DE3543907A1 - Einrichtung zur stoerunterdrueckung bei der uebertragung von niederfrequenzsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Ober­ begriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Störunterdrückung bei der Übertragung von Niederfrequenzsignalen. Solche Einrichtungen werden meistens als Kompander, bestehend aus einem Kompressor und einem Expander, bezeichnet. Der Begriff Übertragung schließt dabei auch eine Speicherung ein.

Kompander dienen dazu, die niedrigen Amplitudenan­ teile vor der Übertragung anzuheben und damit die Dynamik zu komprimieren, so daß ihr Abstand zu den Störungen des Übertragungsweges vergrößert wird. Nach der Übertragung werden die angehobenen Amplitudenanteile wieder abgesenkt, so daß die ursprüngliche Dynamik wiederhergestellt wird. Da dabei auch die Störsignale des Übertragungsweges mit abgesenkt werden, wird das Signal/Störverhältnis ver­ bessert. Die Anhebung und Absenkung der Signalanteile er­ folgt dabei in Abhängigkeit von ihrer Frequenz unter Be­ rücksichtigung der Tatsache, daß die Amplituden in einem Niederfrequenzspektrum mit zunehmender Frequenz abnehmen.

Bei bekannten Kompandern wird ein steuerbares Über­ tragungselement verwendet, dessen Übertragung durch eine Steuerspannung gesteuert wird, die durch Gleichrichtung aus dem Niederfrequenzsignal gewonnen wird. Das in der Übertragung steuerbare Übertragungselement ist ein Verstär­ ker oder auch ein Multiplikator, dessen einer Eingang durch das Niederfrequenzsignal angesteuert wird, während an dem anderen Eingang die Steuerspannung liegt. Eine derartige Schaltung stellt einen Expander dar, der die von ihm über­ tragenen Signale mit zunehmender Frequenz stärker überträgt. Um eine inverse Kennlinie zu erhalten und damit einen Kom­ pressor zu bilden, ist es bekannt, die zuvor genannte Schal­ tung in den Gegenkopplungszweig eines Operationsverstärkers einzubauen.

In der Praxis werden außerdem Filter zur Höhenanhebung (Preemphasis) im Kompressor und Mittel zur Höhenabsenkung (Deemphasis) im Expander verwendet. Die prinzipiellen Blockschaltbilder eines solchen Kompressors und Expanders sind in Fig. 1 dargestellt. Ein zu übertragendes Nieder­ frequenzsignal wird im Kompressor von einem Eingang 1 über ein frequenzabhängiges Glied 2 zur Höhenanhebung und einem damit in Reihe geschalteten Verstärker 3 zu einem Ausgang 4 übertragen. Der Verstärker 3 ist durch eine frequenzab­ hängige Schaltung 5 gegengekoppelt.

Zwischen dem Ausgang 4 und einem Eingang 6 des Ex­ panders befindet sich der Übertragungs- oder Aufzeichnungs­ weg. Von dem Eingang 6 gelangt das Signal über eine fre­ quenzabhängige Schaltung 7, die mit der frequenzabhängigen Schaltung 5 funktionsmäßig übereinstimmt, und einen Ver­ stärker 8 zu einem Ausgang 9. Der Verstärker 8 ist über ein frequenzabhängiges Glied 10 gegengekoppelt, das funk­ tionsmäßig mit dem frequenzabhängigen Glied im Kompressor übereinstimmt.

Es sind drei Arten von Kompandern, nämlich Breitband­ kompander, "Sliding Band"-Kompander und Mehrbandkompander bekannt.

Breitbandkompander, zu denen der dBx-Kompander oder der Highcom-Kompander gehören, arbeiten mit einer im ge­ samten Niederfrequenzbereich konstanten Kompression bzw. Expansion. Als bekannte Nachteile ergeben sich Rausch­ modulation und Rauschfahnen.

Rauschmodulation tritt parallel zu einem einzelnen, tiefen Ton auf. Dieser tiefe Ton steuert den Kompander voll aus, d.h. daß bei Kompression keine Anhebung der Ver­ stärkung auftritt und bei Expansion das Signal auch nicht abgeschwächt wird. Da das hochfrequente Rauschen des Über­ tragungskanals oder des Speichergerätes hierbei auch nicht abgesenkt wird und auch nicht durch den im Frequenzspek­ trum zu weit entfernten Ton verdeckt wird, bleibt es im Hintergrund hörbar. Dabei ist es bekannt, zur Verringe­ rung der Rauschmodulation die hochfrequenten Anteile vor der Kompression anzuheben und nach der Expansion abzu­ senken. Werden jedoch gleichzeitig die hochfrequenten An­ teile vor dem Gleichrichter zur Erzeugung der Steuerspan­ nung für die Übertragungselemente angehoben, um eine Über­ steuerung bei starken, höherfrequenten Anteilen zu vermei­ den, so ergibt sich zwar eine Verringerung der Rauschmodu­ lation, jedoch nicht ihre vollkommene Beseitigung. Dies gilt sowohl für das oben genannte dBx-Verfahren, als auch für das Highcom-Verfahren.

Rauschfahnen treten dadurch auf, daß die Zeitkonstanten, mit denen die Übertragung bzw. Verstärkung geregelt wird, sehr groß sein müssen, da sie sehr groß gegenüber der Perio­ dendauer der niedrigsten Frequenz sein müssen, da sonst die niedrigen Frequenzen verzerrt werden. Durch die sich so er­ gebenden, langsamen Regelvorgänge ist dadurch hinter ein­ zelnen, kurz abgesetzten Tönen ein Ausklingen des Rauschens zu hören. In dieser Beziehung verhält sich der Highcom- Kompander besser als der dBx-Kompander, da hier mit um­ schaltbaren Zeitkonstanten gearbeitet wird und bei Signalen, die unterhalb eines bestimmten Pegels liegen, auf die klei­ nere Zeitkonstante umgeschaltet wird, wodurch dann ein schnelleres Abklingen des Rauschens erreicht wird. Dies funktioniert aber nur dann zufriedenstellend, wenn bei Kompression und Expansion die Zeitkonstanten zum genau gleichen Zeitpunkt umgeschaltet werden. Dies ist aber ins­ besondere bei Magnetbandspeicherung mit niedriger Geschwin­ digkeit auf schmalen Spuren wegen des zu stark schwankenden Wiedergabepegels nicht immer gegeben.

Bei "Sliding band"-Kompandern, zu denen die Dolby-B­ und Dolby-C-Kompander zählen (US-PS 37 29 693), erfolgt die Kompression nur im hohen (Dolby-B) bzw. im mittleren und hohen (Dolby-C) Frequenzbereich. Aus diesem Grunde können auch Störfrequenzen, die im unteren Niederfrequenz­ bereich liegen, z.B. Brummeinstreuungen, nicht unterdrückt werden. Außerdem sind diese Verfahren sehr empfindlich gegen nicht übereinstimmende Bezugspegel bei Kompression und Expansion, da sie mit in Abhängigkeit von der Signal­ amplitude verschiebbaren Grenzfrequenzen für den zu kom­ primierenden Frequenzbereich arbeiten. Als Nachteil er­ geben sich dadurch starke Frequenzgangfehler.

Bei Mehrband-Kompandern, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist der Frequenzbereich in wenigstens zwei Teilbereiche aufgeteilt, die bei der Kompression ge­ trennt komprimiert werden und danach wieder zusammenge­ fügt und übertragen oder aufgezeichnet werden. Bei der Ex­ pansion wird das Gesamtsignal wieder in die gleichen Fre­ quenzteilbereiche zerlegt und getrennt expandiert, wonach die Teilbereiche wieder zusammengefügt werden. Dadurch lassen sich Rauschmodulationseffekte und Rauschfahnen je nach dem getriebenen Aufwand beliebig verringern, da kleine Frequenzbereiche getrennt geregelt werden, so daß der Ver­ deckungseffekt besser zum Tragen kommen kann und sich auch die Regelzeitkonstanten bei kleineren Frequenzbereichen besser optimieren lassen. Nach diesem Prinzip arbeiten das unter der Bezeichnung Telcom bekannte System der Firma Telefunken, das unter der Bezeichnung Dolby-A bekannte Ver­ fahren von Dolby und das unter der Bezeichnung Super-D bekannte Verfahren der Firma Sanjo (US-PS 42 81 295).

Diesen bekannten Verfahren ist mit Ausnahme des Super-D-Verfahrens gemein, daß sie für den professionellen Einsatz entwickelt worden sind und deshalb entsprechend aufwendige Schaltungskonzepte haben. Sowohl Dolby-A als auch Telcom verwenden vier Teilfrequenzbereiche, während das Super-D-Verfahren nur in zwei Frequenzbereiche auf­ teilt. Um bei einer Aufteilung in nur zwei Frequenzbe­ reiche die Rauschmodulationseffekte so klein wie möglich zu halten, wird bei diesem bekannten Verfahren wie auch bei Breitbandkompandern allgemein mit einer zusätzlichen Höhenanhebung (Preemphasis) vor der Kompression gearbeitet. Durch die dann inverse Höhenabsenkung bei der Expansion wird auch das bei der Übertragung oder Aufzeichnung ent­ standene Rauschen noch weiter abgesenkt und somit die Gefahr des Auftretens von Rauschmodulation verringert. Durch diese Höhenanhebung bei der Kompression entsteht aber die Gefahr der Übersteuerung des Übertragungskanals oder des Aufzeich­ nungsgerätes im höherfrequenten Bereich.

Um diese Übersteuerungen zu verhindern, wird bei dem Super-D-Kompander in den Zweig des Gleichrichters, der die Steuerspannung für das steuerbare Übertragungselement lie­ fert, ein zusätzliches, als Gewichtungsfilter bezeichnetes Filter gelegt, das gleiche oder ähnliche Frequenzeigen­ schaften wie die Mittel zur Höhenanhebung hat, damit bei einem starken, höherfrequenten Anteil die Verstärkung wäh­ rend der Kompression heruntergeregelt wird.

Bei dem Super-D-Verfahren liegen die Gewichtungsmittel vor den Filtern zur Bandaufteilung für die Gleichrichter für die Steuerspannungen. Dadurch ergibt sich eine Anhe­ bung auch im Übertragungsbereich des Tiefpaßfilters, was zur Folge hat, daß bei gleichzeitig vorhandenen, höher­ frequenten Anteilen tieffrequente Störgeräusche, die inner­ halb des komprimierten Signalweges auftreten, überhaupt nicht abgeschwächt werden. Darüber hinaus ist der Filter­ aufwand verhältnismäßig groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein­ richtung der betreffenden Art zur Störunterdrückung bei der Übertragung von Niederfrequenzsignalen so zu verbes­ sern, daß niederfrequente Störgeräusche besser unterdrückt wer­ den und der Schaltungsaufwand verringert ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Grundge­ danken, anders als bei den bekannten Kompandern den Gleich­ richterzweig des Tieftonkanals nicht über die Gewichtungs­ mittel zu führen. Dadurch ergibt sich zunächst der Vorteil, daß Tiefpaßfilter und Nebentiefpaßfilter gleiche Ausgangs­ spannungen haben und daher zusammengelegt und durch ein einziges Tiefpaßfilter dargestellt werden können. Da außer­ dem der Gleichrichterzweig für das tiefere Frequenzband nicht von den Gewichtungsmitteln beeinflußt ist, besteht nicht die Gefahr einer übermäßigen Aussteuerung des tief­ frequenten Kanals durch starke, hochfrequente Anteile und damit auch nicht eine unnötige Absenkung der tieffrequenten Anteile. Dies führt zu einem verbesserten Nutz/Störverhältnis.

Nachdem die Gewichtungsmittel im tieffrequenten Bereich nicht mehr zur Wirkung kommen, beeinflussen sie nur noch den Steuerpfad für die höherfrequenten Teile. Gewich­ tungsmittel liegen mit dem Nebenhochpaßfilter in Reihe und können daher mit diesem zu einem gemeinsamen Nebenhoch­ paßfilterglied zusammengefaßt werden, wodurch sich eine Schaltungsvereinfachung ergibt.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher er­ läutert werden.

Fig. 1 verdeutlicht anhand eines Blockschaltbildes das Prinzip eines Kompanders, wie es bereits beim Stand der Technik beschrieben ist,

Fig. 2 zeigt als Blockschaltbild eine frequenzab­ hängige Schaltung zur Verwendung bei einem Kompander gemäß Fig. 1 und ist bereits im Zusammenhang mit diesem beschrieben,

Fig. 3 bis 7 zeigen in grafischer Darstellung den Frequenz­ gang der Filter und frequenzabhängigen Glieder in Fig. 2, und zwar

Fig. 3 den Frequenzgang des Gewichtungsmittels 23,

Fig. 4 den Frequenzgang am Ausgang des Tiefpaß­ filters 13 gemäß Fig. 2,

Fig. 5 den Frequenzgang am Ausgang des Nebentief­ paßfilters 22 gemäß Fig. 2,

Fig. 6 den Frequenzgang des Hochpaßfilters 12 in Fig. 2,

Fig. 7 den Frequenzgang am Ausgang des Nebenhochpaß­ filters 21 in Fig. 2,

Fig. 8 ist ein Blockschaltbild ähnlich gemäß Fig. 2 und verdeutlicht den ersten Schritt von dem Stand der Technik gemäß Fig. 2 zur Erfindung,

Fig. 9 ist ein Blockschaltbild ähnlich gemäß Fig. 8 und verdeutlicht den zweiten Schritt vom Stand der Technik zur Erfindung, und

Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild für die frequenz­ abhängige Schaltung 5 bzw. 7 bei einem Kom­ pander gemäß Fig. 1 nach der Erfindung.

Fig. 3 zeigt den Frequenzgang des Gewichtungsmittels. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 bis 10 in Ver­ bindung mit Fig. 1 ist als Grenzfrequenz für die Aufteilung des Niederfrequenzbandes in einen höherfrequenten und einen tieferfrequenten Anteil eine Frequenz von 1 kHz gewählt. Entsprechend knickt der Frequenzgang des Tiefpaßfilters 13 in Fig. 4 bei der Frequenz von 1 kHz ab, während der Fre­ quenzgang des Hochpaßfilters 12 in Fig. 6 von einem im logarithmischen Maßstab linearen Anstieg in einen hori­ zontalen Verlauf abknickt. Der aus Fig. 3 ersichtliche Frequenzgang der Gewichtungsmittel 23 verläuft bis zur Grenzfrequenz von 1 kHz konstant, steigt dann im loga­ rithmischen Maßstab linear bis zu einer Gewichtungsgrenz­ frequenz von 10 kHz an und verläuft von da an wieder konstant. Die sich jeweils ergebenden Steuerspannungen für die steuerbaren Übertragungselemente ergeben sich aus den Fig. 5 und 7, und zwar zeigt Fig. 5 die Steuerspannung im Tiefpaßbereich, sie verläuft z.B. bis zur Gewichtungs­ grenzfrequenz von 10 kHz konstant und sinkt dann im logarithmischen Maßstab linear ab, während die Steuer­ spannung für den Hochpaßbereich im logarithmischen Maß­ stab linear bis zur Gewichtungsgrenzfrequenz ansteigt und dann horizontal verläuft.

Bei der nachfolgenden Erläuterung eines Ausführungs­ beispieles der Erfindung wird von dem den Stand der Technik verdeutlichenden Blockschaltbild gemäß Fig. 2 ausgegangen. Fig. 8 verdeutlicht den ersten Schritt in Richtung auf die Erfindung. Danach liegt das Gewichtungsmittel 23 nicht mehr in beiden Steuerpfaden, sondern nur noch im höherfrequen­ ten Steuerpfad vor dem Nebenhochpaßfilter 21. Das Neben­ tiefpaßfilter 22 liegt unmittelbar am Eingang 11. Da das Tiefpaßfilter 13 und das Nebentiefpaßfilter 22 den gleichen Frequenzgang haben, kann das Nebentiefpaßfilter 22 ent­ fallen und die Spannung für den Gleichrichter 20 unmittel­ bar vom Ausgang des Tiefpaßfilters 13 abgenommen werden. Das Ergebnis ist aus Fig. 9 ersichtlich.

Das Gewichtungsmittel 23 hat den in Fig. 3 gezeigten Frequenzgang, und das Nebenhochpaßfilter 21 hat den in Fig. 6 gezeigten Frequenzgang. Beide Frequenzgänge lassen sich ohne Schwierigkeiten zusammenfassen, so daß ein Gesamt­ frequenzgang gemäß Fig. 7 entsteht. Bei diesem Frequenz­ gang handelt es sich um einen Hochpaß mit der Grenzfre­ quenz von 10 kHz mit einem im logarithmischen Maßstab linearen Anstieg von 6 dB pro Oktave. Fig. 10 verdeut­ licht den Zustand nach der Zusammenfassung von Nebenhoch­ paßfilter 21 und Gewichtungsmittel 23 zu einem gemein­ samen Nebenhochpaßfilterglied 24. Dessen Frequenzgang entsteht durch Multiplikation und entspricht dem Verlauf der Steuerspannung gemäß Fig. 7. Dieser Verlauf trägt der größeren Gewichtung hoher Frequenzen zur Vermeidung einer Übersteuerung im hochfrequenten Bereich entsprechend der Höhenanhebung im Gewichtungsmittel 23 Rechnung.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Störunterdrückung bei der Übertragung von Niederfrequenzsignalen,

• - mit einem Kompressor bestehend aus einer Reihen­ schaltung eines frequenzabhängigen Gliedes zur Höhen­ anhebung und einem nachgeschalteten, über eine fre­ quenzabhängige Schaltung gegengekoppelten Verstärker, und
• - mit einem Expander, der eine zu dem Kompressor inverse Übertragungsfunktion hat und besteht aus einer Reihen­ schaltung einer frequenzabhängigen Schaltung, die der frequenzabhängigen Schaltung des Kompressors entspricht, und einem nachgeschalteten Verstärker, der über ein frequenzabhängiges Glied, das dem frequenzabhängigen Glied des Kompressors entspricht, gegengekoppelt ist,

wobei die frequenzabhängige Schaltung aufweist

• - wenigstens ein an ihrem Eingang angeschlossenes Filter­ paar bestehend aus einem Hochpaßfilter und einem Tief­ paßfilter, deren Übertragungskurven zu beiden Seiten einer gemeinsamen Grenzfrequenz im logarithmischen Maßstab linear abfallen bzw. ansteigen,
• - ein dem Hochpaßfilter nachgeschaltetes Übertragungs­ element, dessen Übertragung durch eine Steuerspannung steuerbar ist, die von einem Nebenhochpaßfilter abge­ leitet ist,
• - ein dem Tiefpaßfilter nachgeschaltetes Übertragungselement, dessen Übertragung durch eine Steuerspannung steuerbar ist, die von einem Nebentiefpaßfilter abgeleitet ist,
• - einen an die Ausgänge der beiden Übertragungselemente angeschlossenen Addierer und
• - Gewichtungsmittel, die im Pfad des Nebenhochpaßfilters und des Nebentiefpaßfilters liegen und einen von der Grenzfrequenz an mit zunehmender Frequenz ansteigenden Amplitudengang haben,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Steuerspannung für das dem Tiefpaßfilter (13) nachgeschaltete, steuerbare Übertragungselement (15) von dem diesem vorgeschalteten Tiefpaßfilter (13) ab­ geleitet ist, das damit auch die Funktion des Nebentief­ paßfilters (22) hat,
• - daß das Tiefpaßfilter (13) unmittelbar an den Eingang (11) der frequenzabhängigen Schaltung (5 bzw. 7) ange­ schlossen ist und
• - daß die Gewichtungsmittel (23) und das Nebenhochpaßfilter (21) zu einem Nebenhochpaßfilterglied (24) zusammenge­ faßt sind, dessen Frequenzgang (Fig. 7) die Summe der Frequenzgänge von Gewichtungsmitteln (23, Fig. 3) und Nebenhochpaßfilter (21, Fig. 6) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Nebenhochpaßfilterglied (24) von einer oberhalb der Grenzfrequenz von Hochpaß- (12) und Tiefpaßfilter (13) liegenden Gewichtungsgrenzfrequenz an einen konstanten Frequenzgang hat.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Grenzfrequenz von Hochpaß- (12) und Tiefpaßfilter (13) etwa 1 kHz beträgt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gewichtungsgrenzfrequenz den zehnfachen Wert der Grenzfrequenz von Hochpaß- (12) und Tiefpaßfilter (13) hat.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (12, 13, 21) eine Flankensteilheit von 6 dB pro Oktave haben.