KR880000105B1 - 신호의 동적 범위 변경 시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

신호의 동적 범위 변경 시스템

제1도는 카셋트 테이프 기록 및 재생장치의 대표적인 응답곡선.

제2도는 설명특성 곡선.

제3도는 Type I 압촉기 및 신장기와 관련된 본 발명의 실시예의 블럭도.

제4도는 Type II 압축기 및 신장기와 관련된 본 발명의 실시예의 블럭도.

제5도는 자기 테이프 기록을 위한 2단 압신기 시스템과 관련된 본 발명의 실시예의 블럭도.

본 발명은 일반적으로 기록 및 전송 시스템에 관한 것이며, 또한 이 같은 시스템에 의해 취급되는 신호의 동적 범위를 변경시키는 회로장치, 즉 동적 범위를 압축하는 압축기와 동적 범위를 신장하는 신장기에 관한 것이다.

본 발명은 오디오 신호를 처리하는데 특히 유용하지만 비데오 신호를 포함한 다른 신호들에도 적용된다.

압축기와 신장기는 보통 함께 사용되어(압신기 시스템)잡음을 감소시킨다. 즉 신호는 전송 혹은 기록전에 압축되고 전송 채널로 부터 수신 혹은 재생후에 신장된다. 하지만 압축기가 단독으로 사용되어 동적 범위를 감소 시키기도 하는데, 에를 들어 압축된 신호가 최종 목적에 부합될때 차후에 신장하지 않고 전송 채널의 용량에 맞을 수도 있다. 그밖에도, 어떤 제품에는, 특히 압축된 방송신호나 사전 기록된 신호를 전송 또는 기록하려고 하는 오디오 제품에는 압축기가 단독으로 사용된다. 어떤 제품에는, 특히 사전 압축된 방송신호나 사전 기록된 신호를 수신 혹은 재생하려고만 하는 오디오 제품에는 신장기가 단독으로 사용된다. 어떤 제품은, 특히 오디오 기록 및 재생 제품에는, 압축기로 신호를 기록하고 신장기로 압축된 방송신호 혹은 사전기록된 신호를 재생하기 위해 전환방식으로 작동하도록 하나의 장치가 종종 만들어진다.

특히, 본 발명은 압축이나 신장을 하는 이외에도 레벨에 따라 등화시키는 압축기와 신장기에 관한 것이다. 자기기록에 있어서, 자기 테이프는 특히 고주파에서 포화되는 경향이 있기 때문에 이같은 등화가 필요하게 된다. 등화를 성취하기 위해 여러가지 방법이 제시되었으며, 몇가지가 무선공학 년보(Rundfunktechn. Mitteilungen)22(1978) H 2,63-74 페이지에 논술되어 있다. 어떤 주파수에서 고레벨 포화나 과부하 영향에 민감한 다른 기록 또는 전송 매체에도 등화의 필요성이 생긴다.

하나의 가능한 방법(레벨에 따라 등화되지는 않지만)은 압축기뒤에 고주파 로울-오프(roll-off)회로를, 그리고 신장기앞에 보상 승합회로를 놓는 것이다. 다른 방법은 압축기앞에 로울-오프회로를, 그리고 신장기뒤에 승압회로를 놓는 것이다. 이같은 어느 기술에서도 단점은 신호가 모든 레벨에서 동일하게 로울-오프 작용을 받아서 (그리고 차후의 승압 작용을 받아서), 얻어지는 잡음 감소량이 상당히 감소하게 된다는 것이다. 무선 공학 년보의 논문에는 이같은 기술을 사용하지 않고 잡음 감소량이 20dB만큼 높다면, 잡음 감소의 손실이 허용될 수 있다고 제시되어 있다. 이것은 단지 부분적으로 옳은 것이다. 실제로, 특히 어떤 소형 카세트 테이프에 있어서는, 테이프 포화 효과가 2KHz만큼 낮게 하향 연장되고, 이것을 고려하기 위해 필요만큼 등화를 변경하면 가청 잡음을 상당히 증가시키게 될 것이다.

로울-오프 회로와 승압 회로의 응답을 레벨 의존형으로 만들어서 이러한 문제점을 극복하기 위해 시도되어 왔다. 로울-오프 회로의 경우, 로울-오프는 낮은 레벨에서 보다 높은 레벨에서 더 가파르다. 승압 회로에 있어서도, 승압 특성은 마찬가지로 낮은 레벨에서 보다 높은 레벨에서 더 가파르다. 이 방법의 단점은 결과적으로 회로가 복잡해진다는 것이다 무선 공학 년보의 논문에는 또한 압축기와 신장기 모두의 제어회로앞에 고주파 승압회로를 놓는것도 제안되었지만, 로울-오프 효과를 주고 고레벨에서 얻는 것이 바람직한데 반해서, 결과적으로 중간 레벨 신호 범위에서만 로울-오프를 볼 수 있다는 것이 또한 지적되었다. 비데오 기록 시스템에 있어서, 고주파 포화문제는 사용된 기록 프리-엠퍼시스(pre-emphasis)로 인해 야기되기도 한다. FM방송에도 비슷한 문제가 있다.

그러므로 본 발명의 한 목적은 상술된 문제들에 대한 더 좋은 해결책, 즉 효율적이고 간단한 해결책을 마련하는 것이다.

종래의 기술에서 논술되지는 않았지만, 압축과 신장이 저 주파수에서도 역시 효과적이라면 저 주파동화(압축기에서는 로울-오프, 신장기에서는 승압)가 바람직하다는 점에 있어서 관련된 문제가 있다. 저 주파수 압축 및 신장은 험(hum)잡음 감소에 유용하고, 광대역 압축기와 신장기, 혹은 낮은 주파수와 높은 주파수에서 독립적으로 작동하는 회로를 가진 압축기와 신장기를 사용하여서 성취되기도 한다. 저 주파수에서 등화의 주 목적은 예를 들어 오르간 음악에 저주파 테이프 포화문제를 일으키는 많은 자기 테이프 레코더에 형성되어진 3180μS(50Hz에서 +3dB)기록 승압의 효과를 없애는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은, 필요하다면 필요한 등화가 낮은 주파수에서도 추가로 이루어지는 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 필요하다면 필요한 등화가 낮은 주파수에서도 추가로 이루어지는 수단을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 헤드롬(headroom)을 증가시켜서 포화되기 쉬운 기록 매체의 동적 범위를 증가 시키는 것이다.

본 발명의 시점은 동적 범위에 대해 선형으로 되는 주 신호통로와, 주통로내의 결합회로와, 주통로의 입력 혹은 출력에 연결된 입력과 결합회로에 연결된 출력을 구비하는 추가의 통로를 포함하는 압축기와 신장기이며, 상기 추가의 통로는 적어도 주파수 대역의 상부에서는 결합 회로에 의해 주 통로 신호를 승압하거나 벅크(buck)하는 신호를 제공하지만, 그러나 이것은 지나치게 한정되어서 입력동적 범위의 상부에서는 추가의 통로신호가 주통로 신호보다 작다.

주파수 대역의 상부는 비록 높은 값이 사용될지라도 수백 헬츠, 즉 300-400Hz의 값으로 부터 위로 연장된다. 기준 레벨에 대해 입력 동적 범위의 상부에서, 즉 -10dB에서 +10dB까지에서는, 추가의 통로 신호가 주통로 신호에 비해 작다.

이같은 압축기와 신장기는 공지되어 있고 널리 사용되며, 그 예가 미국 특허 제3,846,719호, 제3,903,485호 및 제Re 28,426호에 설명된다. 그들은 이중 통로 압축기와 신장기로 지칭된다. 또 하나의 통로 신호는 주통로 신호를 압축기내에서 승압하나 신장기내에서는 주통로 신호를 벅크한다. Type I 구조(예를 들어 미극 특허 Type II 제3,046,719호에서와 같은)는 일반적으로 오디오 용으로 사용되며 Type II구조 (예를 들어 미국 특허 제3,903,485호에서와 같은)는 일반적으로 비데오 용으로 사용된다.

압축기의 경우, 본 발명은 주 통로에만 연결되고 포화에 의해 영향을 받는 주파수 대역부분의 주파수 응답을 감소시키는 주파수 의존회로를 특징으로 한다.

신장기의 경우, 본 발명은 주 통로에만 연결되고 포화에 의해 영향을 받는 주파수 대역부분의 주파수 응답을 증가시키는 주파수 의존 회로를 특징으로 한다.

주 통로내의 주파수 의존 회로는Type I 과 TypeII 두종류 모두의 압축기와 신장기에서 또 하나의 통로의 출발점과 결합회로 사이에 연결된다.

본 발명은 또한 청구범위에 특정지워져 있듯이 완전한 잡음 감소 시스템을 제공한다.

상기 포화에 의해 영향을 받는 상기 주파수 대역부분은 보통 상단 극단을 가리키는 것으로, 즉 오디오의 경우 15KHz나 20KHz 혹은 다른 값이건 혹은, 비데오의 경우 4-6MHz이건간에, 주어진 어떠한 실제의 경우에도 상기 상단 극단은 상단 주파수가 어떤 주파수이든 오디오 주파수 대역의 상단으로 간주된다.

압축기와 신장기가 저 주파수에서도 또한 작용하는 본 발명의 오디오 개발에 있어서, 주파수 의존 회로는 또한 오디오 주파수 대역의 낮은 부분의 주파수 응답을 감소시키거나 (압축기) 혹은 증가시킨다(신장기) (예를 들어 대략 100Hz로 부터 그 하단을 향하여 하향 연장되며, 그 하단은 20Hz영역에 있다).

본 발명은 첨부 도면을 참조하여 예를 들어서 더욱 상세히 설명될 것이다.

고주파 포화의 문제는 모든 자기 테이프와 광학 필름 레코더에 공통적인 것이다. 이것은 또한 FM방송 시스템을 포함한 많은 종류의 프리 엠퍼사이즈된(pre-emphasized)기록 및 전송 시스템에서도 발생할 수 있다. 이것은 비록 저속도 테이프 레코더, 특히 저가의 테이프 형식을 사용하는 테이프 레코더에서 가장 심하지만, 높은 질의 전문적인 자기 테이프 및 광학 필름 레코더 경우에도 고레벨에서는 기록 능력에 영향을 미친다. 즉, 기록 매체는 고레벨, 즉 그것에 기록되는 고주파 신호를 정확히 기록하지 않는다. 주된 가청 효과는 중간 변조 왜곡과 고주파 기록 내용의 감소이다. 그러나, 본 발명에 관련하여, 이같은 포화 현상은, 신호 레벨과 주파수의 어떠한 결합으로 신장기의 재생 상보성을 혼란시키므로 특히 바람직하지 못하다. 그러므로 신장기는 포화의 정도에 따라 재생되는 신호를 어느 정도 부정확하게 디코딩할 것이다. 주된 가청 효과는 보통 신장기에 의한 고주파 손실을 증가시키는 것이지만, 중간 주파수 신호의 의사변조를 포함할 수도 있다.

비록 본 발명이 전문적인 품질의 자기 테이프, 광학 필름 기록 및 전송 시스템에도 마찬가지로 적용될 수 있지만, 도시된 실시예는 주로 카세트 테이프 레코더에 관한 것이다.

제1도는 보통 이상의 소형 카세트 레코더의 응답을 도시한다. -20dB의 기록 레벨에서 응답은 20KHz까지 거의 평평하다. 더 높은 기록 레벨에서는 고주파수 테이프 포화의 효과가 명백해지고, 0dB의 기록 레벨에서 사실상 고주파수 로울 오프를 일으킨다. 전형적인 카세트 유니트는 실제로 더 큰 포화 효과를 나타낸다.

상기 포화 효과를 감소시키는 가장 직접적인 방법은 포화가 문제가 되는 주파수 범위내에서 테이프가 과도 하게 구동되지 않는 방식으로 기록 등화를 변화시키는 것이다. 그다음 재생 등화는 상보적인 방법으로 변경된다. 불행하게도, 카세트 기록에 있어서, 포화효과는 제1도에 재시되었듯이 2KHz만큼 낮은 주파수까지로 아래로 연장된다. 따라서 등화에 있어서의 필요한 변화로, 가청 잡음을 상당히 증가시키게 된다.

하기 설명된 회로는 처리된 주파수 범위내에서 잡음 감소에 나쁜 영향을 미치지 않고 고주파 포화를 감소시키도록 처리할 수 있게 한다. 이 기술은 전 범위 잡음감소 시스템이 사용되는 곳에서 저 주파수 테이프 왜곡을 감소시키기 위해 사용될 수도 있다. 특히, 이중통로 압축기나 신장기에 있어서, 대단히 낮은 신호레벨에서의 회로의 출력은 또 하나의 통로 또는 잡음감소 통로에 의하여 대부분이 제공된다. 10dB의 동적 작용을하는 하나의 이같은 장치의 경우, 주 통로와 잡음감소통로의 기여도는 제각기 1대 2.16의 비율로 된다. 높은 신호 레벨에서 두 통로의 역할은 역전된다. 즉 주통로는 주 신호 성분을 제공하고, 또 하나의 통로의 기여도는 무시할만하다.

포화 혹은 왜곡의 감소 효과는 상기 결과에 근거한 것이다. 즉, 높은, 혹은 낮은 주파수 구동에 필요한 감소를 제공하는 등화회로(egualizer)가 압축기의 주통로에 마련된다. 고주파 왜곡 감소 회로의 작동을 도시하고 있는 제2도에 도시되었듯이, 등화의 완전한 효과가 얻어지며, 결과적으로 고주파 포화가 감소한다. 그러나, 낮은 레벨에서는 등화효과가 감소하는데, 그 이유는 잡음 감소통로의 기여도가 중요하게 되기 때문이다. 만약, 예를 들어, 포화 방지 회로가 특별한 주파수에서 12dB만큼 감쇄시켜서 위상의 문제를 무시한다면, 낮은 레벨 효과는 다음과 같이 된다.

0.25×1+2.16=2.41=7.6dB

즉, 잡음 감소 효과에 있어서, 2.4dB의 손실에 대해 고레벨 기록 구동에 있어서 12dB의 감소가 얻어진다. 이같이 높은 왜곡 감소는 예를 들어 15KHz에서와 같은 최고 주파수에서만 필요할 것이다. 더 낮은 주파수에서는, 포화에 있어서 필요한 감소는 더 작을 것이며, 따라서 잡음 감소효과의 손실은 작아질 것이다. 낮은 주파수에서, 주된 목적은 이미 언급된 바와 같이, 예를 들어 오르간 음악에서 저주파수 테이프 포화문제를 일으키는 많은 테이프 레코더에 형성되는 3180μS(50Hz 에서 +3dB)기록 승압의 효과를 없애는 것이다.

오디오에 적용할때, 적절한 포화방지 회로의 필요성은 다음과 같이 결정된다. 테이프, 공학 필름, FM채널, 혹은 다른것들의 최대 사용 가능 출력 레벨은 저주파수에서 중간 주파수까지 그리고 고주파에서 문제의 최고 주파수까지로 결정된다. 결과적으로 최대출력 레벨 곡선은 보통음악과 말 소리에 대해 주파수의 함수로서 에너지분포의 구성에 비유된다. 이와 같은 구성은 본 발명자의 논문인 1973년 6월의 오디오 엔지니어링협회지(Journal of the audio Engineering Society) 21권, 537-362 페이지에 나타나 있다. 이 두 곡선의 차이는 필요한 고레벨 포화방지 특성의 표시이다. 이같은 특성이 일단 결정 및 실시되면, 포화방지 회로가 어느 주파수 혹은 레벨에서 압축비를 증가시켰는가를 결정하기 위해 결과적으로 압축 특성 곡선이 검토되어야한다.

비데오의 경우에도 비슷하다. 비데오 레코도에서 고주파 프라엠퍼시스가 자주 사용되며, 이것은 FM과 변조문제를 일으킬 수 있다. 어느 특별한 기록 시스템에 있어서도 과변조 문제를 일으킬 수 있다. 어느 특별한 기록 시스템에 있어서도 과변조 경향은 측정될 수 있으며 적절한 종류와 정도로 포화방지가 이루어질 수 있다. 상기 미국 특허(Type I )와 미국 특허(Type II )에 설명된 압축기와 신장기가 사용된다면, 압축기로 부터 작은 잔여 오버 슈트(수 퍼에센트)에 의해 발생되는 과변조 경향이 더 있을 것이다. (오디오 시스템에는 잔여 오버 슈트를 보상하려는 경향도 있다.)

인코더 유니트에서는 포화방지 회로망으로도 작동할 수 있는 반면, 재생측에는 상보적인 보정이 있는 것이 더 좋아서 모든 레벨에서 평평한 주파수 레벨 응답이 유지된다.

다음의 분석은 필요한 정정의 형태를 보여준다.

Type I 이중 통로 압축기와 신장기의 구조를 도시하고 있는 제3도를 보면, 압축기의 입력 신호는 X, 정보 채널의 신호는 Y, 신장기의 출력 신호는 Z라고 놓는다. F₁과F₂를 제각기 압축기와 신장기의 또하나의 통로의 전달 특성이라고 하고 F_AS를 포화방지회로의 전달특성이라고 하자.

F_AS'가 디코더의 필요한 보상 특성이라고 한다.

y=(F_AS+ F₁)×, 그리고

z=yF_AS'-ZF₂F_AS'이면

z=

검토결과, F₁=F₂이고 F'_AS=

이면 Z=X 된다. 제4도에 도시된 Type II구조에서도 비슷하게 유도된다.

y=F_ASX+F₁F_ASy이고

z=F'_ASy-F₂y이면

검토 결과 F₁=F₂이고 F'_AS=

이면 Z=X가 된다. 이것은 본 발명자의 선행기술로 부터 공지되었듯이 2개의 잡음감소 회로가 동일하다는 것뿐만아니라 디코더내의 포화방지 보상회로가 인코더에 사용된 포화방지 보상회로의 역 특성을 가진다는 것을 보여준다. 예를 들어 RC 결합에 의해 수동적으로 간단히 정정될 수 있는 반면, 더 복잡한 정정에서는 특히 디코더내에서 필요한 역 특성을 얻기위해 궤환 기술을 사용할 수 있다.

제5도를 보면, 본 발명의 실시예의 블럭도가 주로 자기 테이프 기록 및 재생에 사용되는 2단 Type I 구조로 실시된 것으로 도시된다.

도시된 실시예는 압축의 양을 향상시키기 위해 종속 결합된 압축기(52),(54)와, 대응하게 종속 결합된 신장기(56),(58)를 사용한다. 본 발명은 1단 이중 통로 압축기와 신장기에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 각 압축기는 주 통로에 또 다른 통로 N₁, N₂의 출력을 더하는 결합회로(12)를 포함하고 있는 주통로(10)을 가지며, 상기 또다른 통로에 입력을 대응하는 주통로 출력에 연결된다.

이 같은 압축기와 신장기 구조는 그 자체가 공지되어 있으며, 따라서 더 상세히 설명하지는 않는다. 그러나 또다른 통로 N₁혹은 N₂에는 2개의 주형태가 있다. 하나의 대안 (미국 특허 제3,846,719호의 제7도와 8도)은 신호 레벨이 상승할 때 정류되고 평활화한 제어신호에 의해 점진적으로 제한하게 되는 제어 리미터 뒤에 오는 필터이다. 또 하나의 대안(미국 특허 제 Re 28,476호)은 고정된 고역통과 필터와 직렬로 되는 것이 좋은 필터의 출력으로 부터 대신호 성분을 제거하기 위해 제어신호에 의해 통과대역이 점차로 좁아지는 슬라이딩 대역 고역통과 필터이다. 슬라이딩 대역 필터의 유리한 코너 주파수치는 정상상태에서 대략 375Hz이지만 제어신호에 응답하여 점차 좁은 고역통과로 된다.

제1및 제2압축기(52),(54)는 각각 고주파 및 저주파(및 어떠한 특별한 주파수 혹은 주파수 범위)포화방지 회로(74),(76)를 가져서 주 신호 성분에 영향을 미친다. 테이프 레코더 T의 재생측에서, 제1및 제2신장기(56),(58)는 주신호 성분에 영향을 주는 상보적인 회로를 가진다. 혹은, 이같은 보상이 압축기들중의 단 하나와 그에 따른 단 하나의 신장기에 주어질 수도 있다. 예를 들어, 보상은 대단히 높은, 즉 10KHz이상에서 증가하는, 인코더내에서 완만한 고주파 로울 오프의 형태를 취하고 (압축기), 디코더내에서 상보적으로 승압한다(신장기).

고주파 채널 과부하 감소는 주 신호 성분에만 적용되기 때문에, 옆 채널의 저 레벨 성분은 영향을 받지 않아서 과부하 감소가 잡음 감소에 크게 영향을 미치지 않는다. 결국, 채널 과부하감소는 중각 주파수 범위까지 연장 될 수 있다.

인코더(74), (76)내의 포화방지회로와 디코더(78),(80)내의 상보 회로는 주 신호통로내에 놓인다. 이 같은 배열은 대부분의 신호가 낮은 레벨에서 잡음 감소 측쇄에 의하여 제공되므로 잡음 감소 효과에 거의 손실을 가져오지 않는다. 그러므로 예를 들어 2-3KHz까지 주파수가 상당히 하향 연장되는 3-6dB/옥타브의 점차적인 고주파 로울 오프(그리고, 디코더에서는 상보적인 승압) 현상이 나타나서, 높은 정도의 감소 손실없이 포화효과를 처리하는 포화방지 회로를 제공할 수 있다. 예를 들어 제1도의 0dB에서 주파수 응답은 대략2KHz에서 시작하는 포화로 부터의 고주파 응답이 하강을 도시한다. 포화방지 회로가 고레벨 신호를 운반하는 주통로에 있으므로, 포화를 일으키는 신호들만이 영향을 받는다. 제1도에 도시되었듯이, 저 레벨 신호는 테이프를 심각할 정도로 포화시키지 않는다.

임의로, 3-6dB, 옥타브 로울 오프의 반이 각각의 인코더(74),(76)에서 제공되며 상보적인 승압은 각각의 디코더(78),(80)에서 제공된다. 만일 로울 오프 및 승압 모두가 단일 회로(76)과 (78)에 놓인다면, 관련된 압축기나 신장기는 그 압축기나 신장기와 관련된 특별한 레벨 및 주파수에서 증가된 압축기나 신장비를 가질 것이다. 하지만, 소비자 시스템에서는 단일 회로의 사용이 적절하다.

Claims (1)

1. 녹음 매체 또는 전송 매체에 인가되거나 또는 그로부터 수신된 신호들의 동적 범위를 변경시키기 위한 회로 시스템, 즉, 동적 범위를 압축하기 위한 하나의 압축기와 동적 범위를 신장하기 위한 하나의 신장기를 상기 회로 시스템이 신호들의 동적 범위를 변경하는 주파수 범위내에서 포화나 또는 과부하의 영향을 받는 상기 녹음 또는 전송 매체의 전, 후에 사용하여 잡음을 감소시키기위한 회로 시스템에 있어서, 상기 회로 시스템은 동적 범위에 관해 선형인 주통로와 ; 상기 주통로상의 결합 회로와 ; 상기 주통로상의 입력 또는 출력 단자에 연결된 입력 단자와 상기 결합 회로에 연결된 출력 단자를 가지며, 압축기가 상기 결합 회로를 통과한 주통로의 신호를 상기 주파수대역의 적어도 상부에서 부스트하고 신장기가 결합 회로를 통과한 상기 주통로의 신호를 버크하며 입력 동작 범위의 상부에 제한되어 상기 주통로의 신호보다 적은 값에 제한 되는 신호를 제공하는 다른 통로들로 구성되는 적어도 하나 이상의 회로들로 형성되고, 주파수 의존 회로(F_AS; 74, 76, F'_AS; 78, 80)는 주통로(X-Y ; 10, Y-Z ; 14)에만 연결되는 구성에 의해, 압축기(52)(54)는 상기 녹음 매체 또는 전송 매체가 포화 또는 과부하 효과를 받기 쉬운 주파수의 범위에서 주파수 응답을 감소시키고, 신장기(56)(58)는 상기 녹음 매체 또는 전송매체가 포화 또는 과부하 효과를 받기쉬운 상기 주파수 대역의 상기 부분에서 주파수 응답을 증가시키고, 잡음 감소 시스템에 상기 압축기와 신장기를 공통으로 사용하기 위해 상기 압축기와 신장기의 주파수 대역부가 동일함을 특징으로 하는 잡음을 감소시키기 위한 회로 시스템.

Images