JPH0359611B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には録音送信システムに関し、
さらに詳しく言えば、このようなシステムにより
処理された信号のダイナミツクレンジを変更する
回路装置、すなわち、ダイナミツクレンジを伸長
するエクスパンダに関する。本発明は、とくにオ
ーデイオ信号を処理するのに適用されるが、ビデ
オ信号を含めて他の信号にも適用することができ
る。

コンプレツサとエクスパンダは、通常、ノイズ
を低減させるため両方いつしよに使用される（コ
ンパンダ・システム）。信号は送信または録音の
まえに圧縮され、送信チヤンネルからの受信また
は再生のあと伸長される。しかし、コンプレツサ
は圧縮された信号が最終目的に適当な場合引き続
いて伸長することなく、ダイナミツクレンジを狭
めるために、たとえば、送信チヤンネルの容量に
合わせるため単独で使用することができる。その
ほか、特定の製品、とくに、圧縮された放送信号
またはまえもつて録音された信号を送信したりあ
るいは録音することだけを意図したオーデイオ製
品にはコンプレツサだけが使用されている。また
特定の製品、とくに、すでに圧縮された放送信号
またはまえもつて録音された信号を受信したりあ
るいは再生することだけを意図したオーデイオ製
品にはエクスパンダだけが使用されている。さら
にある種の製品、とくに、オーデイオ録音再生装
置では、単一の装置が信号を録音するコンプレツ
サとしてのみならず圧縮された信号（またはまえ
もつて録音された信号）を再生するエクスパンダ
としてもモード切換えにより使用できるように構
成されていることが多い。

さらに詳しく言えば、本発明は、伸長を与える
ことのほか、レベルに応じた等化作用を行なうエ
クスパンダに関するものである。磁気録音につい
てはこのような等化作用を求める要求が高まつて
いる。なぜなら、とくに高い周波数で磁気テープ
が飽和する傾向があるからである。等化作用を確
保するためすでにいろいろな提案が行なわれてお
り、このうちのいくつかのものが放送技術報告誌
（Rundfunktechn、Mitteilungen）の年報22巻
（1978年）第２号の63ページより74ページに発表
されている。特定の周波数における高レベル飽和
または過負荷効果の影響を受けやすい他の録音ま
たは送信倍媒体についても等化作用を求める要求
が高まつている。

１つの可能性（ただし、レベルに左右される等
化作用を提供することができない）は、エクスパ
ンダの前に補償ブースト（増幅）回路を設けるこ
とである。別法は、エクスパンダの後にブースト
回路を設けることである。このような技術の欠点
は、すべてのレベルにおける信号が同じブースト
作用をうけるので、得られるノイズ低減量が大幅
に減少することである。このような技術を利用せ
ずにノイズ低減量が20デシベル程度のものである
場合、ノイズ低減の損失は許容し得ることが示唆
されている（「放送技術報告誌」の論文）。しか
し、これは部分的にしか正しくない。実際に若干
のコンパクト・タイプのカセツト・テープについ
て調べてみると、テープ飽和効果は2KHz程度ま
で下がつており、この飽和効果を考慮して等化作
用を変化させると、可聴ノイズが大幅に増大す
る。

ブースト回路をレベルに応じて作動させるよう
構成することにより上記の問題を解消しようとす
る試みがなされた（米国特許第4072914号参照）。
ブースト回路については、ブースト特性は、低レ
ベルのときより高レベルのときの方が急激であ
る。この方法の欠点の１つは、上述のような構成
の結果、回路が大幅に複雑になることである。

エクスパンダの制御回路のまえに高周波ブース
ト回路を設ける提案も「放送技術報告誌」に発表
されているが、その結果得られるロールオフは、
主に高レベルで効果を得るのが望ましいが、効果
は中間レベルの信号の範囲で認めることができる
にすぎないと指摘されている。一方、ビデオ録画
システムでは使用されるプリエンフアシスにより
高周波飽和の問題が生じるおそれがある。同じよ
うな問題がFM放送にもみられる。

従つて、本発明の目的は、上述の問題を適切に
解決するエクスパンダ、すなわち、効果的でかつ
簡単な問題解決のためのエクスパンダを提供する
ことである。

低周波数における伸長は、広帯域のエクスパン
ダ、または低周波数と高周波数とで別々に動作す
る回路を備えたエクスパンダを用いて達成するこ
とができる。低周波数で伸長を行う回路において
は、テープの飽和によつてコンプレツサとエクス
パンダ間に追従誤差が生じないようにするため
に、レベル依存型の低周波数等化を行うことが望
ましい。このレベル依存型の低周波数等化を行わ
ない場合には、多くの磁気テープ録音装置に組み
込まれている3180μs（50Hzで＋3dB）の録音時の
増幅によりひどいテープ飽和が起こり、従つて例
えば、オルガン音楽等で低周波数伸長を与えるシ
ステムにおいて追従誤差が生じ得る。

本発明のいま１つの目的は、必要な場合、低周
波数の範囲でも付加的に所要の等化作用を行なう
ことができる装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、飽和を受ける録音
媒体のヘツドルーム、したがつて、ダイナミツク
レンジを増加させることである。

本発明の出発点は、ダイナミツクレンジに関し
て線形の主信号路と、主信号路上の結合回路と、
入力が主信号路の入力または出力に接続され出力
が結合回路に接続された別路とを有するエクスパ
ンダであり、該別路は、少なくとも周波数帯域の
上部では結合回路を経る主路信号をバツク（減
衰）するが、入力のダイナミツクレンジの上部で
は別路の信号が主路の信号より小さいよう制限さ
れている信号を発することである。

周波数帯域の上部は、一般には数百ヘルツの
値、たとえば、300〜400Hzの値より高方にある
が、より高い値を使用してもよい。たとえば、基
準レベルに関し−10dBから＋10dBまでにわたる
入力のダイナミツクレンジの上部では、別路の信
号は主路の信号より小さい。

このようなエクスパンダはよく知られており、
広範に使用されている。エクスパンダの若干例が
米国特許第3846719号と米国特許第3903485号と米
国再発行特許請求第28426号に説明されている。
このようなエクスパンダは、二重路型エクスパン
ダと呼ばれている。別路信号により主路信号がエ
クスパンダを通ることを妨げる。タイプ（たと
えば、米国特許第3046719号に開示されている）
の構成は、一般にオーデイオ装置に使用されてお
り、一方、（たとえば、米国特許第3903485号に開
示されているような）タイプは、一般にビデオ
装置に使用されている。

本発明のエクスパンダは、主路にだけ接続され
ていて、飽和により影響をうける周波数帯域部分
での周波数応答を増大させる周波数依存回路を特
徴とするものである。

主路に設けられる周波数依存回路は、タイプ
とタイプの両方のエクスパンダのいずれにおい
ても別路の入力接続点と結合回路との間に接続さ
れている。

飽和により影響をうける周波数帯域の前記部分
は、通常、もつとも高い周波数帯域部分であつ
て、実際の使用例ではオーデイオ周波数帯域の上
端部とみなされているものである。具体的には、
オーデイオの場合、15KHz、20KHz等であり、ビ
デオの場合、４から6MHzの範囲にある。

エクスパンダが低い周波数で作動するようにさ
れた本発明に係るオーデイオ装置においては、周
波数依存回路は、たとえば、約100Hzから典型的
には約20Hzのオーデイオ周波数帯域の下限に及ぶ
オーデイオ周波数帯域の下方部分における周波数
応答を増大させる。

以下、本発明を図解した添付図面を参照しなが
ら本発明を詳細に説明する。

高周波飽和の問題は、磁気テープ式録音装置や
光学フイルム式録音装置すべてに共通した問題で
ある。この問題は、FM放送システムを含め、多
くの種類のプリエンフアシスを行なう録音送信シ
ステムにもみられる。この問題は低速テープ録音
装置、とくに低価格のテープ型式を採用した録音
装置にとつては、非常に厳しい問題ではあるが、
高品質の業務用磁気テープ式録音装置や光学フイ
ルム式録音装置にとつても比較的高レベルで録音
を行なう能力に好ましくない影響を及ぼしてい
る。すなわち、録音媒体が該録音媒体に印加され
る高レベルで周波数の高い信号を正確に録音する
ことができないのである。主な可聴効果は、相互
変調のひずみであり、また録音したものの中に含
まれる高周波の割合が減少していることである。
しかし、本発明と関連してこのような高周波飽和
の問題はけつして好ましいことではない。なぜな
ら、信号レベルと周波数の特定の組み合わせの場
合、このような高周波飽和が生じると、エクスパ
ンダの再生上の相補性が著しく損なわれるからで
ある。したがつて、高周波飽和の程度に応じて、
ある程度エクスパンダの再生信号の復号が不正確
になる。主な可聴効果は、通常、エクスパンダに
より高周波損失が誇張されることであるが、中間
周波数の信号が間違つて変調されることも前記可
聴効果に含めることができる。

図示の実施例は主としてカセツト・テープ録音
兼再生装置と関連したものであるが、本発明は業
務用の高級磁気テープ式録音送信システムや光学
テープ式録音送信システムにも適用することがで
きる。

第１図は、一般に使用されているカセツト式録
音再生装置の応答を示したものである。−20dBの
録音レベルでは応答は20KHzまでほぼフラツトで
ある。これにより高い録音レベルではテープの高
周波飽和の効果がはつきりと現われ、OdBの録
音レベルでは非常に高い周波数のロールオフが起
こる。普通のカセツト装置はこれよりも大幅に大
きい飽和効果を示している。

上記の飽和効果を低減するもつとも適確な方法
は、高周波飽和がやつかいな問題となる周波数領
域ではテープを過励振しないような方法で録音等
化を変えることである。しかるのち、相補的な方
法で再生上の等化を変更する。残念なことに、カ
セツト録音の場合、第１図より判るように、2K
Hz程度の周波数まで飽和効果が広がるおそれがあ
る。必要に応じて等化の状態を変えると、可聴ノ
イズが大幅に増大する結果となる。

後述の回路を使用すれば、処理周波数領域でノ
イズ低減を大幅に犠牲にすることなく、高周波効
果を低減する処理をほどこすことが可能である。
全領域ノイズ低減システム即ち、高周波数および
低周波数を含む全オーデイオ帯域に亘り雑音低減
を行うシステムが採用されている場合、低周波数
テープ飽和を減らすために同一技術を用いること
ができる。とくに、二重路式エクスパンダ回路で
はほとんどの場合別路を設けることにより非常に
低い信号レベルの回路出力が確保されている。
10dBのダイナミツク動作を行なうこのような装
置の場合、主路と別路の貢献度は１対2.16の割合
である。高い信号レベルでは２路の役割は逆にな
り、主路は主要な信号成分を提供し、別路の貢献
度は無視し得る程度となる。

飽和低減効果またはひずみ低減効果は上述の観
察にもとづくものである。高周波数励振または低
周波励振のさい所期の飽和低減またはひずみ低減
を提供する等化器がエクスパンダの主路に配置さ
れている。高信号レベルで高周波ひずみ低減回路
を使用した場合の効果を図解した第２図に示され
ているように、ほぼ完全な等化効果を得ることが
でき、その結果、高周波飽和を減らすことができ
る。しかし、低い信号レベルでは等化効果は低下
している。なぜなら、ノイズ低減路が占める貢献
度が大きくなるからである。たとえば、位相に関
する考慮を無視するとして、飽和防止回路網が特
定の周波数で12dB程度の減衰を与える場合、低
信号レベル効果は次のように表わすことができ
る。

0.25×１＋2.16＝2.41＝7.6dB すなわち、ノイズ低減効果について2.4dBの損
失に対し高レベル録音励振における12dBの低減
が得られたことになる。このような高度のひずみ
低減は、たとえば15KHzのような非常に高い周波
数の場合しか必要とされない。これより低い周波
数では所要の飽和減少は上記のものより少なくな
り、これに応じてノイズ低減効果の損失も減少す
る。周波数が低い場合、主な問題は、たとえば、
上述のごときオルガン音楽の場合のように、低周
波飽和問題をひき起こす多くのテープ式録音装置
に組み込まれている3180usec（50Hzで＋3dB）録
音ブーストの効果をうち消してしまうことであ
る。

オーデイオ装置の場合、適当な飽和防止回路網
に求める要件を次のように決定することができ
る。テープ、光学フイルム、FMチヤンネル等の
最大可使用出力レベルが低周波数から中間周波数
までの範囲で決定されるとともに、最高周波数に
至る比較的高い周波数範囲でも前記最大可使用出
力が決定される。この結果得られる最大出力レベ
ル曲線は、一般に耳にする音楽や演説の音にマツ
チした周波数の関数としてエネルギー分布をプロ
ツトした軌跡と比較することができる。このよう
なプロツトの一例が1973年６月に発行された「ジ
ヤーナル・オブ・ザ・オーデイオ・エンジニアリ
ング・ソサイアテイ」の21巻、第５号の357から
362ページに掲載されている本発明者の論文に発
表されている。２つの曲線の間の差は所要の高レ
ベル飽和防止特性を表わしたものである。いつた
んこのような特性が決定されると、飽和防止回路
網がどのような周波数またはレベルでも圧縮比の
増加をもたらすのかどうかを判定するため、得ら
れた圧縮特性曲線をチエツクしなければならな
い。もしそうであれば、ノイズ低減路の制限特性
を適宜変更するかあるいは直列に接続された何組
かのエクスパンダを使用する場合、飽和防止特性
を装置間に分布させるようにする。

同じような考え方をビデオ装置の場合にも適用
することができる。ビデオ録画装置の場合、しば
しば高周波数のプリエンフアシスを行ない、この
結果、FM過変調の問題が現われることが多い。
もし、米国特許（タイプ）と米国特許（タイプ
）に開示されているタイプのエクスパンダを使
用する場合、コンプレツサにもとづく（数％程度
の）残留オーバシユートが少ないため別の過変調
が生じる傾向がある。しかし、このようなオーバ
シユートは、本発明により補償することができる
（オーデイオ・システムの場合も、残留オーバシ
ユートを補償しようとする傾向がある。）。

エンコーダ・ユニツトの場合、飽和防止回路網
だけで操作することが可能であるが、再生側で相
補的な補正を行なうことが好ましい。これによ
り、すべてのレベルについてフラツトな周波数レ
スポンスを持続することができる。以下の解析
は、所要の補正のタイプを示したものである。

タイプの二重路コンプレツサとエクスパンダ
の構成を図解した第３図を参照すれば、コンプレ
ツサへの入力信号をＸで表わし、情報チヤンネル
を通る信号ｙで表わし、エクスパンダの出力信号
をｚで表わす。F₁とF₂がそれぞれ、コンプレツ
サとエクスパンダの別路の伝達特性を表わし、
F_ASが飽和防止回路網の伝達特性を表わすものと
する。さらに、F′_ASがデコーダの所要補償特性を
表わすものとする。

ｙ＝（F_AS＋F₁）ｘ またｚ＝yF′_AS−zF₂F′_AS したがつてｚ＝F′_ASF_AS＋F₁F′_AS／１＋F₂F′_ASｘ もし、F₁＝F₂かつF′_AS＝１／F_ASであれば、ｚ＝ｘ である。

同じような導き方は第４図に図解されているタ
イプの構成にも適用することができる。

ｙ＝F_ASＸ＋F₁F_ASｙ またｚ＝F′_ASｙ−F₂y したがつてｚ＝（F′_ASF₂）／１／F_AS−F₁ｘ もし、F₁＝F₂かつF′_AS＝１／F_ASであれば、ｚ＝ｘ である。

上記の諸式は、本出願人の先願発明より明らか
なように２つの別路回路網が同一でなければなら
ないことを示すばかりでなく、デコーダの飽和防
止補償網がエンコーダに使用されている回路網の
特性と逆の特性を備えていなければならないこと
を示している。抵抗とコンデンサを組み合わせる
ような方法で簡単な補正を行なうことができる
が、もつと複雑の補正を行なう場合、とくにデコ
ーダに要求されている逆特性を確保するためフイ
ードバツク技術を採用することができる。

さて、第５図の下段を参照すれば、主として磁
気テープの録音及び再生に使用される２段のタイ
プの構成についてのブロツク・ダイアグラムが
示されている。

図では、確実に圧縮量を増加するために、カス
ケード接続されたエクスパンダ５６と５８を使用
している。本発明は単一路のエクスパンダにも適
用することができる。エクスパンダは、主路１４
と該主路１４から別路N₂とN₁の出力を差し引く
結合回路１６を備えており、この場合も前記別路
N₂とN₁の入力は対応した主路の出力に接続され
る。

このようなコンプレツサとエクスパンダの構成
はよく知られているものであるから、改めて詳し
く説明することは省略する。しかし、別路N₁ま
たはN₂については主に２つの形式のものが採用
されている。そのうちの１つは（米国特許第
3846719号の第７図と第８図に示されているよう
な）フイルタであり、信号レベルが上昇するにし
たがつて、整流されかつ平滑化された制御信号に
より積極的に制限を行なうようにされた制御式リ
ミツタが前記フイルタのあとに設けられている。
もう１つのものは、（米国再発行特許第28426号に
開示されているような）スライデングバンドタイ
プの高域フイルタであつて、その通過帯域は、好
適には固定の高域フイルタと直列に接続されてい
るフイルタの出力から大きい信号成分を取り除く
ように制御信号により除々に狭められている。ス
ライデングバンドフイルタにとつて有利なコーナ
ー周波数値は休止状態で約375Hzであるが、制御
信号に応答してコーナー周波数の高パスは除々に
狭くなつている。

エクスパンダ５６と５８は、テープ録音装置Ｔ
の再生側で主信号成分に影響を及ぼす相補的な回
路網を備えている。また、一方のエクスパンダに
ついてだけこのような補償を行なうようにしても
よい。補償は、例えばデコーダ（エクスパンダ）
の相補ブーストの形式で行なうことができる。

高周波チヤンネルの過負荷の低減は主信号成分
にだけ適用されるので、別路の中の低レベル成分
は影響はうけないから、過負荷の低減はノイズの
低減に大きく影響を及ぼすことはない。その結
果、チヤンネルの過負荷低減を中間周波数の範囲
まで下げることができる。

デコーダ７８と８０の中に設けられている相補
的回路網が主信号路の中に設けられている。この
配置構成により主として主路の応答が影響を受け
るので、ノイズ低減効果の損失を非常に低く押さ
えられる。何故なら、低レベルにおいては大部分
の信号が別路により与えられるからである。した
がつて、高度のノイズ低減損失を伴うことなく飽
和効果を確保するため、たとえば、３〜6dB／オ
クターブというなだらかな高周波数のロールオフ
を有するとともに、２〜3KHzまで周波数を大幅
に下げて、デコーダの相補ブーストを備えた飽和
防止回路網を提供することが可能である。たとえ
ば、第１図に示されているゼロ・デシベルにおけ
る周波数応答は、高周波数応答が飽和が始まる約
2KHzから減りはじめていることを示すものであ
る。飽和防止回路網は高レベル信号を運ぶ主チヤ
ンネルの中に設けられているので、飽和をひき起
こす信号が影響をうけるだけである。

場合によつては、相補ブーストの半分をデコー
ダ７８と８０それぞれに与えるようにしてもよ
い。もし、ブーストをすべてデコーダ７８だけが
引きうける場合、関連したエクスパンダと関係の
ある特定のレベルと周波数領域における前記エク
スパンダの伸長比は増大する。しかし、消費者用
装置では、単一の回路網を使用するのが適切であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、カセツト・テープ録音兼再生装置の
代表的な応答曲線、第２図は、特性曲線の一例を
示す線図、第３図は、本発明によるタイプのエ
クスパンダをコンプレツサと対比したブロツク・
ダイアグラム、第４図は本発明によるタイプの
エクスパンダをコンプレツサと対比したブロツ
ク・ダイアグラム、第５図は、二系統エクスパン
ダを図解したブロツク・ダイアグラムである。 １０，１４……主路、１２，１６……結合回
路、５６，５８……エクスパンダ、７８，８０…
…デコーダ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ダイナミツクレンジに関して線形の主路と、
   前記主路中に設ける結合回路と、 前記主路に並列に設ける別路にして、少なくと
   も高周波数部分では主路信号を減衰するが、高レ
   ベル入力に対しては主路信号より小さい信号を供
   給する別路と、 高周波数の一部で周波数応答を増大させるため
   に前記主路のみに接続される周波数依存回路にし
   て、前記別路の接続点と前記結合回路との間に接
   続される周波数依存回路 とを含むエクスパンダ。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載のエクスパンダ
   において、前記周波数依存回路がオーデイオ周波
   数帯域の上部で周波数応答を増大させるエクスパ
   ンダ。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載のエクスパンダ
   において、前記周波数依存回路がオーデイオ周波
   数帯域の下部で周波数応答を増大させるエクスパ
   ンダ。