JPS63119327A - 信号の録音及び送信システムにおける媒体過負荷効果を低減させるエクスパンダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、ざらに詳
しく言えば、このようなシステムにより処理された信号
のダイナミックレンジを変更する回路装置、すなわち、
ダイナミックレンジを伸長するエクスパンダに関する。

本発明は、とくにオーディ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。

コンプレッサとエクスパンダは、通常、ノイズを低減さ
せるため両方いっしょに使用される〈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
チャンネルからの受信または再生のあと伸長される。し
かし、コンプレッ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、ダイナミックレン
ジを狭めるために、たとえば、送信チャンネルの容伍に
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
っ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ィオ製品にはコンプレッサだけが
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っ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ィオ
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、オーディ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ッサとしてのみなら
ず圧縮された信号（またはまえもって録音された信号）
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っている。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１五反亘１ａ
−（Ｒｕｎｄｒｕｎｋｔｅｃｈｎ、　Ｈｉｔｔｅｉｌｕ
ｎｇｅｎ）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媒体についても等化作用を求める
要求が高まっている。

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（ｒｍ’ａｍ　　”−Ｊ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・タイプのカセット・テープについて調べてみると、
テープ飽和効果は２にＨｚ程度まで下がっており、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
たく米国特許第４，０７２，９１４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ｒ　　’［［”ＩＪ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ァシス
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。

従って、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。

先行技術には説明されていないが、関連した問題は、低
周波数の範囲でも伸長が有効である場合、低周波数にお
ける等化作用（ブースト）が望ましい点である。低周波
数範囲における伸長は、ハムノイズを減らすには効果が
あり、これは広帯域のエクスパンダ、または低周波数と
高周波数で別々に動作する回路を備えたエクスパンダを
使用して達成することができる。低い周波数の範囲での
等化作用の主な目的は、たとえば、オルガン音楽の場合
のように低い周波数の範囲でテープ飽和の問題をひき起
こす多くの磁気テープ録音装置に組み込まれた３１８０
ｕｓｅｃ　（５０Ｈｚで＋３ｄＢ）の録音ブーストの効
果を打ち消すことである。

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へ
ラドルーム、したがって、ダイナミックレンジを増加さ
せることである。

本発明の出発点は、ダイナミッ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
バック（減衰）するが、入力のダイナミックレンジの上
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の値より高力にあるが、より高
い値を使用してもよい。たとえば、基準レベルに関し一
１０ｄＢから＋１０ｄＢまでにわたる入力のダイナミッ
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３．
８４６．７１９号と米国特許第３，９０３，４８５号と
米国再発行特許第２８．４２６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Ｉ（たとえば、米国特許第３
，０４６，７１９号に開示されている）の構成は、一般
にオーディオ装置に使用されており、一方、（たとえば
、米国特許第３．９０３．４８５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、タイプエとタイプ
■の両方のエクスパンダのいずれにおいても別路のティ
クオフ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
、もっとも高い周波数帯域部分であって、実際の使用例
ではオーディ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、オーディオの場合、１５にＩｌ
ｚ、　　２０にＨ２等であり、ビデオの場合、４から６
ＭＨｚ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
明に係るオーディオ装置においては、周波数依存回路は
、たとえば、約１００Ｈ２から一般に２０Ｈ２の範囲の
下限にあるオーディオ周波数帯域の下方領域における周
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
の詳細な説明する。

高周波飽和の問題は、磁気テープ式録音装置や光学フィ
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
ァ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っては、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ィ
ルム式録音装置にとっ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っ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。

したがって、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っ
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ット・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ット式録音再生装
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２０にｔ＋ｚまでほぼフラットである。これ
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
っきりと現われ、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。

普通のカセッ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っとも適確な方法は、高周
波飽和がやっ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、カセット録音の場合、第１図より判る
ように、２ＫＩＩＺ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が採用されている場合、低周
波テープのひずみを減らすために同じ技術を使用するこ
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、別のノイズ低減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。１０
ｄＢのダイナミック動′作を行なうこのような装置の場
合、主路とノイズ低減路の貢献度は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、は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　Ｘ　１　＋２．１６　＝　２．４１−７．６
ｄＢ　　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１５にＨｚ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ティる３１８０ｕｓｅｃ　（５０Ｈ
ｚ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。

オーディオ装置の場合、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、光学フィルム、ＦＭチャ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
プロットした軌跡と比較することができる。このような
プロットの一例が１９７３年６月に発行された［ジャー
ナル・オフ・プ・オーディオ・エンジニアリング・ソサ
イアティ」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。いっ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ェッ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
プリエンファシスを行ない、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、
コンプレッサにもとづく（数％程度の）残留オーバシュ
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ュートは、本発明により補償す
ることができる（オーディオ・システムの場合も、残留
オーバシュートを補償しようとする傾向がある。）。

エンコーダ・ユニットの場合、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
いてフラッ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。

タイブエの二重路コンプレッ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、コンプレッサへの入力信
号をＸで表わし、情報チャンネルを通る信号をｙで表わ
し、エクスパンダの出力信号を２で表わす。ＦｌとＦ２
がそれぞれ、コンプレッサとエクスパンダの別路の伝達
特性を表わし、ＦＡＳ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＝（ＦＡＳ＋　Ｆｌ　）　Ｘ またｚ＝ｙＦ′　　−２Ｆ２Ｆ′Ａｓ 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　　Ｘ　十Ｆ　１Ｆ　ＡＳｙ ｓ またｚ＝Ｆ’　　　ｙ−Ｆ２ｙ Ｓ ］ 　　　−Ｆ Ａｓ　　　　１ 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つのノイズ低減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回路網が
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、もつと複雑な補正を行なう場合、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
ィードバッ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Ｉの構成につ
いてのブロック・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Ｎ　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ッ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３．８４６．７１９号の第７図と第８図
に示されているような）フィルタであり、信号レベルが
上昇するにしたがって、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
ミッタが前記フィ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２８．４２６号
に開示されているような）スライディングバンドタイプ
の高域フィルタであって、その通過帯域は、好適には固
定の高域フィルタと直列に接続されているフィルタの出
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
徐々に狭められている。

スライディングバンドフィルタにとって有利なコーナー
周波数値は休止状態で約３７５　Ｈｚ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徐々に狭くなっ
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ｔます相補的な回路網
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。

高周波チャ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、サイド・チャンネル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、チャンネル
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
成の結果、ノイズ低減効果の損失を非常に低く抑えるこ
とができる。なぜなら、ノイズ低減側の連鎖により低レ
ベルの信号が得られるからである。したがって、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、２〜３にＮ２
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２にＮ
２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ャンネルの中に設け
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。

場合によっては、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、ＷＡ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、カセット・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、本発明によるタイブエのエクスパンダをコンプレ
ッサと対比したブロック・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ッサと対比
したブロック・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ック・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２　　　　５　　　　Ｉｏ　　　　２０ｋ
）ｌｚ ］ミニ［：ｒ−−１− ｚ Ｐエロー２−

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイナミックレンジに関して線形の主信号路と、
   前記主路中に設けられた結合回路と、入力を該主路の入
   力または出力に接続させ且つ出力を前記結合回路に接続
   させた別路にして、少なくとも周波数帯域の上部では、
   該結合回路により主路信号をバックさせるが、入力ダイ
   ナミックレンジの上部では前記主路信号より小さい値に
   なるように制限された信号を供給する別路と、前記周波
   数帯域の選択された部分で周波数応答を増大させるため
   に、該主路のみに接続された周波数依存回路装置とから
   成るエクスパンダ。
2. （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装置がオーディオ周波数帯域
   の上部で周波数応答を増大させるエクスパンダ。
3. （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装置がオーディオ周波数帯域
   の下部でも周波数応答を増大させるエクスパンダ。