liefert. Dieses Signal wird zunächst durch einen Geradeaus-Hauptsignalweg, der aus einem Widerstand 14 besteht, an einen Ausgangsanschluß 16 gelegt und zweitens über einen Nebensignalweg, dessen letztes Element ein Widerstand 18 ist, ebenfalls mit dem Anschluß 16 verbunden. Die Widerstände 14 und 18 addieren die Ausgänge des Haupt- und Nebensignalweges, um das geforderte Kompressionsgesetz zu verwirklichen.

Der Nebensignalweg besteht aus einem festen Filter 20, einem Filter 22 mit variabler Grenzfrequenz, das einen einen FET 24 enthält (diese bilden den Filter/Begrenzer), und einem Verstärker 26, dessen Ausgang mit einem Doppeldioden- Begrenzer oder Clipper 28 und dem Widerstand 18 verbunden ist. Der nicht-lineare Begrenzer unterdrückt Überschwingungen des Ausgangssignals bei abrupt ansteigenden Eingangssignalen. Der Verstärker 26 hebt das Signal im Nebensignalweg auf einen solchen Pegel an, daß das Knie der Charakteristik des Begrenzers oder Überschwindungsunterdrückers 28, der aus Silizium-Dioden aufgebaut ist, beim 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 dimensioniert, daß der erforderliche Kompensationsgrad der Dämpfung dann für das Signal im Nebensignalweg erhalten wird.

Der Ausgang des Verstärkers 26 ist ebenfalls mit einem Verstärker 30 gekoppelt, dessen Ausgang über eine Germaniumdiode 31 gleichgerichtet wird und mit einem Glättungsfilter 32 integriert wird, um die Steuerspannung für die FET 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 Grenzfrequenz von 1700 Hz, unterhalb derer eine verminderte Kompression stattfindet. Das Filter 22 besteht aus einem Reihenkondensator 34 und einem Nebenschlußwiderstand 36, denen ein Reihenwiderstand 38 und der FET 24 folgt, wobei dessen Source-Drain-Weg als Nebenschlußwiderstand geschaltet ist. Im Ruhezustand, mit Signal Null am Gate des FET 24, ist der FET gesperrt und stellt einen nahezu unendlich großen Widerstand dar; der Widerstand 38 kann dann vernachlässigt 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 wird 1 kΩ fällt, überbrückt der Widerstand 38 effektiv den Widerstand 36, 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 FET sind an einen einstellbaren Abgriff 46 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 ½ Volt.

Das Signal am Begrenzer und damit am Widerstand 18 kann mit einem Schalter 53 nach Masse kurzgeschlossen werden, wenn es erforderlich ist, den Kompressor außer Betrieb zu schalten.

Der 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) führen deshalb zu einem schnelen Verengen des Bandes, innerhalb dessen Kompression stattfindet, so daß eine Signalverzerrung vermieden wird.

Der Verstärker ist mit dem Glättungsfilter 32 über die Gleichrichterdiode 31 verbunden. Das Filter weist einen Reihenwiderstand 54 und einen Nebenschlußkondensator 56 auf. Der Widerstand 54 ist durch eine Siliziumdiode 58 überbrückt, die ein schnelles 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 die Schaltung im wesentlichen identisch mit der in Fig. 6 ist; die Werte der Bauteile sind deshalb größtenteils in Fig. 7 nicht dargestellt.

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

In Fig. 7 leitet der Nebensignalweg sein Eingangssignal 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 Treiberimpedanz zu gewährleisten, ist der Eingangsanschluß 10a mit dem Widerstand 14 über einen Emitterfolger 60 gekoppelt. Geeignete Maßnahmen müssen getroffen werden um zu verhindern, daß eine Vorspannung in den Expander gelangt.

Der Verstärker 26a wird dadurch invertierend gemacht, daß der Ausgang vom Emitter statt vom Kollektor des zweiten (PNP) Transistors abgenommen wird. Diese Änderung schließt ein eine Verlagerung des 10-kΩ-Widerstandes 62 (Fig. 6) vom Kollektor zum Emitter (Fig. 6) ein, was automatisch für eine geeignete Ausgangsimpedanz zur Ansteuerung des Begrenzers sorgt. Der Widerstand 50 ist deshalb in Fig. 7 weggelassen.

Es ist zu erwähnen, daß es beim Abgleichen eines vollständigen Rauschminderungssystems 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.

Fig. 8 zeigt eine bevorzugte Schaltung zum Ersatz der Schaltung zwischen den Punkten A, B und C in Fig. 6 und 7. Wenn der FET 24 gesperrt ist, ist das zweite RC-Netzwerk 22 außer Betrieb, und das erste RC-Netzwerk 20 bestimmt dann das Verhalten des Nebensignalweges. Die verbesserte Schaltung kombiniert die Phasenvorteile, die dadurch erreicht werden, daß im Ruhezustand nur eine einzige RC-Kombination vorhanden ist, während bei Vorliegen eines Signals die Dämpfungscharakteristik eines RC-Filters mit zwei Stufen mit 12 dB pro Oktave vorhanden ist.

In der praktischen Schaltung ist bei Verwendung von MPF-104- FETs der 39-kΩ-Widerstand 36a notwendig, um für eine endliche Source-Impedanz zu sorgen, in die der FET arbeiten kann. Auf diese Weise wird das Kompressionsverhältnis bei allen Frequenzen und Pegeln auf einem Maximum von etwa 2 gehalten. Der 39-kΩ-Widerstand 36a erfüllt die gleiche Funktion einer Begrenzung des Kompressionsverhältnisses in der verbesserten Schaltung wie der Widerstand 36 in der Schaltung nach Fig. 6 oder 7. Zusätzlich liefert dieser Widerstand einen Niederfrequenzweg für das Signal.

Modifikationen der Fig. 6, 7 und 8:

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der ersten praktischen Ausführungsform der Erfindung bei der Kompressorschaltung 4 und der Expanderschaltung 6 gemäß Fig. 2 um Schaltungen der in 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 Überschwingungsunterdrückers wird durch das Einspeisen einer geeigneten Gleich-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-kΩ-Widerstandes im festen Filter 20 auf einen Wert von 18 kΩ zu ändern, um die 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 µ (oder von 0,1 auf 0,4 µ, wenn der vorgeschlagene Wert von 0,1 µ verwendet wird) erhöht. Vorspannungen von etwa plus und minus ¼ Volt in Vorwärtsrichtung werden an die Siliziumdioden 28 gelegt, wodurch der Überschwingungs- Unterdrückungspegel um mehrere Dezibel abgesenkt wird.

Das variable Filter 22 hat eine Allpaß-Charakteristik, wenn die Ruhesteuerspannung anliegt. Damit wird die Gesamt-Filtergrenzfrequenz um zwei bis drei Oktaven abgesenkt. Bei Erhöhung des Kondensatorwertes im Emitternetzwerk des Steuerverstärkers 30 erhöht sich 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 die Frequenz des variablen Filters von ihrem Ruhewert bei Vorliegen niedrigpegeliger Signale aufwärts, so daß das Pegelansprechen oder die Schwelle gegenüber der in der unmodifizierten Schaltung vom Typ B gestaffelt wird.

Das 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 Filterweg 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. Die Bezugnahme auf die spezielle Schaltung gemäß der US-PS Re 28 426 erfolgt wegen der Bequemlichkeit der Darstellung.

Fig. 9 zeigt eine tatsächliche Blattschreiberaufzeichnung des Ansprechverhaltens unterhalb der Kompressionsschwelle der beiden in Reihe geschalteten Kompressorschaltungen, von denen die erste in der oben beschriebenen Weise modifiziert worden ist; das Verhalten der Expanderschaltung ist ebenfalls dargestellt. Diese Figur ist mit Fig. 10 (die Fig. 12 der US-PS Re 28 426) zu vergleichen, die eine tatsächliche Blattschreiberaufzeichnung des Ansprechverhaltens unterhalb des Kompressionsschwellwertes einer einzelnen Kompressor- oder Expanderschaltung gemäß Fig. 6, 7 und 8 zeigt.

Fig. 11 ist eine Blattschreiberaufzeichnung des Eingangs- Ausgangs-Verhaltens der in Reihe geschalteten Kompressorschaltungen in Abhängigkeit von der Frequenz. Eine Betrachtung der Kurven zeigt die beiden Dynamikbereiche für die Kurven, die die beiden gestaffelten Wirkungsbereiche angeben. Die Beobachtungsmöglichkeit für die Dynamikbereiche in diesen Kurven ist zwar nützlich, um die gestaffelte Wirkung der Schaltungen zu demonstrieren, in der Praxis wird jedoch bevorzugt, daß die Kurven so glatt wie möglich sind, ohne unterscheidbare Dynamikbereiche oder "Höcker". 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 Fig. 12 (entsprechend US-PS Re 28 426) zu vergleichen, die ähnliche Ansprechkurven für eine einzelne, unmodifizierte "sliding band"-Kompressorschaltung vom Typ B zeigt. Fig. 11 zeigt, daß der aus in Reihe geschalteten Schaltungen bestehende Kompressor im wesentlichen doppelt so viel Kompression liefert, die über einen größeren Frequenz- und Pegelbereich verteilt ist.

Die "variable Band"-Wirkung der in Reihe geschalteten Schaltungen mit gestaffelter Wirkung ist in Fig. 13 und 14 zu erkennen, die jeweils eine Blattschreiber-Meßton-Aufzeichnung des Verhaltens der in Reihe geschalteten Kompressorschaltungen zeigen. Sie sind mit Fig. 15 (die Fig. 15 der US-PS Re 28 426 entspricht) zu vergleichen, bei der es sich um eine tatsächliche Blattschreiberaufzeichnung handelt, die mit der Schaltung nach Fig. 6 unter Einschluß von Fig. 8 erhalten worden ist. Die "variable Band"-Wirkung ist dadurch aufgezeigt, daß der Frequenzgang des Kompressors mittels eines niedrigpegeligen Meßtons (dessen Pegel unterhalb der Kompressorschwelle liegt) in Gegenwart eines hochpegeligen Signals aufgetragen ist, der Meßton 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 Meßton bei -65 dB und 200-Hz-Signaltönen auf Pegeln zwischen -28 dB und darunter bis +10 dB. Fig. 14 gilt für einen 500-Hz-Signalton bei Pegeln zwischen -34 dB und darunter bis +10 dB.

Bei einer weiteren praktischen Ausführungsform der Erfindung mit verbessertem Betriebsverhalten sind die Kompressorschaltung 2 und die Expanderschaltung 8 gemäß Fig. 2 beide Modifikationen üblicher Schaltungen vom Typ B. Bei beiden in Reihe geschalteten Schaltungen sind die Grenzfrequenzen um zwei Oktaven abgesenkt, um eine steil ansteigende Niedrigpegel-Ansprechcharakteristik zu erhalten. Die Staffelung der Dynamikwirkung wird durch Verringerung der Schwellen (sowohl syllabisch als auch Überschwingungs- Unterdrückung) in der zweiten (im Kompressorbetrieb) Schaltung erhalten.

Ein Merkmal und ein nützlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Frequenzgänge der einzelnen Schaltungen kombiniert sind. Wenn eine besonders scharf ansteigende Rauschminderungscharakteristik erwünscht ist, wird das durch die Verwendung von Schaltungen erreicht, die die gleiche Niedrigpegel-(Ruhe-)Frequenzgangcharakteristik 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 Rauschminderung im kritischen Bereich von 300 Hz bis 2 kHz zu erreichen, einem Bereich, in dem Bandrauschen merkbar wird, sobald Geräusche oberhalb von 2 kHz vermindert worden sind. Der hörbare Rauschbeitrag vom Band unterhalb etwa 300 Hz ist vernachlässigbar. Wenn nur eine minimale Rauschminderungswirkung unterhalb von 300 Hz vorgesehen wird, vermeidet das System die Manipulation von Signalgrundfrequenzen und verbessert die Komplementarität des Systems 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.

Es sei nochmals auf die Fig. 6 und 8 Bezug genommen. In beiden in Reihe geschalteten Schaltungen ist in der besprochenen praktischen Ausführungsform der Widerstand im festen Filter 20 von 3,3 kΩ auf 13 kΩ 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 Schaltung ist der Kondensator im Emitternetzwerk 52f des Steuerverstärkers 30 im Wert um einen Faktor von etwa 4 erhöht, wie bei der früher besprochenen Ausführungsform. Dies resultiert in einer Staffelung der Schwellwerte von etwa 10 bis 15 dB (je nach Signalpegel und Signalfrequenz). Eine entsprechende Vorspannung wird in die Diodenbegrenzerschaltung 28 eingeführt, um den Überschwingungs- Unterdrückungspegel zu erniedrigen.

Bei der Modifikation der zuletzt beschriebenen praktischen Ausführungsform kann der Kondensator 34 im Filter 22 im Wert auf 0,01 µ erhöht werden, um die Konsistenz der Charakteristiken unterschiedlicher Einheiten zu fördern und um die Rauschmodulationseigenschaften zu verbessern. In jedem Fall ist dank der im wesentlichen gleichen Zeitkonstanten von festem Filter 20 und variablem Filter 22, die Anordnung äquivalent einem einpoligen variablen Filter, und das feste Filter kann entfallen. In diesem Fall wird der Widerstand 36a (der einen Wert von 47 kΩ in modernen Formen der Schaltung vom B-Typ hat) im Nebenschluß zum Source-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 für vorhandene nichtkodierte und B-Typ-kodierte Programme (beispielsweise von Bändern oder FM-Rundfunksendungen) verwendbar. Die verbesserten Systeme weisen eine normale B-Typ-Schaltung auf und können deshalb zur vollen Kompatibilität umgeschaltet werden, um als B-Typ-Schaltung 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 "Brillanz" 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 Heim-Systeme wiedergegeben werden, die nicht mit einer B-Schaltung versehen sind.

Die übliche B-Typ-Schaltung gemäß US-PS Re 28 246 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 Gesamtschaltungsanordnung 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 : 1. Das kann toleriert werden, wenn das Gesamt-Kompressionsverhältnis nicht größer ist als 2,5 : 1 (oder etwa das 1,25fache einer einzelnen 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, eine Kompressor- bzw. eine Expanderschaltung, d. h., eine Schaltung der Schaltungsanordnung, als Mehrband-Schaltung mit aufgeteilten Frequenzbändern (US-PS 38 46 719; US-PS 39 03 485) aufzubauen und die andere Kompressor- bzw. Expanderschaltung, d. h., die weitere Schaltung, als "sliding band"- Schaltung. Eine geeignete Mehrband-Schaltung ist in Journal of the Audio Engineering Society, Bd. 15, Nr. 4, Oktober 1967, Seiten 383-388, beschrieben. Mehrband-Schaltungen entsprechend den dort veröffentlichten Parametern sind allgemein als Geräte vom A-Typ bekanntgeworden.

Bei einer praktischen Ausführungsform erhält eine Kompressorschaltung vom A-Typ ein falsches Eingangssignal und liefert ihr Ausgangssignal an eine speziell darauf abgestimmte "sliding band"-Schaltung. Es ist sehr vorteilhaft, die A- Typ-Schaltung so anzuordnen, daß sie ein unverarbeitetes Eingangssignal erhält, weil sie darauf ausgelegt ist, ein flaches Eingangssignal zu verarbeiten. Wenn die "sliding band"-Schaltung als erste angeordnet werden würde, ergäbe sich der Nachteil, daß das flache Eingangssignal zu einer Form geändert würde, die als Eingangssignal für eine A-Typ- Schaltung weniger geeignet ist. Auf der Wiedergabeseite empfängt die "sliding band"-Expanderschaltung das Signal vom Kanal N, verarbeitet es und gibt an die A-Typ-Expanderschaltung weiter.

Fig. 16 zeigt Kurven ähnlich Fig. 9 für den Niedrigpegel- Signalfrequenzgang einer A-Typ-Kompressorschaltung allein, der "sliding band"-Kompressorschaltung allein und den kombinierten Kompressor-Frequenzgang. Die Expansionsfrequenzgangkurven sind komplementär in der gleichen Weise wie in Fig. 9. Die A-Typ-Schaltung ergibt 10 dB Kompression bis hinauf zu etwa 5 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 Schwächen 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 14 kHz verbleibt, um dann abzufallen. Die "sliding band"-Schaltung ist so ausgelegt, daß ihre Betriebsschwellen und resultierenden Bereiche der Dynamikwirkung gut von denen der A-Typ- Schaltung getrennt sind.

Fig. 17 zeigt eine Reihe von Frequenzgängen bei unterschiedlichen Pegeln für eine Reihenschaltung von A-Typ- und "sliding band"-Kompressorschaltungen. Diese Kurven bieten die gleiche Art von Informationen wie Fig. 11. Die schraffierte Fläche C gibt allgemein die Dynamikbereiche an, die von einer Wirkung der A-Typ-Schaltung herrühren; die schraffierte Fläche D, die von der wirkung der "sliding band"-Schaltung. Diese Anordnung resultiert in einem maximalen Kompressionsverhältnis, das bei allen Pegeln und allen Frequenzen etwa 2 : 1 nicht übersteigt, und ist deshalb relativ frei von Fehlerverstärkungseffekten in praktischen Bandaufzeichnungskanälen.

Als Beispiel ist eine übliche A-Typ-Schaltung in Reihe mit einer speziellen "sliding band"-Schaltung geschaltet worden. Im Prinzip kann jedoch auch die A-Typ-Schaltung modifiziert werden, um ihre Bereiche der Dynamikwirkung so zu verschieben, daß sich die beste Anpassung an die Wirkungsbereiche der "sliding band"-Schaltung ergibt.

Der präzise Betrag der Staffelung oder Verschiebung, die bei dieser und anderen hier erwähnten Konfigurationen notwendig ist, hängt von den Parametern der verwendeten Signalverarbeitungseinrichtung 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 Expansionsverhältnisse. Als Beispiel wird auf Fig. 18 hingewiesen, die eine zu starke Bündelung zeigt; d. h., bei einigen Frequenzen und Pegeln resultiert eine Änderung des Eingangspegels um 10 dB in einer Ausgangspegeländerung 2,5 dB - ein Verhältnis 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.

Claims (13)

1. Schaltungsanordnung zur Modifizierung des Dynamikbereiches eines Eingangssignals mit
einer ersten Schaltung (2; 6), die in einem ersten Frequenzbereich eine bilineare Eingangs/Ausgangs-Kennlinie mit zwei linearen Teilen, in denen die Verstärkung der Schaltung pegelunabhängig ist, und einem diese verbindenden nicht-linearen Teil, in dem die Verstärkung der Schaltung pegelabhängig ist, aufweist, wobei
der erste lineare Teil der Kennlinie Eingangssignalpegeln unterhalb eines ersten Schwellenwertes entspricht,
der zweite lineare Teil der Kennlinie Eingangssignalpegeln oberhalb eines zweiten Schwellenwertes entspricht,
die Verstärkung der Schaltung in dem ersten linearen Teil ihrer Kennlinie anders ist als die Verstärkung der Schaltung im zweiten linearen Teil ihrer Kennlinie und
in dem nicht-linearen Teil der Kennlinie (7, 7′) sich das Verhältnis der differentiellen Änderung des Eingangssignalpegels zur entsprechenden differentiellen Änderung des Ausgangssignalpegels, d. h., das Kompressions- oder Expansionsverhältnis der Schaltung, mit zunehmendem Eingangssignalpegel von dem Wert 1 zu einem maximalen Kompressionsverhältnis bzw. zu einem minimalen Expansionsverhältnis und zurück zu dem Wert 1 ändert,
dadurch gekennzeichnet,
daß der ersten Schaltung wenigstens eine zweite Schaltung (4, 8) nachgeschaltet ist, die eine bilineare Kennlinie in einem zweiten Frequenzbereich aufweist, der wenigstens teilweise den ersten Frequenzbereich überlappt,
daß die Schwellenwerte der beiden Schaltungen (2, 4; 6, 8) verschieden sind derart, daß die nicht-linearen Teile ihrer bilinearen Kennlinien in bezug auf den Eingangssignalpegel innerhalb des Teilfrequenzbereiches, in dem sich der erste Frequenzbereich und der zweite Frequenzbereich überlappen, gestaffelt sind, so daß die Anordnung der wenigstens zwei in Reihe geschalteten Schaltungen (2 und 4; 6 und 8) ebenfalls eine bilineare Kennlinie aufweist, und im Vergleich mit jeder der einzelnen Schaltungen
einen größeren Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellenwert aufweist,
einen größeren Unterschied zwischen der Verstärkung im ersten linearen Teil ihrer Kennlinie und der Verstärkung im zweiten linearen Teil ihrer Kennlinie aufweist, aber
im wesentlichen kein größeres maximales Kompressionsverhältnis bzw. kleines minimales Expansionsverhältnis aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum ihres Kompressionsverhältnisses das 1,25fache des Maximums des Kompressionsverhältnisses ihrer einzelnen Schaltungen nicht überschreitet bzw. das Minimum ihres Expansionsverhältnisses das (1/1,25)fache des Minimums des Expansionsverhältnisses ihrer einzelnen Schaltungen nicht unterschreitet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum des Kompressionsverhältnisses bzw. das Minimum des Expansionsverhältnisses ihrer einzelnen Schaltungen etwa 2 : 1 bzw. 1 : 2 beträgt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dem ersten Schwellenwert entsprechende Eingangssignalpegel T jeder ihrer einzelnen Schaltungen (2, 4; 6, 8) annähernd durch die Beziehung gegeben ist, wobei F der zweite Schwellenwert der jeweiligen Schaltung, C der Extremwert des Kompressions- bzw. Expansionsverhältnisses der jeweiligen Schaltung und G der Unterschied zwischen den Verstärkungen der jeweiligen Schaltung im ersten und im zweiten linearen Teil ihrer Kennlinie ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Modifizierung des Dynamikbereiches von Audiosignalen, dadurch gekennzeichnet, daß jede ihrer einzelnen Schaltungen (2, 4; 6, 8) eine Einrichtung enthält, die bei Eingangssignalpegeln oberhalb eines dritten Schwellenwertes zur Unterdrückung von Überschwingungen wirksam wird, und daß die dritten Schwellenwerte der einzelnen Schaltungen gestaffelt sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Schwellenwerte der einzelnen Schaltungen (2, 4; 6, 8) in gleicher Weise wie die ersten Schwellenwerte gestaffelt sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung im ersten linearen Teil der jeweiligen bilinearen Kennlinie der einzelnen Schaltungen (2, 4; 6, 8) etwa 10 dB beträgt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Modifizierung des Dynamikbereiches von Audiosignalen, dadurch gekennzeichnet, daß jede der einzelnen Schaltungen (2, 4; 6, 8) ein Filter (22) mit einer variablen Filtereckfrequenz enthält, das eine Anhebung oder Abschwächung der Frequenzantwort in einem hohen oder niedrigen Frequenzbereich des Signalbandes bewirkt und von einem Steuersignal, das von einer Steuerschaltung (30, 31, 32) abhängig von Signalen in diesem Frequenzbereich erzeugt wird, derart gesteuert wird, daß die Filtereckfrequenz von einer Ruheeckfrequenz bei Abwesenheit eines steuernden Signals zu einem anderen Wert in dem Sinne verschoben wird, daß der angehobene oder abgeschwächte Frequenzbereich schmäler wird, und daß die Verstärkungen der Steuerschaltungen (30, 31, 32) in den einzelnen Schaltungen verschieden sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruheeckfrequenzen der Filter in ihren einzelnen Schaltungen etwa gleich sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anhebung oder Abschwächung im oberen Audiofrequenzbereich erfolgt und die Ruheeckfrequenz des Filters in jeder der einzelnen Schaltungen im Bereich von 300 bis 400 Hz liegt.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine ihrer Schaltungen den Spektralgehalt ihres Eingangssignals verändert.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche1 bis 11, ausgelegt als Dynamikkompressor, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwellenwert der ersten Schaltung (2) bei einem höheren Eingangssignalpegel liegt als der erste Schwellenwert der zweiten Schaltung (4).

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ausgelegt als Dynamikexpander, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwellenwert der ersten Schaltung (6) bei einem niedrigeren Eingangssignalpegel liegt als der erste Schwellenwert der zweiten Schaltung (8).