DE3153730C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Schaltungsanordnungen, die den Dynamikbereich von Eingangs­ signalen ändern, nämlich Kompressoren und komplementäre Expander werden häufig gemeinsam benutzt (ein Kompander­ system), um eine Geräuschminderung zu erzielen; das Signal wird vor der Übertragung oder Aufzeichnung komprimiert und nach dem Empfang oder der Wiedergabe aus dem Übertragungs­ kanal expandiert. Es können jedoch auch Kompressoren allein benutzt werden, um den Dynamikbereich zu verkleinern, z. B. um ihn an die Kapazität eines Übertragungskanals anzupas­ sen, ohne daß anschließend eine Expansion vorgenommen wird, wenn das komprimierte Signal für den gewünschten Zweck an­ gemessen ist. Außerdem werden Kompressoren allein bei ge­ wissen Erzeugnissen benutzt, insbesondere bei Audioer­ zeugnissen, die nur komprimierte Rundfunksendungen über­ tragen oder im voraus aufzuzeichnende Signale übertragen sollen. Es werden auch Expander allein in gewissen Erzeug­ nissen benutzt, insbesondere im Fall von Audioerzeugnissen, die nur bereits komprimierte Rundfunksendungen empfangen oder im voraus aufgezeichnete Signale wiedergeben sollen. Bei gewissen Erzeugnissen, insbesondere Erzeugnissen für die Tonaufnahme und Wiedergabe, ist häufig eine einzeln vorgesehene Vorrichtung umschaltbar, so daß sie als Kom­ pressor zum Aufzeichnen von Signalen und als Expander zur Wiedergabe komprimierter Rundfunksendungen oder im voraus aufgezeichneter Signale arbeitet.

Das Ausmaß der Kompression oder Expansion läßt sich in dB ausdrücken. Eine Kompression von 10 dB bedeutet z. B., daß ein Eingangsdynamikbereich von N dB zu einem Ausgangsbe­ reich von (N-10) dB komprimiert wird. Bei einem Rauschmin­ derungssystem spricht man von 10 dB Rauschminderung wenn einer Kompression von 10 dB eine komplementäre Expansion von 10 dB folgt.

Die Erfindung geht von Schaltungsanordnungen mit einer oder mehreren Schaltungen zum Modifizieren des Dynamikbereichs aus, bei denen je der Zusammenhang zwischen Ausgangspegel und Eingangspegel einer sogenannten bilinearen Kennlinie (Charakteristik) entspricht, wobei "linear" eine konstante Verstärkung bedeutet. Unter einer bilinearen Kennlinie versteht man in diesem Zusammenhang eine Kennlinie mit

• 1) einem ersten Abschnitt im wesentlichen konstanter Ver­ stärkung im Bereich niedriger Eingangspegel bis zu einer Schwelle (linearer Niedrigpegelteil),
• 2) einem mittleren Abschnitt oberhalb der Schwelle bis zu einem Endpunkt mit veränderlicher Verstärkung, die ein ma­ ximales Kompressions- oder Expansionsverhältnis bewirkt (nicht-linearer Zwischenpegelteil), und
• 3) einem dritten Abschnitt im Bereich hoher Eingangspegel mit im wesentlichen konstanter Verstärkung, die von der Verstärkung des ersten Abschnitts verschieden ist (linearer Hochpegelteil).

Diese Art von Kennlinien bezeichnet man deshalb als bili­ near, weil sie zwei Abschnitte, nämlich den Niedrigpegel­ teil und den Hochpegelteil, mit im wesentlichen gleichblei­ bender Verstärkung aufweist.

In der Praxis sind die Schwelle und der Endpunkt häufig nicht sehr genau festgelegte "Punkte". Die beiden Über­ gangsbereiche, wo der Zwischenpegelteil in den linearen Niedrigpegelteil und in den linearen Hochpegelteil über­ geht, können jeweils verschiedenste Formen von einer glat­ ten bis zu einer scharf gebogenen Kurve haben, je nach der Steuerkennlinie des Kompressors und Expanders.

Es sei außerdem noch darauf hingewiesen, daß Schaltungsan­ ordnungen mit bilinearer Charakteristik sich von zwei ande­ ren bekannten Klassen von Schaltungsanordnungen unterschei­ den, nämlich

• a) einer logarithmischen oder nichtlinearen Schaltungsan­ ordnung entweder mit fester oder sich ändernder Neigung und ohne linearen Teil: die Verstärkung ändert sich über den ganzen Dynamikbereich hinweg;
• b) Schaltungsanordnungen mit einer Charakteristik, die zwei oder mehr Teile hat, von denen nur einer linear ist ("unilinear").

Eine Schaltungsanordnung mit bilinearer Charakteristik hat besondere Vorteile und ist weit verbreitet. Die Schwelle kann oberhalb des Eingangsrauschpegels oder des Rauschpe­ gels des Übertragungskanals festgesetzt werden, um die Ge­ fahr einer Steuerung der Schaltung durch Rauschen auszu­ schließen. Aufgrund der im wesentlichen konstanten Verstär­ kung des Hochpegelteils wird eine nichtlineare Behandlung von Hochpegelsignalen vermieden, die sonst Verzerrungen bringen würde. Im Fall eines Audiosignals, für das die Schaltung syllabisch sein muß, bietet der Hochpegelteil außerdem einen Bereich, innerhalb dessen die Überschwin­ gungen behandelt werden können, die bei einer syllabischen Schaltung auftreten, wenn der Signalpegel abrupt steigt. Die Überschwingungen werden durch Clipperdioden oder ähn­ liche Einrichtungen unterdrückt. Diese Kombination von Vorteilen ist nur mit bilinearen Charakteristiken erziel­ bar.

Bekannte Schaltungen mit einer einzigen Stufe mit bili­ nearer Charakteristik, wie sie heutzutage in Audioerzeugnis­ sen für Heimgebrauch verwendet werden, ermöglichen 10 dB Kompression und Expansion, was für viele Zwecke angemessen ist. Allerdings verbleibt für einige Hörer dabei noch ein gewisses Rauschen, und, um die bestmögliche Wiedergabetreue zu erzielen, ist eine stärkere Kompression und Expansion wünschenswert, beispielsweise 20 dB.

Vor den oben erwähnten Schaltungen waren Schaltungen be­ kannt und im Handel erhältlich, die eine Kompression oder Expansion von 20 dB und sogar noch mehr ermöglichten; aber das waren meistens logarithmische Schaltungsanordnungen mit konstanter Neigung, bei denen im gesamten Dynamikbereich oder nahezu im gesamten Dynamikbereich die Verstärkung sich ständig ändert. Solche Schaltungen leiden bei sehr niedri­ gen und sehr hohen Signalpegeln stärker unter Verzerrungs- und Signalgleichlaufproblemen als die bilinearen Schaltun­ gen, bei denen die Änderung der Verstärkung auf einen Zwi­ schenbereich der Charakteristik beschränkt ist, und Über­ schwingungsprobleme treten stärker auf als bei Anordnungen mit bilinearer Charakteristik. Bei bekannten Kompandern mit konstanter Neigung liegen die Kompressionsverhältnisse im Bereich von 1,5:1, 2:1 und 3:1, wobei 2:1 das üblichste Verhältnis ist.

Eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 ist aus der belgischen Patentschrift 8 89 428 be­ kannt. Bei ihr folgen auf eine erste Schaltung, die eine bilineare Eingangs-Ausgangs-Charakteristik hat, eine oder mehrere weitere Schaltungen, die gleichfalls bilineare Cha­ rakteristiken bei jeder beliebigen Frequenz innerhalb eines den Schaltungen gemeinsamen Frequenzbereichs haben. Die Schwellen und Dynamikbereiche der Schaltungen sind auf ver­ schiedene Wert eingestellt, um die Zwischen- oder Mittelpe­ gelteile der Charakteristiken der Schaltungen so zu staf­ feln, daß eine Verstärkungsänderung über einen größeren Be­ reich von mittleren Eingangspegeln als für jede der Schal­ tungen allein erzielt wird, und daß zwischen den Gesamtver­ stärkungen bei niedrigem und hohem Eingangspegel ein größe­ rer Unterschied erhalten wird. Dabei wird jedoch durch die Staffelung das maximale Kompressions- oder Expansionsver­ hältnis im wesentlichen nicht größer als das maximale Kompressionsverhältnis einer einzelnen Schaltung allein. Bei diesem Stand der Technik ist jede Schaltung mit einer eigenen Steuersignalerzeugungsschaltung versehen.

Wenn bei Audioschaltungen die Schaltungen Elemente zum Un­ terdrücken (Begrenzen) von Überschwingungen haben, können deren Schwellen gleichfalls gemeinsam mit der Staffelung der syllabischen Schwellen gestaffelt werden. Die Über­ schwingungen der Schaltungen oder Stufen mit dem niedrige­ ren Pegel werden entsprechend herabgesetzt, wobei eine mi­ nimale Gesamtüberschwingung der verschiedenen Stufen er­ folgt. Dies steht im Gegensatz zu bekannten logarithmischen Kompressoren, bei denen von Natur aus starke Überschwingun­ gen erzeugt werden.

Jede der Schaltungen kann eine Änderung des Spektralgehalts des Signals einführen, z. B. eine Höhenanhebung bei niedri­ gem Pegel im Fall eines Kompressors. So kann jede nachfol­ gende Stufe durch ein Signal mit einem sich progressiv än­ dernden Spektralgehalt betätigt werden. Im Fall von kom­ plexen Signalen hat das zur Folge, daß die Fehlerchancen bei der Decodierfunktion spektral ausgebreitet werden. Im Fall eines Bandaufzeichnungsgeräts mit ungleichmäßiger Fre­ quenzgangcharakteristik verringert z. B. die Tendenz zu spektraler Verlagerung die Gesamtfehler der Dynamik und des Frequenzganges im decodierten Ergebnis.

Die Möglichkeit der Staffelung bilinearer Schaltungen oder Stufen gibt dem Konstrukteur ein zusätzliches Mittel, um eine Gesamtschaltung zu optimieren. Dabei können die Kom­ pressionscharakteristiken einzelner Stufen insbesondere im Hinblick auf die Staffelung ausgelegt werden. Die Über­ gangscharakteristiken der Schaltungen werden gleichfalls berücksichtigt, und es wird vorzugsweise die Möglichkeit genutzt, die Schwellen der Überschwingungsunterdrückung in Audiokompressoren und Expandern zu staffeln, um zu einer minimalen Gesamtüberschwingung zu kommen.

Eine als "sliding band circuit" allgemein bekannte Schal­ tung, die als erste und zweite Schaltung verwendet werden kann, erzeugt die spezielle, erwünschte Charakteristik für den Fall einer Hochfrequenz-Audiokompression oder Expansion durch Anwenden einer Hochfrequenzanhebung im Fall der Korn­ pression oder Absenkung im Fall der Expansion mit Hilfe ei­ nes Hochpaßfilters mit veränderlicher unterer Grenzfre­ quenz. In dem Maß, in dem der Signalpegel im Hochfrequenz­ band steigt, gleitet die Grenzfrequenz des Filters nach oben und engt dabei das angehobene oder abgesenkte Band ein und schließt das Nutzsignal von der Anhebung oder Absenkung aus. Beispiele für derartige Schaltungen finden sich in US-PS Re 28 426, US-PS 37 57 254, 40 72 914, 39 34 190 und der japanischen Patentanmeldung 55 529/71.

Entsprechend kann sowohl die erste als auch die zweite Schaltung eine derartige "Sliding Band" -Schaltung sein. Im Prinzip können die Ruhegrenzfrequenzen der beiden "Sliding Band"-Schaltungen unterschiedlich sein, und das kann dazu genutzt werden, einen Grad an Kompression oder Expansion zu erhalten, der in einem Teil des behandelten Frequenzbandes größer ist als in einem anderen. Jedoch sind bei einer ab­ gewandelten Ausführungsform die Grenzfrequenzen im wesent­ lichen identisch gewählt. Das hat den Vorteil stärkerer Diskriminierungen zwischen dem Frequenzbereich, in welchem eine Anhebung oder Absenkung angewendet wird, und dem Be­ reich, in dem das nicht geschieht, und dementsprechend eine schärfere Diskriminierung zwischen dem Bereich, in dem eine Rauschminderung nicht mehr stattfindet, weil ein signifi­ kantes Nutzsignal auftritt, und dem Bereich, in dem die Rauschminderung wirksam bleibt.

Andererseits sind aber auch Schaltungen allgemein bekannt, bei denen das Frequenzspektrum durch entsprechende Bandpaß­ filter in eine Vielzahl von Bändern unterteilt wird, die Kompression oder Expansion in jedem Band im Fall eines Kom­ pressors mittels einer Verstärkungssteuervorrichtung (ent­ weder ein selbsttätig ansprechender, diodenartiger Begren­ zer oder ein gesteuerter Begrenzer) erfolgt und im Falle eines Expanders beliebige reziproke oder komplementäre Schaltungen vorgesehen sind. Beispiele für diese Art von Schaltkreisen finden sich in US-PS 38 46 719. Diese Spalt­ band- oder Mehrfachbandschaltungen haben den Vorteil, daß sie in den verschiedenen Frequenzbändern unabhängig wirken, und, wenn diese Eigenschaft erwünscht ist, können solche Schaltungen als erste, zweite oder weitere Stufe in den Reihenanordnungen verwendet werden.

Es ist bekannt, bilineare Kompressoren und Expander, sowohl der "Sliding Band" als auch der Spaltbandart unter Verwen­ dung nur eines einzigen Signalweges aufzubauen. Insgesamt wird jedoch eine Konstruktion derartiger Vorrichtungen be­ vorzugt, die eine Hauptsignalschaltung, welche hinsichtlich der Dynamik linear ist, mit einer Kombinationsschaltung in der Hauptschaltung, und eine weitere Schaltung aufweist, die ihren Eingang vom Eingang oder Ausgang der Hauptsignal­ schaltung ableitet und deren Ausgang mit der Kombinations­ schaltung gekoppelt ist. Zu der weiteren Schaltung gehört ein (selbstwirkender oder gesteuerter) Begrenzer, und im Fall der Kompression wird durch das begrenzte Signal der weiteren Schaltung das Signal der Hauptsignalschaltung in der Kombinationsschaltung verstärkt bzw. angehoben, während dem Signal der Hauptsignalschaltung das Signal der Haupt­ signalschaltung in der Kombinationsschaltung verstärkt bzw. angehoben, während dem Signal der Hauptsignalschaltung im Fall der Expansion entgegengewirkt wird. Das begrenzte Sig­ nal der weiteren Schaltung ist kleiner als das Signal der Hauptsignalschaltung im oberen Teil des Eingangsdynamikbe­ reichs. Es ist am vorteilhaftesten und zweckmäßigsten, wenn die Hauptsignalschaltung und die weitere Schaltung getrennt identifizierbare Signalwege sind, eine sogenannte "Dual-Path" oder Zweiweg-Schaltungsanordnung.

Derartige bekannte Kompressoren und Expander sind besonders vorteilhaft, weil sie es ermöglichen, die gewünschte Art von Übertragungscharakteristik auf exakte Weise ohne die Schwierigkeiten einer Hochpegelverzerrung zu erzielen. Der Niedrigpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung wird erhalten, indem man dem weiteren Weg eine Schwelle oberhalb des Rauschpegels gibt; unterhalb dieser Schwelle ist der weitere Weg linear. Der Zwischenpegelteil wird von demjenigen Bereich geschaffen, in welchem die Begrenzungs­ wirkung des weiteren Weges teilweise wirksam wird, und der Hochpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung ergibt sich, nachdem der Begrenzer voll wirksam geworden ist, so daß das Signal des weiteren Weges nicht mehr zu­ nimmt und im Vergleich zum Signal des Hauptweges vernach­ lässigbar wird. Im höchsten Teil des Eingangsdynamikbe­ reichs ist der Ausgang der Schaltungsanordnung tatsächlich nur das vom linearen Hauptweg hindurchgelassene Signal, d. h. linear im Hinblick auf den Dynamikbereich. Bei "Dual-Path"-Audioschaltungen ist es besonders einfach, für Über­ schwingungsunterdrückung zu sorgen.

Beispiele dieser bekannten Schaltungen finden sich in US-PS 38 46 719, 39 03 485 und US-PS Re 28 426. Es sind auch ana­ loge Schaltungen bekannt, mit denen ähnliche Ergebnisse er­ zielt werden, bei denen jedoch der weitere Weg Charakte­ ristiken hat, die zu Begrenzercharakteristiken invers sind, und bei denen der Ausgang des weiteren Weges dem Signal des Hauptweges zur Kompression entgegenwirkt und das Signal des Hauptweges zur Expansion verstärkt bzw. anhebt (US-PS 38 28 280 und 38 75 537).

Jede dieser bekannten bilinearen Schaltungen kann folglich als erste und zweite Schaltung der erfindungsgemäßen Rei­ henschaltungsanordnungen verwendet werden.

Wie schon erwähnt, ist es nicht unbedingt wichtig, die ge­ wünschte Art der bilinearen Charakteristik durch solche "Dual-Path"-Techniken zu erzeugen. Es gibt auch Alternati­ ven, bei denen mit Einzelwegen gearbeitet wird, wie z. B. in US-PS 37 57 254, 39 67 219, 40 72 914, 39 09 733 und der japanischen Patentanmeldung 55 529/71 beschrieben. Mit die­ sen alternativen Schaltungen können meistens nicht so gute Ergebnisse erzielt werden wie mit "Dual-Path"-Schaltungen oder sie können weniger zweckmäßig und deshalb weniger wirtschaftlich sein; aber sie können insgesamt gleichwer­ tige Ergebnisse hervorbringen. Folglich können diese be­ kannten Schaltungen auch als eine oder mehr der Schaltungen einer Reihenschaltungsanordnung gemäß der Erfindung benutzt werden. Gegebenenfalls kann eine der Schaltungen, die erste oder die zweite, eine "Dual-Path"-Schaltung und die andere eine Einwegschaltung sein.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß sie einen weniger komplizierten und kostengünstigeren Aufbau aufweist und die Optimierung der Staffelung zweier oder mehrerer Einzelschaltungen erleichtert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß der Lehre der Erfindung werden zusätzliche Techniken der kreuzweisen Kopplung bilinearer, gestaffelter Reihen­ schaltungen durch Verwendung einer gemeinsamen Steuerschal­ tung für die in Reihe miteinander verbundenen Vorrichtungen geschaffen. Diese Kreuzkopplung kann a) dazu beitragen, das System gegenüber Steuerung durch unerwünschte Signale immun zu machen, b) dazu beitragen, die Rauschmodulationswirkun­ gen zu verringern, c) wilde Antworten unterdrücken, d) eine Herabsetzung von einzelnen Anforderungen an die Schaltung erlauben, e) die Kompression oder Expansion ohne Nebenwir­ kungen vergrößern, f) die Kompliziertheit und Kosten usw. der Gesamtschaltung herabsetzen. Ein Merkmal der gestaffel­ ten bilinearen Reihenschaltungen besteht darin, daß sie mit verschiedenen Betriebsschwellen arbeiten und meistens auch mit verschiedenen Überschwingungsschwellen (mindestens im Fall von Audiovorrichtungen). Folglich sprechen die Schal­ tungen unterschiedlich an. Die Kreuzkopplung von Wechsel­ stromsignalen zwischen oder unter den Reihenschaltungen gibt dem Konstruktionsingenieur einen zusätzlichen Kon­ struktionsparameter, der zur optimalen Gestaltung des Be­ triebs des Systems nützlich sein kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an­ hand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen beispielhaften Satz von Kurven zur Darstel­ lung komplementärer bilinearer Kompressions- und Expansionscharakteristiken,

Fig. 2 ein allgemeines Blockschaltbild bilinearer, in Reihe geschalteter Vorrichtungen,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines bekannten bilinearen "Dual Path"­ "Sliding Band"-Kompressors wie im Zusammenhang mit Fig. 3 oder Fig. 3 mit der Abwandlung gemäß Fig. 5 beschrieben,

Fig. 4 und 5 Blockschaltbilder eines bekannten Festband­ kompressors und -expanders,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Er­ findung, die in einer Anordnung mit einer gemein­ samen Steuerschaltung für bilineare, in Reihe ge­ schaltete "Sliding Band"-Vorrichtungen verwirklicht ist, und

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Er­ findung, die in einer Anordnung verwirklicht ist, welche bilinearen, in Reihe geschalteten Festband­ vorrichtungen eine gemeinsame Steuerung liefert.

In Fig. 1 sind beispielhafte bilineare komplementare Kom­ pressions- und Expansionsübertragungscharakteristiken bei einer bestimmten Frequenz gezeigt, die für die Kompressions­ charakteristik den Niedrigpegelteil mit im wesentlichen kon­ stanter Verstärkung, die Schwelle, den Teil, wo die dynami­ sche Aktion erfolgt, den Endpunkt und den Hochpegel­ teil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung zu erkennen geben.

Fig. 2 zeigt allgemein bilineare, in Reihe geschaltete Vor­ richtungen: ein erster bilinearer Kompressor 2 erhält Ein­ gangsinformation und liegt mit seinem Ausgang an einem zwei­ ten bilinearen Kompressor 4 an, der mit ihm in Reihe ge­ schaltet ist und dessen Ausgang an einem rauschbehafteten, Informa­ tion übertragenden Kanal N anliegt. Ein Paar in Reihe geschalteter bilinearer Expander 6 und 8 erhalten den Eingang vom Kanal N am Expander 6 und liefern am Ausgang des Expan­ ders 8 einen Rauschminderungssystemausgang. Die Bereiche der Dynamikwirkung der in Reihe liegenden Vorrichtungen sind im Verhältnis zueinander innerhalb des den Vorrichtungen ge­ meinsamen Frequenzbereichs voneinander getrennt oder ge­ staffelt. Obwohl in der Figur je zwei Vorrichtungen an je­ der Seite des Informationskanals N vorgesehen sind, können nicht nur zwei sondern auch mehr Vorrichtungen verwendet werden. Die Erfindung sieht die Kreuzkopplung von zwei oder mehr bilinearen, in Reihe geschalteten Kompressoren oder Ex­ pandern vor, wie nachfolgend im einzelnen erläutert wird.

Bei einer Ausführung als komplementäres Rauschminderungssy­ stem sind bilineare Kompressoren und Expander in Reihen­ schaltung in gleicher Anzahl vorgesehen.

Die im Kompressor gewählte Reihenfolge der Stufen, die ei­ ne bestimmte Charakteristik haben, ist im Expander umgekehrt. Die letzte Stufe des Expanders ist z. B. zur ersten Stufe des Kompressors in jeder Hinsicht komplementär - eingeschwungener Zustand und zeitabhängiges dynamisches Ansprechen (Frequenz, Phase und Übergangsansprechverhalten unter allen Bedingungen des Signalpegels und der Dynamik).

Wie schon erwähnt, ist vorzugsweise meistens die Rochpegel­ stufe die erste in einer Kompressorreihe und die Niedrigpe­ gelstufe die letzte. Jedoch ist auch eine umgekehrte Anord­ nung möglich. Im umgekehrten Fall braucht der Steuerverstär­ ker der ersten Stufe eine starke Verstärkung, um die nötige niedrige Schwelle zu erreichen. Diese niedrige Schwelle gilt dann sogar in Anwesenheit von Signalen mit hohem Pegel, was bei den bekannten "Sliding Band"-Systemen meistens zu einem schlechten Verhalten hinsichtlich Rauschmodulation des Gesamtsystems führt. In dieser umgekehrten Anordnung muß jede Stufe eine ausrei­ chende Verstärkung des Steuerverstärkers haben, um die für diese Stufe erforderliche Schwelle zu erreichen. Außerdem ist jede Schwelle im wesentlichen fest und unabhängig vom Betrieb der anderen Stufen. Dies ist eine Folge der Tatsa­ che, daß die Signalverstärkung jeder früheren Stufe im we­ sentlichen auf Eins abgesunken ist, wenn die Schwelle für die entsprechende nachfolgende Stufe erreicht ist.

Im Gegensatz zu dieser umgekehrten Anordnung besteht bei der bevorzugten Anordnung, bei der die Rochpegelstufe die erste in der Kompressorkette und die Niedrigpegelstufe die letzte ist, eine nützliche Wechselwirkung zwischen den Stufenver­ stärkungen und Schwellen. Die Schwellen der nachgeschalte­ ten Stufen sind teilweise von den Signalverstärkungen der vorausgehenden Stufen bestimmt. In einem zweistufigen System mit einer 10 dB Niedrigpegelverstärkung pro Stufe ist die erforderliche Verstärkung des Steuerverstärkers der zweiten Stufe aufgrund der Niedrigpegelsignalverstärkung der ersten Stufe um 10 dB verringert. Wenn ein Signal mit hohem Pegel auftritt, wird die 10 dB Verstärkung der ersten Stufe aus­ geschaltet und die Schwelle der Niedrigpegelstufe effektiv um 10 dB erhöht. Bei "Sliding Band"-Kompandern verbessert dies das Verhalten der Rauschminderungswirkung hinsichtlich Rauschmodulation.

Bei der bevorzugten Anordnung sind die Verstärkungen aller voraufgehenden Stufen bis zur Schwelle jeder beliebigen nachfolgenden Stufe voll wirksam. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen System mit umgekehrter Reihenfolge werden al­ so bei der bevorzugten Anordnung die vorherrschenden Signal­ verstärkungen der einzelnen Stufen bestmöglich ausgenutzt. Das bedeutet:

• 1. Bei Signalbedingungen mit sehr niedrigem Pegel (unter­ halb der Schwelle) ist die in jeder Stufe erforderliche Verstärkung des Steuerverstärkers um ein Ausmaß verrin­ gert, welches den kumulativen Signalverstärkungen aller vorhergehenden Stufen entspricht.
• 2. Es wird eine vom Signal abhängige, variable Schwellen­ wirkung erzielt, wodurch bei "Sliding Band"-Stufen die Rausch­ modulationseffekte verringert werden. Die effektiven Schwellen der Niedrigpegelstufen werden mit zunehmendem Signalpegel bei einer bestimmten Frequenz progressiv er­ höht. Bei hohen Signalpegeln (im linearen Rochpegelteil der Übertragungscharakteristik) wird die effektive Schwel­ le der Stufe mit dem niedrigsten Pegel um einen Wert an­ gehoben, der allen Niedrigpegelstufenverstärkungen (un­ terhalb der Schwelle) bis zu diesem Punkt entspricht.

Eine bekannte Ausführungsform bilinearer, in Reihe geschal­ teter Prozessoren arbeitet mit in Reihe geschalteten "Sliding-Band"-Vorrichtungen: die Kompressoren 2 und 4 und die Expan­ der 6 und 8 gemäß Fig. 2 sind "Sliding Band"-Vorrichtungen wie sie in US-PS Re 28 426 beschrieben sind, mit Abwandlungen gemäß der belgischen Patentschrift 8 89 428. Zu diesen Ab­ wandlungen gehört, daß die syllabischen und Überschwingungs­ schwellen gestaffelt und die Filtergrenzfrequenzen geändert sind.

Eine grundlegende Schaltung einer "Sliding Band"-Vorrichtung ist in Fig. 3 gezeigt, Einzelheiten dieser Schaltungen, ihr Betrieb und die ihnen zugrundeliegende Theorie sind in der US-PS Re 28 426 beschrieben.

Die Schaltung gemäß Fig. 3 ist besonders zum Einbau in den Aufnahmekanal eines Heimbandgeräts ausgelegt, wobei zwei solche Schaltungen für ein Stereogerät nötig sind. Das Ein­ gangsssignal wird an einen Anschluß 10 angelegt. Dies Signal wird zunächst über einen Geradeaus- Hauptweg 14 an einen Aus­ gangsanschluß 16 angelegt und zweitens über einen weiteren Weg gleichfalls an den Anschluß 16 angelegt. Die Stufe 18 addiert die Ausgänge des Haupt- und des weiteren Weges, um das geforderte Kompressionsgesetz zu verwirklichen.

Der weitere Weg besteht aus einem festen Fil­ ter 20, einem Filter 22 mit variabler Grenzfrequenz Filter/Begrenzer), und einem Verstärker 26, dessen Ausgang über einen Doppel­ diodenbegrenzer oder Clipper 28 und mit der Stufe 18 verbunden ist. Der nichtlineare Begrenzer unterdrückt Über­ schwingungen des Ausgangssignals mit abrupt steigenden Ein­ gangssignalen. Der Verstärker 26 verstärkt das Signal im weiteren Weg auf einen solchen Pegel, daß der Kennlinienknick des Begenzers bzw. Überschwingungsunter­ drückers 28, der Siliziumdioden aufweist, bei dem entspre­ chenden Signalpegel unter Übergangsbedingungen wirksam ist. Die wirksame Schwelle des Überschwingungsunterrückers liegt etwas oberhalb der des syllabischen Filters/Begrenzers.

Der Ausgang des Verstärkers 26 ist auch mit einem Verstär­ ker 30 verbunden, dessen Ausgang durch eine Germaniumdiode 31 gleichgerichtet und durch einen Glättungsfilter 32 inte­ griert wird, um die Steuerspannung für das Filter 22 zu erhal­ ten.

Es werden zwei einfache RC-Filter benutzt, obwohl auch gleichwertige LC- oder LCR-Filter verwendet werden könnten. Der feste Filter 20 hat eine Grenzfrequenz von 1700 Hz (nun 1500 Hz), unterhalb der eine verminderte Kompression stattfindet. Die Grenzfrequenz des Filters 22 800 Hz (nun 750 Hz) was ersichtlich ganz beträchtlich unter der Grenzfrequenz des festen Filters 20 liegt.

Wenn die Steuerspannung ansteigt, steigt die Grenzfrequenz, wodurch das Durchlaßband des Filters deutlich eingeengt wird. Der Anstieg der Grenzfre­ quenz ist natürlich ein progressiver Vorgang.

In der belgischen Patentschrift 8 89 428 sind Abwandlungen der gerade beschriebenen Schaltung offenbart, die besonders zum Zweck des Betriebes zweier derartiger Schaltungen in Reihe bestimmt sind. Zu diesen Abwandlungen gehört die Än­ derung der Frequenzen der Filter 20 und 22, die Änderung der Überschwingungsunterdrückungspegel und die Änderung der syllabischen Schwelle einer der Schaltungen durch Modi­ fizieren des Steuerverstärkers 30. Dies geschieht durch Än­ dern der Preemphasis-Charakteristiken.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer bilinearen "Dual Path"-Kom­ pressor- und Expanderausführung mit festem Band.

Die grundlegenden Merkmale dieses Systems sind in US-PS 38 46 719, 39 03 485 und in dem Journal of the Audio Engineering Society, Band 15, Nr. 4. Oktober 1967, S. 383-388 offenbart.

Bei dem bekannten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 werden durch Netzwerke 250 im weiteren Weg vier Bänder geschaffen. Die Bänder 1, 3 und 4 haben herkömmliche 12 dB/Oktave Ein­ gangsfilter: ein 80 Hz-Tiefpaßfilter 252 am Eingang des Bandes 1, ein 3 kHz-Hochpaßfilter 254 am Eingang des Ban­ des 3 und ein 9 kHz-Hochpaßfilter 256 am Eingang des Ban­ des 4. Auf jedes folgt eine Emitterfolger-Isolierstufe 258. Das Band 2 hat einen Frequenzgang, der zu dem der Bänder 1 und 3 komplementär ist. Ein solches Verhalten wird durch Addieren der Ausgange der Emitterfolgestufen 258 in den Bändern 1 und 3 (in einer Additionsstufe 260) und Subtra­ hieren dieser Summe vom Gesamteingangssignal (in einer Sub­ traktionsstufe 262) abgeleitet. Der Ausgang der Emitterfolger­ stufe 258 in jedem Band und der Ausgang der Subtraktions­ stufe 262 wird an entsprechende Begrenzer 264 und 264′ ange­ legt. Die Begrenzer 264 und 264′ sind identisch mit Ausnah­ me der Tatsache, daß die Begrenzer 264′ in den Bändern 1 und 2 Zeitkonstanten haben, die doppelt so groß sind wie in Bändern 3 und 4 entsprechen. Die Ausgänge der Bänder 1-4 werden in einer Kombinationsstufe 266 mit dem Hauptwegsignal kombi­ niert. Der Kompressorausgang wird an einen rauschbehafteten Kanal an­ gelegt, um an den komplementären Expander weitergegeben zu werden, in welchem der Ausgang der identischen Netzwerke des weiteren Weges vom Eingangssignal abgezogen wird, um die komplementäre Expansionscharakteristik zu erhalten.

Fig. 5 zeigt weitere Einzelheiten der Begrenzer 264 und 264′, zu denen jeweils ein FET-Dämpfer 270 gehört, der in Abhängigkeit von einem Steuersignal arbeitet. Der Dämpfer­ ausgang wird von einem Signalverstärker 272 verstärkt, des­ sen Verstärkung so eingestellt ist, daß die gewünschte Nie­ drigpegel-Signalverstärkung erzielt wird. Die Ausgänge al­ ler Bänder werden mit dem Hauptsignal so kombiniert, daß ein Niedrigpegelausgang vom Kompressor erzeugt wird, der bis zu ca. 5 kHz gleichmäßig um 10 dB höher ist als das Eingangssignal, während oberhalb dieses Wertes die Pegel­ anhebung bis zu 15 dB bei 15 kHz gleichmäßig ansteigt.

Der FET-Dämpfer wird von einer Steuersignal-Unterschaltung gesteuert, die eine Kompressionsschwelle von 40 dB unter­ halb eines Spitzenbetriebspegels liefert. Zu der Steuerun­ terschaltung gehört ein Steuersignalverstärker 276, auf den ein Phasenteiler 278 folgt, der einen Vollweggleichrich­ ter 280 treibt. Das entstehende Gleichstromsignal wird an ein Glättungsnetzwerk 282 angelegt, dessen Ausgang das Steuersignal darstellt. Zum Netzwerk 282 gehört eine RC-Vorintegrationsstufe, ein Emitterfolger und eine endgülti­ ge RC-Integrationsstufe, die mit Dioden so zusammenwirken, daß sowohl die Vorintegrationsstufe als auch die endgültige Integrationsstufe nichtlineare Charakteristiken haben, die von den Dioden erzeugt werden. Rasche große Änderungen der Signalamplitude werden schnell weitergegeben, während klei­ ne Änderungen langsam weitergegeben werden. Diese dynamische Glättungswirkung erzeugt optimale Ergebnisse hinsichtlich Modulationseffekten, Niedrigfrequenzverzerrung und Verzerrungskomponenten, die vom Steuersignal erzeugt wer­ den. Die Schaltung ermöglicht eine rasche Erholung und ei­ ne geringe Signalverzerrung.

Fig. 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Anwendung auf zwei in Reihe geschaltete "Sliding Band Dual Path"-Vorrichtungen 280 und 282. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um zwei Kompressoren, deren Aufbau dem in Fig. 3 dargestellten mit dem Unterschied entspricht, daß für beide Kompressoren eine gemeinsame Steuerschaltung mit Verstärker 30, Gleichrichter 31 und Glättungsschaltung 32 verwendet wird. Die Elemente 20, 22, 26 und 28 entspre­ chen den gleichnamigen Elementen in Fig. 3. 15 sind die Addiernetzwerke, die die Signale des Hauptwegs und des Nebenwegs der beiden Dual Path Kompressoren jeweils zu­ sammenführen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 wird die einzige Steuerschaltung (Blöcke 30, 31, 32) durch Addierwiderstände 304 und 306 von den Ausgängen der weiteren Wege in jedem der in Reihe geschalteten Kompressoren 280 und 282 versorgt. Der Aus­ gang der Steuerschaltung wird an den variablen Filter 22 jedes der in Reihe geschalteten Kompressoren über entspre­ chende Pegeleinstelleinrichtungen 308 und 310 (falls benö­ tigt) angelegt. Die Werte der Addierwiderstände 304 und 306 können so gewählt sein, daß die steuernde Wirkung eines Kompressors im Vergleich zu der eines anderen gewichtet wird. Diese Anordnung ermöglicht eine Einsparung an Schalt­ kreiskomponenten, hat dabei aber eine Leistung, die großen­ teils Ausführungsformen ahnlich ist, die für jede der in Reihe geschalteten Vorrichtungen jeweils eine Steuerschaltung aufweisen. Es kann auch eine einzige Steuerschaltung für den Fall von drei oder mehr in Reihe geschalteten Kompres­ soren oder Expandern vorgesehen sein. In diesem Fall wird der Ausgang jedes weiteren Weges über eine Summiereinrich­ tung an den Steuerschaltungseingang angelegt, deren Ausgang über entsprechende Pegeleinstelleinrichtungen (falls benö­ tigt) an die entsprechenden veränderbaren Filter angelegt wird.

Eine einzige Steuerschaltungsanordnung ist auch bei in Rei­ he geschalteten Festbandvorrichtungen möglich, wie das Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 7 zeigt, bei dem Festbandkom­ pressoren einen einzigen weiteren Weg aufweisen. Die Anord­ nung eignet sich auch für in Reihe geschaltete Festband­ kompressoren und Expander, die jeweils eine Vielzahl weite­ rer Wege enthalten. In diesem Fall ist natürlich die gemein­ same Steuerschaltung zwischen die weiteren Wege geschaltet, die im gleichen Frequenzband arbeiten.

Gemäß Fig. 7 wird das Eingangssignal im Kompressor 326 in einen Hauptweg, der an ein kombinierendes Netzwerk 316 an­ gelegt wird, und in einen weiteren Weg unterteilt, der ei­ nen festen Filter 312 und einen spannungsgesteuerten Ver­ stärker VCA 314 enthält. Der VCA kann ein FET-Dämpfer sein, auf den ein Verstärker folgt, wie im Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben (Blöcke 270 und 272). Im zweiten Kompressor 328 wird die Schwelle eines VCA 314′ gegenüber dem VCA 314 des ersten Kompressors 326 gestaffelt, wie in der belgi­ schen Patentschrift 889 428 beschrieben. Eine gemeinsame Steuerschaltung (Blöcke 276, 278, 280 und 282, wie im Zu­ sammenhang mit Fig. 8 beschrieben) wird durch Summierwider­ stände 318 und 320 vom Ausgang des weiteren Weges in einer anhand des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6 beschriebenen Weise versorgt. Der Ausgang der Steuerschaltung wird über Pegeleinstelleinrichtungen 322 und 324 an die beiden VCA 314 und 314′ angelegt. Ebenso wie im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 erwähnt, ist auch diese Anordnung für drei oder mehr in Reihe geschaltete Festband­ vorrichtungen verwendbar.

Die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 6 und 7 beruhen beide auf der Beobachtung, daß bei derartigen in Reihe geschalte­ ten Kompressoren und Expandern die Dynamikwirkung auf ein­ mal hauptsächlich in einer Stufe erfolgt. Ausgehend von Eingangssignalen niedrigen Pegels erzeugt beispielsweise die Stufe mit dem niedrigsten Pegel den größten Anteil des kombinierten Steuersignals. In dem Maß, in dem der Ein­ gangssignalpegel steigt, scheidet die Stufe des niedrigsten Pegels aus der dynamischen Wirkung aus und die Stufe mit dem nächst höheren Schwellenpegel wird aktiv und trägt den größten Teil zum kombinierten Steuersignal bei.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zum Modifizieren des Dynamik­ bereichs von Eingangsnutzsignalen, umfassend:
eine erste Schaltung (2, 6), die in einem ersten Fre­ quenzbereich eine bilineare Eingangs/Ausgangs-Kennlinie aufweist,
mit einem ersten Abschnitt im wesentlichen konstanter Verstärkung im Bereich niedriger Eingangspegel bis zu einem Schwellenwert,
einem mittleren Abschnitt oberhalb des Schwellenwerts mit veränderlicher Verstärkung, die ein maximales Kompres­ sions- oder Expansionsverhältnis bewirkt, und
einem dritten Abschnitt im Bereich hoher Eingangspe­ gel mit im wesentlicher konstanter Verstärkung, die von der Verstärkung des ersten Abschnitts verschieden ist,
wenigstens eine der ersten Schaltung folgende zweite Schaltung (4, 8) die innerhalb eines zweiten Frequenzbe­ reichs eine bilineare Eingangs/Ausgangs-Kennlinie aufweist, wobei sich der zweite Frequenzbereich und der erste Fre­ quenzbereich wenigstens teilweise überlappen und die mitt­ leren Abschnitte der Kennlinien der Schaltungen innerhalb wenigstens eines Teiles des Frequenzbereichs, in dem sich der erste Frequenzbereich und der zweite Frequenzbereich überlappen, derart gestaffelt sind, daß eine Verstärkungs­ änderung über einen weiteren Bereich mittlerer Eingangspe­ gel als für jede der Schaltungen allein und eine erhöhte Differenz zwischen den Verstärkungen bei niedrigen und ho­ hen Eingangspegeln erreicht wird, ohne daß durch die Staf­ felung das maximale Kompressions- oder Expansionsverhältnis wesentlich größer wird als das jeder der Schaltungen für sich,
wobei wenigstens zwei der Schaltungen (280, 282, 326, 328) ein veränderbares Element (22, 314, 314′) enthalten, das nach Maßgabe eines von einer Steuersignalerzeugungsein­ richtung (30, 31, 32; 276, 278, 280, 282) erzeugten Steuer­ signals den Arbeitspunkt der Schaltung auf der bilinearen Kennlinie steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignalerzeugungseinrichtung ein gemeinsames Steuer­ signal zur Steuerung des veränderbaren Elements (22, 314, 314′) in jeder der wenigstens zwei Schaltungen (280, 282, 326, 328) erzeugt, nach Maßgabe eines von wenigstens einer der dieser wenigstens zwei Schaltungen abgeleiteten Sig­ nals.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine Dämpfungsanordnung (308, 310, 322, 324) zur unterschiedlichen Dämpfung des von der Steuersignalerzeugungseinrichtung (30, 31, 32; 276, 278, 280, 282) an das veränderbare Element (22, 314, 314′) in jeder der wenigstens zwei Schaltungen gelieferten Steuer­ signals derart, daß die mittleren Abschnitte der Kennlinien der wenigstens zwei Schaltungen gestaffelt sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Schaltungen (280, 282) Zweiwegschaltungen sind, die je einen Hauptweg, der in bezug auf den Dynamikbereich linear ist und eine Kombiniereinrichtung (15, 316) enthält, sowie einen weiteren Weg (20-28; 312, 314) aufweist, der in bezug auf den Dynamikbereich nicht-linear ist, ein Signal von dem Hauptweg empfängt und mit seinem Ausgang an die Kombinier­ einrichtung (15, 316) angeschlossen ist, wobei das Signal, auf das die Steuersignalerzeugungseinrichtung (30, 31, 32; 276, 278, 280, 282) anspricht, von dem Ausgang des weiteren Weges wenigstens einer der Schaltungen abgeleitet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Signal, auf das die Steuersignalerzeugungseinrichtung (30, 31, 32; 276, 278, 280, 282) anspricht, von den Ausgängen der weiteren Wege aller von der Steuersignalerzeugungseinrichtung gesteuerten Schaltungen abgeleitet ist.