DE3543907C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten, bekannten 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 Amplitudenanteile 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 verbessert. Die Anhebung und Absenkung von ihrer Frequenz unter Berücksichtigung der Tatsache, saß die Amplituden in einem Niederfrequenzspektrum mit zunehmender Frequenz abnehmen.

Bei bekannten Kompandern wird ein steuerbares Übertragungselement verwendet, dessen Übertragung durch eine Steuerspannung gesteuert wird, die durch Gleichrichtung aus dem Niederfrequenzsignal gewonnen wird. Das in der Übertragung steuerbare Übertragungselement ist ein Verstärker 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 übertragenen Signale mit zunehmender Frequenz stärker überträgt. Um eine inverse Kennlinie zu erhalten und damit einen Kompressor zu bilden, ist es bekannt, die zuvor genannte Schaltung in den Gegenkopplungszweig eines Operationsverstärkers einzubauen.

In der Praxis werden außerdem Filter zu 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 Niederfrequenzsignal wird im Kompressor von einem Eingang 1 über ein frequenzunabhängiges Glied 2 zur Höhenanhebung und einem damit in Reihe geschalteten Verstärker 3 zu einem Ausgang 4 übertragen. Der Verstärker 3 ist durch eine frequenzabhängige Schaltung 5 gegengekoppelt.

Zwischen dem Ausgang 4 und einem Eingang 6 des Expanders befindet sich der Übertragungs- oder Aufzeichnungsweg. Von dem Eingang 6 gelangt das Signal über eine frequenzabhängige Schaltung 7, die mit der frequenzabhängigen Schaltung 5 funktionsmäßig übereinstimmt, und einen Verstärker 8 zu einem Ausgang 9. Der Verstärker 8 ist über ein frequenzabhängiges Glied 10 gegengekoppelt, das funktionsmäßig mit dem frequenzabhängigen Glied im Kompressor übereinstimmt.

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

Breitbandkompander, zu denen der dBx-Kompander oder der Highcom-Kompander gehören, arbeiten mit einer im gesamten Niederfrequenzbereich konstanten Kompression bzw. Expansion. Als bekannte Nachteile ergeben sich Rauschmodulation 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 Verstärkung auftritt und bei Expansion das Signal auch nicht abgeschwächt wird. Da das hochfrequente Rauschen des Übertragungskanals oder des Speichergerätes hierbei auch nicht abgesenkt wird und auch nicht durch den im Frequenzspektrum zu weit entfernten Ton verdeckt wird, bleibt es im Hintergrund hörbar. Dabei ist es bekannt, zur Verringerung der Rauschmodulation die hochfrequenten Anteile vor der Kompression anzuheben und nach der Expansion abzusenken. Werden jedoch gleichzeitig die hochfrequenten Anteile vor dem Gleichrichter zur Erzeugung der Steuerspannung für die Übertragungselemente angehoben, um eine Übersteuerung bei starken, höherfrequenten Anteilen zu vermeiden, so ergibt sich zwar eine Verringerung der Rauschmodulation, 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 Periodendauer der niedrigsten Frequenz sein müssen, da sonst die niedrigen Frequenzen verzerrt werden. Durch die sich so ergebenden, langsamen Regelvorgänge ist dadurch hinter einzelnen, 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 umschaltbaren Zeitkonstanten gearbeitet wird und bei Signalen, die unterhalb eines bestimmten Pegels liegen, auf die kleinere 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 insbesondere bei Magnetbandspeicherung mit niedriger Geschwindigkeit 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 Niederfrequenzbereich 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 Signalamplitude verschiebbaren Grenzfrequenzen für den zu komprimierenden Frequenzbereich arbeiten. Als Nachteil ergeben sich dadurch starke Frequenzgangfehler.

Bei Mehrband-Kompandern, auf die sich die vorliegenden Erfindung bezieht, ist der Frequenzbereich in wenigstens zwei Teilbereiche aufgeteilt, die bei der Kompression getrennt komprimiert werden und danach wieder zusammengefügt und übertragen oder aufgezeichnet werden. Bei der Expansion wird das Gesamtsignal wieder in die gleichen Frequenzteilbereiche 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 Verdeckungseffekt 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 Verfahren 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 aufteilt. Um bei einer Aufteilung in nur zwei Frequenzbereiche 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 entstandene 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 Aufzeichnungsgerätes 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 liefert, ein zusätzliches, als Gewichtungsfilter bezeichnetes Filter gelegt, das gleiche oder ähnliche Frequenzeigenschaften wie die Mittel zur Höhenanhebung hat, damit bei einem starken, höherfrequenten Anteil die Verstärkung während 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 Anhebung auch im Übertragungsbereich des Tiefpaßfilters, was zur Folge hat, daß bei gleichzeitig vorhandenen, höherfrequenten Anteilen tieffrequente Störgeräusche, die innerhalb des komprimierten Signalweges auftreten, überhaupt nicht abgeschwächt werden. Darüber hinaus ist der Filteraufwand verhältnismäßig groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der betreffenden Art zur Störunterdrückung bei der Übertragung von Niederfrequenzsignalen so zu verbessern, daß niederfrequente Störgeräusche besser unterdrückt werden 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 Grundgedanken, anders als bei den bekannten Kompandern den Gleichrichterzweig des Tieftonkanals nicht über die Gewichtungsmittel zu führen. Dadurch ergibt sich zunächst der Vorteil, daß erstes Tiefpaßfilter und zweites Tiefpaßfilter gleiche Ausgangsspannungen haben und diese daher beide von dem ersten Tiefpaßfilter abgenommen werden und somit das zweite Tiefpaßfilter entfallen kann. Da außerdem der Gleichrichterzweig für das tiefere Frequenzband nicht von den Gewichtungsmitteln beeinflußt ist, besteht nicht die Gefahr einer übermäßigen Aussteuerung des tieffrequenten 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. Gewichtungsmittel liegen mit dem zweiten Hochpaßfilter in Reihe und können daher mit diesem zu einem entsprechend abgeänderten, dritten Hochpaßfilter zusammengefaßt werden, wodurch sich eine Schaltungsvereinfachung ergibt.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.

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

Fig. 2 zeigt als Blockschaltbild eine frequenzabhängige 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 Frequenzgang der Filter und frequenzabhängigen Glieder in Fig. 2, und zwar

Fig. 3 den Frequenzgang des Gewichtungsmittels 23,

Fig. 4 den Frequenzgang am Ausgang des ersten Tiefpaßfilters 13 gemäß Fig. 2,

Fig. 5 den Frequenzgang am Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters 22 gemäß Fig. 2,

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

Fig. 7 den Frequenzgang am Ausgang des zweiten Hochpaßfilters 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 Blochschaltbild ähnlich gemäß Fig. 8 und verdeutlicht den zweiten Schritt vom Stand der Technik zur Erfindung, und

Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild für die frequenzabhängige Schaltung 5 bzw. 7 bei einem Kompander gemäß Fig. 1 nach der Erfindung.

Fig. 3 zeigt den Frequenzgang des Gewichtungsmittels. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 bis 10 in Verbindung 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 ersten Tiefpaßfilters 13 in Fig. 4 bei der Frequenz von 1 kHz ab, während der Frequenzgang des ersten Hochpaßfilters 12 in Fig. 6 von einem im logarithmischen Maßstab linearen Anstieg in einen horizontalen Verlauf abknickt. Der aus Fig. 3 ersichtliche Frequenzgang der Gewichtungsmittel 23 verläuft bis zur Grenzfrequenz von 1 kHz konstant, steigt dann im logarithmischen Maßstab linear bis zu einer Gewichtungsgrenzfrequenz 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 Gewichtungsgrenzfrequenz von 10 kHz konstant und sinkt dann im logarithmischen Maßstab linear ab, während die Steuerspannung für den Hochpaßbereich im logarithmischen Maßstab linear bis zur Gewichtungsgrenzfrequenz ansteigt und dann horizontal verläuft.

Bei der nachfolgenden Erläuterung eines Ausführungsbeispieles 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 höherfrequenten Steuerpfad vor dem zweiten Hochpaßfilter 21. Das zweite Tiefpaßfilter 22 liegt unmittelbar am Eingang 11. Da das erste Tiefpaßfilter 13 und das zweite Tiefpaßfilter 22 den gleichen Frequenzgang haben, kann das zweite Tiefpaßfilter 22 entfallen und die Spannung für den Gleichrichter 20 unmittelbar vom Ausgang des ersten Tiefpaßfilters 13 abgenommen werden. Das Ergebnis ist aus Fig. 9 ersichtlich.

Das Gewichtungsmittel 23 hat den in Fig. 3 gezeigten Frequenzgang, und das zweite Hochpaßfilter 21 hat den in Fig. 6 gezeigten Frequenzgang. Beide Frequenzgänge lassen sich ohne Schwierigkeiten zusammenfassen, so daß ein Gesamtfrequenzgang gemäß Fig. 7 ensteht. Bei diesem Frequenzgang handelt es sich um einen Hochpaß mit der Grenzfrequenz von 20 kHz mit einem im logarithmischen Maßstab linearen Anstieg von 6 dB pro Oktave. Fig. 10 verdeutlicht den Zustand nach der Zusammenfassung von zweitem Hochpaßfilter 21 und Gewichtungsmittel 23 zu einem dritten Hochpaßfilter 24. Dessen Frequenzgang entsteht durch Multiplikation und entspricht dem Verlauf der Steuerspannung gemäß Fig. 7. Dieser Verlauf trägt der größeren Gewichtung höher 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 Reihenschaltung eines frequenzabhängigen Gliedes zur Höhenanhebung und einem nachgeschalteten, über eine frequenzabhängige Schaltung gegengekoppelten Verstärker, und
• - mit einem Expander, der eine zu dem Kompressor inverse Übertragungsfunktion hat und besteht aus einer Reihenschaltung eine 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 zwei an ihrem Eingang angeschlossene Filter, von denen eines ein erstes Hochpaßfilter und eines ein erstes Tiefpaßfilter ist, deren Übertragungskurven zu beiden Seiten einer gemeinsamen Grenzfrequenz im logarithmischen Maßstab linear abfallen bzw. ansteigen,
• - ein dem ersten Hochpaßfilter nachgeschaltetes Übertragungselement, dessen Übertragung durch eine Steuerspannung steuerbar ist, die von einem zweiten Hochpaßfilter abgeleitet ist,
• - ein dem ersten Tiefpaßfilter nachgeschaltetes Übertragungselement, dessen Übertragung durch eine Steuerspannung steuerbar ist, die von einem zweiten Tiefpaßfilter abgeleitet ist,
• - einen an die Ausgänge der beiden Übertragungselemente angeschlossenen Addierer und
• - Gewichtungsmittel, die im Pfad des zweiten Hochpaßfilters liegen und einen von der Grenzfrequenz an mit zunehmender Frequenz ansteigenden Amplitudengang haben,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Steuerspannung für das dem ersten Tiefpaßfilter (13) nachgeschaltete, steuerbare Übertragungselement (15) von dem diesem vorgeschalteten ersten Tiefpaßfilter (13) abgeleitet ist, das damit auch die Funktion des zweiten Tiefpaßfilters hat, und
• - daß die Gewichtungsmittel (23) und das Hochpaßfilter (21) zu einem dritten Hochpaßfilter (24) zusammengefaßt sind, dessen Frequenzgang (Fig. 7) die Summe der Frequenzgänge von Gewichtungsmitteln (23, Fig. 3) und zweitem Hochpaßfilter (21, Fig. 6) ist.

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

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

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

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Hochpaßfilter (12), das erste Tiefpaßfilter (13) und das zweite Hochpaßfilter (21) eine Flankensteilheit von 6 dB pro Oktave haben.