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Elektrische Amplituden-Kompressionseinrichtung Die Erfindung bezieht
sich auf Einrichtungen zur Übertragung elektrischer Ströme, in denen die Amplituden
abhängig von ihren ursprünglichen Werten vergrößert oder verkleinert werden. Eine
derartige Amplitudenbeeinflussung ist allgemein unter der Bezeichnung Kompression
bzw. Expansion bekannt.
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Bei der Übertragung von Signalströmen, insbesondere im Hörfrequenzgebiet,
hat man gefunden, daß durch Verkleinerung der hohen Amplituden bestimmter Signale
in einem stärkeren Grade als der niedrigen Amplitude Vorteile erreicht werden. Dies
gilt insbesondere dann, wenn die Töne in Hörsälen oder Theatern, bei Ansprachen
oder durch Tonfilme wiedergegeben werden.
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Es ist bekannt, daß in einem ursprünglichen Hörsignal Amplituden von
der Größenordnung von 40 bis 8o Dezibel vorkommen, daß es aber häufig von Nachteil
ist, diesen ganzen Amplitudenumfang in Theatern oder bei Heimvorführungen wiederzugeben.
Bei der Wiedergabe in Theatern ist nämlich die kleinste Schallamplitude, die man
wiedergeben kann, durch das Geräusch, welches von den Zuhörern, der Theaterapparatur,
z. B. der Klimaanlage usw., herrührt, bestimmt. Die kleinste Schallamplitude muß
daher höher gewählt werden als dieses Geräusch, wenn sie nicht unverständlich werden
soll. Man setzt daher eine kleinste Schallamplitude fest, und die Wiedergabeeinrichtung
muß so eingestellt werden, daß sie bei den leisesten Stellen diese festgesetzte
Amplitude erzeugt, wobei diese Amplitude gewöhnlich höher ist als die niedrigste
Amplitude der ursprünglichen Schallquelle.
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Man sieht also, daß bei einem linearen Zusammenhang zwischen den wiedergegebenen
und den ursprünglichen Amplituden die höchste Amplitude bei der
Wiedergabe
viel höher liegen würde als ursprünglich. Die Erfahrung zeigt, daß solche entsprechend
hohen Wiedergabeamplituden in einem Theater oder Hörsaal viel zu laut empfunden
werden und sogar die Schmerzgrenze erreichen können. Es ist daher wünschenswert,
den Amplitudenumfang des übertragenen Schalls zu komprimieren.
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Beim Tonfilm kann diese Kompression sowohl bei der Aufnahme wie bei
der Wiedergabe vorgenommen werden, während bei der Übertragung von Ansprachen zwischen
dem Mikrophon und dem Lautsprecher komprimiert werden müß. Auch bei der Rundfunkübertragung
ist eine Kompression anwendbar.
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Diese somit bereits eingeführte Kompression wird insbesondere bei
der Aufnahme von Tonfilmen durch Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsgrad
durchgeführt. Die Verstärkungsregelung geschieht gewöhnlich dadurch, daß ein Teil
des ursprünglichen Signals gleichgerichtet und diese Gleichspannung zur Regelung
einem Verstärker zugeführt wird. Eine derartige Kompressionseinrichtung arbeitet
gebräuchhcherweise mit einem über eine kurze Zeit gebildeten Durchschnittswert.
Die Änderung im Verstärkungsgrad ist dann proportional dem über diese kurze Zeitspanne
gebildeten Energieinhalt der Signalströme.
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Der Ausdruck kurze Zeitspanne bedeutet dabei das ungefähre Zeitintervall,
das für die Übertragung eines Teils der Signalspannung von im wesentlichen konstanter
Amplitude benötigt wird und kann von der Größenordnung von i bis io Millisekunden
oder mehr sein.
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Da die spektrale Energieverteilung zusammengesetzter Töne nicht gleichmäßig
ist, hängt der Kompressionsgrad, den man erreicht, in jedem Zeitpunkt von der Amplitude
der vorherrschenden Frequenz oder den Amplituden der zu übertragenden vorherrschenden
Frequenzen ab. So bestehen beispielsweise bestimmte Worte aus einem vorherrschenden
Vokal und aus weniger hervortretenden Zischlauten. Im Falle des Wortes saure ist
der Konsonant s ein unbetonter Bestandteil, während der Rest des Wortes ame betont
ist, d. h. der Buchstabe s wird durch Ausblasen von Luft durch die Zähne und Lippen
erzeugt, der Wortteil ame dagegen durch die Stimmbänder. Man hat beobachtet, daß
bei der Kompression der elektrischen Ströme, die einem derartigen Wort entsprechen,
der geringe Energieanteil des unbetonten Bestandteils den Verstärkungsgrad des betreffenden
geregelten Verstärkers nicht im gleichen Maße vermindern kann wie der betonte Teil
des Wortes. Dies führt dazu, daß das s bei der Wiedergabe viel stärker hörbar ist
als der übrige Teil des Wortes. Eine gewöhnliche Kompressionseinrichtung führt daher
zu einer Tonwiedergabe, deren spektrale Energieverteilung von derjenigen der ursprünglichen
Töne erheblich abweicht, und zu einer Wiedergabe, deren Eigenschaften in der spektralen
Verteilung von dem übertragenen Signal abhängig sind. Diese Erscheinung ist unabhängig
von der Reihenfolge der betonten und unbetonten Bestanäteile des Wortes u'hd stellt
eine grundsätzlich auftretende Verzerrungsart dar.
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Es ist früher häufig notwendig gewesen, bei der Tonaufnahme die Tonspur
nachträglich an denjenigen Stellen, welche die unbetonten Wortteile enthielten,
teilweise abzudecken, um ihr Hervortreten gegenüber den betonten Teilen bei der
Wiedergabe zu vermeiden. Dieses Verfahren ist aber umständlich, zeitraubend und
teuer. Die Erfindung löst das Problem, indem eine praktisch gleichförmige Kompression
aller Teile der Sprache geschaffen wird unabhängig von ihrem Energieinhalt oder
ihrer spektralen Energieverteilung.
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Bekanntlich ergeben die Verteilungskurven für die spektrale Energie
bei Sprache und Musik, daß der größte Teil der Energie im unteren Teil des hörbaren
Spektrums liegt, während solche Töne, wie die unbetonten Teile der Sprache im oberen
Frequenzbereich des hörbaren Spektrums, verhältnismäßig wenig Energie enthalten.
Es wurde daher ein Verstärker geschaffen, der selektiv unter Berücksichtigung der
spektralen Energieverteilung der zu komprimierenden Signale beeinflußt werden kann.
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Der Hauptzweck der Erfindung ist daher, die Wirkungsweise einer elektrischen
Kompressionseinrichtung zu verbessern.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung ist der, die Kompression von hörbaren
Tönen so durchzuführen, daß deren ursprüngliche spektrale Energieverteilung praktisch
erhalten bleibt.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung einer Einrichtung,
in welcher die Signalamplitude im gleichen Verhältnis wie in der ursprünglichen
Amplitudenverteilung vergrößert oder verkleinert wird.
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Außerdem besteht ein Zweck der Erfindung darin, den Verstärkungsgrad
eines Verstärkers so zu beeinflussen, daß das komprimierte Signal dieselbe spektrale
Energieverteilung hat wie das ursprüngliche.
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Fig. i ist eine schematische Darstellung eines Schaltbildes gemäß
der Erfindung; Fig. 2 ist ein ausführlicheres Schaltbild des Verstärkers und der
Regelstromkreise der Einrichtung nach Fig. i und Fig. 3 eine Kurvendarstellung zur
Erläuterung der Wirkungsweise der Fig. i und 2.
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In Fig. i ist 4 ein Aufnahmegerät, z. B. ein Mikrophon, eine Film-
oder Plattenaufnahmeapparatur oder eine andere Signalstromquelle, die auf einem
Verstärker 5 arbeitet, welcher seinerseits den regelbaren Verstärker 6 speist. Die
Ausgangsspannung des Verstärkers 6 wird einem Leistungsverstärker 7 zugeführt und
sodann entweder einer Aufzeichnungsapparatur, einem Lautsprecher oder einer Fernübertragungseinrichtung
B. Bei der Tonaufzeichnung ist das Aufnahmegerät 4 ein Mikrophon, und die Ausgangsspannung
des Leisturigsverstärkers wird dem Tonaufzeichnungsgerät zugeführt und zur Kontrolle
gegebenenfalls einem parallel liegenden Lautsprecher. Wenn es sich um die Anwendung
der Erfindung auf eine Einrichtung für öffentliche Ansprachen handelt, ist das Gerät
4 ebenfalls ein Mikrophon und das Gerät 8 ein Lautsprecher. Sollen dagegen Schallaufzeichnungen
wiedergegeben werden, so kann das Gerät 4 entweder ein Tonabnahmegerät für Tonfilme
oder ein Plattenspieler sein. An die Ausgangsklemmen des regelbaren Verstärkers
ist eine frequenzselektive Steuereinrichtung io angeschlossen, die einen Gleichrichter
ii
speist, dessen Ausgangsklemmen über eine Verzögerungseinrichtung
12 am Verstärker 6 liegen. Wenn auch der Gleichrichter ii an die Ausgangsklemmen
des Verstärkers 6 angeschlossen dargestellt ist, so ist doch zu beachten, daß der
Gleichrichter ebenfalls von den Eingangsklemmen des Verstärkers aus gespeist werden
kann.
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In Fig. 2, in welcher im einzelnen die Schaltung des regelbaren Verstärkers6,
der frequenzselektiven Steuereinrichtung io, des Gleichrichters ii und der Verzögerungseinrichtung
12 dargestellt sind, sind 15 die Eingangsklemmen des regelbaren Verstärkers, auf
die zunächst die Primärwicklung eines Gegentakttransformators 16 folgt, dem auf
der Primär- und Sekundärseite Widerstände 17 bis i9 parallel geschaltet sind, um
einen geeigneten Abschluß zu bilden. Die Sekundärwicklung des Transformators 16
ist an die Steuergitter der Exponentialröhren 21 und 22 angeschlossen. Die Anoden
dieser Röhren sind über ein Netzwerk aus Widerständen und Kapazitäten (Widerstände
24 bis 29 und Kondensatoren 30 und 33) an die Steuergitter der Dreipolverstärkerröhren
31 und 32 angeschlossen. Die Anoden der Verstärkerröhren 31 und 32 liegen an der
Primärwicklung eines Transformators 34, dessen Sekundärwicklung mit den Ausgangsklemmen
35 verbunden ist.
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Die Vorspannung für die Exponentialröhren 21 und 22 wird an dem vom
Anoden- und vom Schirmgitterstrom der Röhren 21 und 22 durchflossenen Widerstand
37 abgenommen und außerdem an einem Spannungsteiler, der aus den Widerständen 37
bis 39 besteht. Diese Widerstände dienen auch zur Einstellung der Schirmgitterspannung
für die Röhren 21 und 22. Der Widerstand 40 und der Kondensator 46 dienen zur Entkopplung,
d. h. zur Vermeidung einer Rückkopplung über die den Röhren 21, 22, 31 und 32 gemeinsame
Anodenspannungsquelle. Der Kondensator 45 und der Widerstand 39 bilden eine Entkopplungseinrichtung
zwischen den Schirmgitterkreisen der Röhre 21 und 22 und den anderen Elektroden
dieser Röhren. Der Kondensator 47 verblockt die Anodenspannungsquelle. Die Gittervorspannung
für die Röhren 31 und 32 wird von dem seitens desAnoden stroms dieser Röhren durchflossenen
Widerstand 48 abgegriffen.
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Dies ist die Schaltung für den regelbaren Verstärker6 1 in Fig. i,
der folgendermaßen arbeitet Die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators
34 wird einer frequenzselektiven Steuereinrichtung zugeführt, die einen Transformator
5o enthält, dessen Sekundärwicklung durch einen Widerstand 51 mit Schleifkontakt
52 überbrückt ist. Mit diesem Schleifkontakt kann die Eingangsspannung einer Dreipolverstärkerröhre
54 eingestellt werden. Außerdem ist mit der Sekundärseite des Transformators 5o
ein selektives oder den Energieinhalt unterscheidendes Netzwerk verbunden, das aus
einem Kondensator 6o und einem Widerstand 61 besteht und den noch zu erläuternden
Zweck hat. Die Ausgangsspannung der Röhre 54 liegt über einem Transformator 63 an
dem Doppelweggleichrichter 64.
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Die Vorspannung für die Verstärkerröhre 54 wird durch den Spannungsabfall
ihres Anodenstroms an dem Widerstand 65 erzeugt. Der Kondensator 66 liegt diesem
Widerstand parallel, während ein Widerstand 67 und ein Kondensator 68 ein Entkopplungsfilter
für den Anodenkreis der Röhre 54 bilden. Um eine anfängliche positive Vorspannung
für die Kathoden des Gleichrichters 64 gegenüber seinen Anoden zu bilden, ist ein
Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 7o bis 72, vorgesehen, von denen
der Widerstand 71 einen Schleifkontakt besitzt, um die Amplitude einstellen zu können,
bei welcher die Kompression beginnt.
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Die Gleichströme des Gleichrichters 64 fließen über die Leitung 75
zum Widerstand 76, der in Reihe mit dem Parallel-RC-Glied 41, 42 liegt. Der Spannungsabfall
am Widerstand 41 steuert die negative Vorspannung der Steuergitter der beiden Exponentialröhren.
Bei den bisherigen Kompressionseinrichtungen ändert sich diese Vorspannung entsprechend
dem Spannungsdurchschnittswert an der Sekundärwicklung des Transformators 34 und
erzeugt daher eine Regelung des Verstärkers, die dem über kurze Zeiträume gebildeten
Durchschnittswert der Signale entsprach, wie es eingangs erläutert wurde. Eine derartige
Regelung der Röhren 21 und 22 war also auf dem in einem kurzen Zeitintervall vorhandenen
Energieinhalt der Signalströme aufgebaut, da die Regelspannung durch eine lineare
Gleichrichtung der Signalströme im Gleichrichter 64 gebildet wurde. Da jedoch, wie
oben bemerkt, die spektrale Energieverteilung bestimmter Worte sich entsprechend
ihren betonten und unbetonten Bestandteilen verändert, muß man die Regelung des
Verstärkers von der Lage dieser Bestandteile im Frequenzspektrum unabhängig machen,
damit der gleichgerichtete Strom eine Regelspannung bilden kann, deren Größe mit
der Frequenz der vorherrschenden Bestandteile des Signals sich derart ändert, daß
sie invers zu der durchschnittlichen spektralen Energieverteilung für Worte und
andere Klänge verläuft.
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An Hand der Fig. 3 soll gezeigt werden, wie dies möglich ist. In dieser
Figur ist die spektrale Energieverteilung von betonten und unbetonten Bestandteilen
für typische Signale wiedergegeben. Die drei ausgezogenen Kurven a, b, c
geben drei typische Signale wieder und zeigen, daß die betonten Bestandteile im
niedrigen Frequenzgebiet liegen, z. B. zwischen o und iooo Hz, während die unbetonten
sich auf den Bereich zwischen iooo und io ooo Hz erstrecken. Im allgemeinen liegen
somit die Frequenzen der Zischlaute am oberen Ende des hörbaren Frequenzbereichs,
die der Vokale dagegen am unteren.
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Die bisherigen Kompressoren arbeiteten nun derart, daß die Kurven
a, b oder c zu einer Kurve d führten. Dies rührte daher, daß die unbetonten
Bestandteile nicht genügend Energie enthielten, um den Verstärker 6 im selben Maße
herabzuregeln, wie es durch die betonten Wortbestandteile geschah. Es entstand also
auf diese Weise eine sehr merkliche Verzerrung bei der Aufzeichnung oder der Wiedergabe
der Signale, nämlich eine starke Überbetonung der S-Laute und anderer Zischlaute.
Dies gab den Zischlauten bei der Wiedergabe einen pfeifenden Charakter.
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Um die Kompression über den ganzen Frequenzbereich
geeignet
abzustufen, sind die Schaltelemente 6o und 61 vorhanden, die dazu dienen, die Amplitude
der hochfrequenten Bestandteile des Steuersignals an der Röhre 54 und in der an
sie angeschlossenen Regeleinrichtung in einem solchen Grade anzuheben, daß praktisch
eine gleichförmige Kompression für die betonten und unbetonten Bestandteile des
Signals erreicht wird. Der Grad der Anhebung durch die Schaltelemente 6o, 61 wird
etwa durch die Kurve e angedeutet, welche die durchschnittlichen Signalkurven
a, b und c im Bereich der unbetonten Bestandteile ist, entsprechend ergänzt.
Die Kompression geht also nun nicht mehr nach der Kurve d vor sich, sondern für
die oberen Frequenzlagen nach der Kurve f. Es sei darauf hingewiesen, daß es unter
bestimmten Betriebsbedingungen wünschenswert sein kann, die Kurve e im ganzen Frequenzspektrum
den Kurven a, b upd c komplementär verlaufen zu lassen.
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Zur Veranschaulichung eines typischen Verlaufs der Kurve e sei im
folgenden der Zusammenhang angegeben, der zwischen der Gitterspannung der Röhre
54 und der Frequenz bei konstanter Spannung am Transformator 5o besteht.
| Frequenz Gitterspannung an 54 in Dezibel |
| 100 0,0 |
| 500 0,0 |
| Iooo 2,0 |
| 2000 - 6,ö |
| 3000 10,0 |
| 4000 11,0 |
| 5000 13,0 |
| 6ooo 14,0 |
| 7000 15,5 |
| HOOo 17,2 |
Wie oben erwähnt, ist die Änderung im Spannungsabfall am Widerstand 41, die durch
den gleichgerichteten Strom in diesem Widerstand hervorgerufen wird, maßgebend für
die Vorspannung der Röhren 21 und 22. Der Widerstand 41 ist durch einen Kondensator
42 überbrückt, der eine doppelte Aufgabe hat. Er dient zunächst als Nebenschlußkondensator
für die Wechselstromkomponenten im gleichgerichteten Strom und bestimmt außerdem
in Verbindung mit den Widerständen 41 und 76 den inneren Widerstand des Gleichrichters
und den Scheinwiderstand der Sekundärseite des Gleichrichtertransformators sowie
die Geschwindigkeit, mit der Spannungsänderungen am Widerstand 41 stattfinden können.
Durch diesen Kondensator wird also eine gewisse Zeitkonstante für den Regelstromkreis
festgelegt.
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Obwohl bekanntlich eine komprimierte Aufzeichnung während der Wiedergabe
wieder expandiert werden kann, um den ursprünglichen Amplitudenumfang der Töne wieder
herzustellen, dient die beschriebene Kompression zur Reduktion des Amplitudenumfangs
mittels linearer Wiedergabe der komprimierten Aufzeichnungen. Die Erfindung braucht
deshalb möglicherweise nicht angewendet zu werden, wenn das Signal bei der Wiedergabe
wieder expandiert werden soll, da eine umgekehrte spektrale Verzerrung in den entsprechenden
Expansionseinrichtungen für die Wiedergabe stattfinden kann. Jedoch ist bei Benutzung
der Erfindung bei der Kompression die erhaltene Aufzeichnung dann sowohl in einem
gewöhnlichem linear arbeitenden Wiedergabegerät zu verwenden als auch mit einem
einfachen expandierenden Wiedergabegerät, welches ein komplementäres selektives
Steuernetz enthält. Die Erfindung erlaubt es somit, die erhaltene Aufzeichnung entweder
mit einem linearen oder expandierenden Gerät wiederzugeben, wogegen ohne Benutzung
der Erfindung die Aufzeichnung sich nur mit einem komplementären Expansionsgerät
naturgetreu abspielen läßt. Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß
eine komprimierte Einrichtung in einem gewöhnlichen linear arbeitenden Wiedergabegerät
ohne Frequenzverzerrung wiedergegeben werden kann. Daher muß eine unter Verzerrung
komprimierte Aufzeichnung mit einer komplementären Expansionseinrichtung wiedergegeben
werden, wenn die Signale naturgetreu in ihren ursprünglichen Amplitudenverhältnissen
erscheinen sollen.
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Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einem regelbaren Verstärker
erläutert worden ist, ist zu betonen, daß sie auch auf jede andere Art einer veränderlichen
Übertragungseinrichtung unter Benutzung anderer veränderlicher Übertragungselemente
anwendbar ist.