NO130413B - - Google Patents

Description

Signalkompressor eller -ekspander.

Oppfinnelsen angår signalkorapressorer, -ekspandere og stoy-reduksjonsanordninger som dem der er beskrevet i .britisk patentskrift nr. 1.120.541 og de norske patentskrifter nr. 126.505 og 128.842. Oppfinnelsen er anvendelig for innretninger både av type I og av type II, slik disse begreper er definert i de nevnte norske patentskrifter.

Et hovedtrekk ved alle de innretninger som er beskrevet i

de to nevnte fremstillinger, er at der ikke gjores noe forsok på

å tilveiebringe den forlangte kompresjons-eller ekspansjonsfunksjon ved å innvirke på hele det dynamiske område for signalet. Isteden benyttes der en direkte gjennomgående hoved-signalvei som signalene og spesielt signaler med hoye nivåer kan passere uten forvrengning.

Med disse signaler kombinerer man utgangssignalet fra en ytterligere vei, som kan få sitt inngangsxgnal enten fra utgangen eller fra inngangen til innretningen. Ved lave signalnivåer styrker eller svekker dette utgangssignal fra den ytterligere vei hovedsignalet for å bevirke henholdsvis kompresjon eller ekspansjon. Imidlertid innbefatter den ytterligere vei, den såkalte tilleggsvei, en begrenser slik at utgangssignalet fra denne vei ved hoyere signalnivåer blir neglisjerbart i sammenligning med hovedsignalet, så styrkelsen resp. svekkelsen blir minimal. På denne måte blir kompresjons- eller ekspansjonskarakteri-stikk tilveiebragt i det vesentlige under unngåelse av de alvorlige iboende problemer som foreligger ved tidligere kjente innretninger som arbeider på hele signalet i henhold til en ikke-lineær funksjon.

Det er særlig viktig at kompressorer og ekspandere av den nettopp omtalte type kan gjores noyaktig komplementære, slik at et komplett stoyreduksjons- eller kompressor/ekspander-system hvor signalet fores forst gjennom kompressoren og derefter gjennom ekspanderen, ikke i seg selv vil innfore en forvrengning.

I de spesielle eksempler som er anfort i de to ovennevnte fremstillinger og også i nevnte patentskrift 127.166, blir tilleggsveien s, resp. hver tilleggsveis arbeide begrenset til et bestemt bånd som bare utgjor en del av det samlede signalbånd, da stoymodulasjons-effekter utelukker anvendelsen av en enkel bredtbånds stoyreduksjon.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe øko-nomiske kompressorer og ekspandere som vil gi bredtbånds-stoyreduksjon under hvileforhold med lavt signalnivå, men ha hovedsakelig hoypass- eller lavpass-karakter under forhold med nivåbegrensning. F. eks. vil anvendelsen av en kompressor og en ekspander i et audio-system hvor tilleggsveien får hoypasskarakter under forhold med nivåbegrensning, bevirke bredtbånds-stoyreduksjon så lenge signalet er på et hoyt nivå. Så snart der opptrer et påtagelig signal med lav til midlere frekvens, vil tilleggsveien imidlertid få hoypasskarakter, og stoyreduksjon vil bare finne sted ved de ovre frekvenser, så man

unngår problemer med stoymodulasjon.

Oppfinnelsen går ut på en signalkompressor eller -ekspander,

omfattende en direkte signalvei til å formidle et inngangssignal med

•linearitet innen et dynamisk. område og- an anordning til å kombinere utgangssignalet fra en ytterligere vei med signalene i den direkte vei for å styrke eller svekke disse, hvor den ytterligere vei får sitt inngangssignal fra enten inngangen til eller utgangen fra kompressoren eller ekspanderen og innbefatter en anordning til å begrense det nevnte utgangssignal samt et filter med variabel grensefrekvens

til å begrense signaler' som passerer gjennom den ytterligere vei. Denne kompressor eller ekspander er ifolge oppfinnelsen karakterisert ved at filteret er utfort for å hå hovedsakelig all-pass-karakteri-* stikk under tilstander med lavt signalnivå og innbefatter en gren med en variabel impedans som reagerer slik på et signalnivå i kompressoren, resp. ekspanderen, at filteret ved hoyere "signalnivåer antar hoypass-eller lavpass-karakteristikk eller hoypass- pluss lavpass-karakteristikk.

Oppfinnelsen vil bli belyst nærmere ved utforelseseksempler under henvisning til tegningen. Fig. 1 og 2 er koblingsskjemaer for to meget enkle utforelsesformer for oppfinnelsen. Fig. 3 °g 4 er koblingsskjemaer for forbedrede utforelses- .: former som særlig egner seg til å brukes i forbindelse med båndopp- • tagere hvor man har betydelige problemer med hoyfrekvent stoy (hvis-ling) cg mindre problemer med.lavfrekvent stoy.

Fig. 3a viser en modifikasjon av fig. 3*

Fig. 5 °g 6 viser to måter hvorpå koblingen på fig. 4 kan utvikles videre for også å ta seg mer effektivt av lavfrekvent stoy, særlig for anvendelse i forbindelse med opptegning på plate, og

fig. J og 8 viser endel karakteristikker.

For alle utforelsesformer er der for enkelhets skyld valgt kompressorer av type I, men de kan alle endres til ekspandere av type I eller til kompressorer eller ekspandere av type II (uten endring av tilleggsveiens form) på grunnlag av hvad som fremgår av de ovennevnte fremstillinger. På hvert koblingsskjema er en inngangskiemme 10 vist forbundet med en utgangsklemme 11 via en hovedvei 12 og en tilleggsvei 13, samtidig som motstander RI og R2 kombinerer de to veiers bidrag i onsket forhold.

På fig. 1 omfatter filter-begrenseren en seriekapasitet Cl shuntet med en motstand R3, efterfulgt av en parallell'ren dannet av to dioder 14, som har passende forspenning (skjematisk antydet på fig. 1 ved batterier 15) og i sin tur efterfolges av en forsterker 16. Under forhold med lavt signalnivå passerer signalet motstanden R3 og forsterkes av forsterkeren 16 for dermed å gi et betydelig forsterket signal ved utgangen fra kompressoren.

Når signalnivået blir hoyt nok til å gjore diodene 14 ledende, inntrer to virkninger. For det forste blir inngangssignalet til og dermed utgangssignalet^fra forsterkeren 16 underkastet en begrensning hvorved tilleggsveiens bidrag synker i forhold til hoved-veiens. Det er på denne måte der skaffes en kompresjonskarakteristikk som forklart i de ovennevnte fremstillinger.

Den annen virkning består i at der dannes et CR-hdypassfilter ved hjelp av kapasiteten Cl og de ledende dioder 14. Tilleggsveien 13 blir derfor ikke lenger noen bredtbåndsvei. Den har hoypass-karakter, og ved egnet innbyrdes avpasning av komponentverdiene kan det sorges for at der ved hoye frekvenser fortsatt inntrer stoyreduksjon, men med reduserte stoymodulasjonsvirkninger fordi tilleggsveien ikke lenger har breitbånd-karakter.

På fig. 2 er diodene 14 erstattet med en felteffekttransistor 17, hvis motstand styres ved hjelp av signalet i tilleggsveien. Signalet forsterkes av en forsterker 18, likerettes av en likeretter 19

(den viste diode kan erstattes med en helbolge- eller bro-likeretter)

og glattes med en glattekrets 20.

Virkemåten er maken til den på fig. 1 forsåvidt som der dannes et hoypassfilter så snart signalet i tilleggsveien oker og felteffekttransistoren begynner å lede. På dette tidspunkt blir imidlertid den begrensning som kreves for å gi en resulterende kompresjonskarakteristikk, tilveiebragt av filteret, hvis grensefrekvens går oppover for å utelukke signaler med midlere og hoyere nivåer på en måte som allerede er forklart i de ovennevnte fremstillinger. Hva som er viktig å merke seg, er imidlertid at filteret på fig. 2 ikke virkelig foreligger ved lave nivåer, idet det får en grensefrekvens 0, og signaler med lavt nivå og likeledes likestromsignaler slippes frem av motstanden R3«

De meget enkle filterkoblinger på fig. 1 og 2 gir ikke tilstrekkelig sondring mot midlere og lave frekvenser under forhold meu hoyt signalnivå, da filterets avskjæringsvirkning bare opptrer med 6dB pr. oktav, og strommodulasjonsvirkninger derfor blir tilboyelige til å oppstå ved visse former for programstoff. Utforelsesformene på fig. 3 °g 4 gir en skarpere avskjæring og behover allikevel bare ett aktivt element i filteret.

På fig. 3 er der foran det lavpassfilter som dannes av kapasiteten Cl og felteffekttransistoren 17 anordn^ et fast hoypassfilter dannet av en kapasitet C2 og en motstand R4. R3 er stadig inn-koblet direkte mellom inngangsklemmen 10 og f eltef."ekttransistoren 17 for å bevare allpass-karakteristikken i hviletilstand. Den viste motstand R5 vil kunne unnværes og kan også kobles parallelt med felteffekttransistoren 17 istedenfor parallelt med kapasiteten cl som vist. Benyttes motstanden R5, vil den gL redusert overforing av lave frekvenser i forhold til hoye. Således er det f.eks. mulig å skaffe en stoyreduksjon ved lave og midlere frekvenser på bare 6d3, mens der fås 10d3 ved hoye frekvenser. Den minskede stoyreduks jon ved lave frekvenser er tilstrekkelig til å være av verdi, men ikke så stor at den kan forårsake problemer med brummingtsmodulasjon. På fig. 3 etterfolges forsterkeren lu av en klipper 21 til å eliminere sterke transienter som passere*- den foregående begrenser (som på grunn av glatte-filteret 20 virker syllabisk).

Kurvene på fig. 7 er opptatt ved en kobling som vist på fig.

3. De viser utgangsnivået som funksjon av frekvens for hvert sitt

inngangsnivå, sot. er avmerket på kurven. Ved et inngangsnivå av

-4-OdB kan det sed at tilleggsveien 13 har innfort en okning på 6dB

ved lavere og midlere frekvenser. Okningen stiger til 10dB ved hoye frekvenser. Ved ~30dB utgjor de tilsvarende okninger henholdsvis 6dB og 8dB. Ved -20dB fås en okning på omtrent 4 - 5dB over hele fre-kvensområdet, og ved -lOdB er okningen sunket til omtrent 2dB. Ved inngangsnivået 0 er okningen bare omtrent ldB ved lave frekvenser og mindre enn l/2dB ved hoye.

En uheldig side ved den virkemåte som er anskueliggjort på fig. 7» er at tilleggsveiens begrensende virkning ved lave og midlere frekvenser ikke er tilstrekkelig ved hoye nivåer. Nivåavvikelsen på

ldB eller deromkring ved hoye nivåer når tilleggsveien kobles på og av (stoyreduksjon på-av), kunne forårsake tvetydigheter med hensyn til nivå og standardisering. Hertil kommer at mange av de fordeler med hensyn til liten forvrengning og samlop som oppnås ved differential-teknikken hvor signalene ira en hovedvei og en tilleggsvei kombineres, er avhengig av begrensningsterskler ved lavt nivå og en sterk begrensningskarakteristikk ved hoye nivåer.

Den svake begrensningskarakteristikk ved lave frekvenser skyldes hovedsakelig styreforsterkerens lave forsterkning ved lave frekverser. Videre foreligger der et tap på tilnærmelsesvis 6dB i filter / besirenserriettverket ved lave frekvenser, noe som ytterligere bidrar til lav sloyfeforsterkning. En liten forbedring (omtrent 6dB

i sloyfeforsterkning) kan man oppnå ved å sloyfe R5. Full overforing blir vedlikeholdt ved lave frekvenser, noe som gjor situasjonen med hensyn til sloyfeforsterkning bedre. Imidlertid må utgangssignalet fra tilleggsveien da tilpasses med et korreksjonsnettverk (fig. 3a)>

sem benyttes istedenfor kompressor-addisjonsforsterkeren R2 på fig. 3» Det lar seg da gjore å oppnå den onskede okning på 6dB ved lave og midlere frekvenser i forbindelse med en myk overgang til den fulle

okning på 10dB ved hoye frekvenser.

Enhver videre okning i sloyfeforsterkning ved lave frekvenser ved endring av tidskonstantnettverket i styreforsterkerens eraitterkrets er uheldig fordi hoyfrekvensoverforingen i begrenser-filteret da vil få en tilbøyelighet til å influeres unodig av lavfrekvente signaler med derav folgende innforing av stoymodulasjonsvirkninger.

En annen mulighet for å skaffe en sterkere begrensningskarakteristikk ved lave og midlere frekvenser består i å oke impedansen av lavfrekvensveien som driver felteffekttransistoren. Med henvisning til fig. 3 kan man tenke seg R5 borte og R3 oket til en hoy verdi (idet begrenser-filteret mater en forsterker 16 med meget stor inngangsin-pedans). Ved meget lave frekvenser vil felteffekttransistoren 17 da være istand til å begrense signalet kraftig selv ved en beskjeden sloyfeforsterkning. Derimot blir R3 ved hoye frekvenser shuntet med seriekoblingen av Cl og R4, hvorved der fås en dal i responskarakteri-stikken i det midtre frekvensområde selv under tilstander med lavt signalnivå og ikke-ledende felteffekttransistor.

En måte å unngå senkningen i hviletilstand på er anskueliggjort på fig. 4» Den jordede side av R4 er tilsluttet utgangen fra en forsterker 22 som har stor inngangsimpedans og forsterkningsfaktor lik 1, og hvis inngangsside mates fra begrenserens utgang. Så lenge der ikke opptrer noen begrensningsvirkning, forhindrer tilbakekoblingen til R4 hovedsakelig ledning gjennom denne, d.v.s. at R4 virker som en meget hoy impedans, hvorved C2, R4 får en meget lav grensefrekvens, f.eks. 2Hz.

Under tilstander med lavt nivå (ingen virkning av felteffekttransistoren) slipper koblingen alle frekvenser igjennom med en for-sterkningsf aktor lik 1. Når felteffekttransistoren 17 begynner å lede, vil der oppstå et spenningsfall over R3 og Cl, hvorved spenningen på utgangsstedet 23 og ved den nedre ende av R4 avtar. Den effektive impedans av R4 vil da bli minsket, hvorved beta-overgangsfrekvensen for C2, R4 blir forskjcvet oppover.

Hvis stromkretskonstantene er passende proporsjonert, skulle det være mulig å skaffe en tilsiktet dal i kompressorens resulterende utgangsnivå i det midtre frekvensområde under tilstander med moderat begrensning, noe som ville virke i retning av å vedlikeholde stoyreduks jonsvirkningen ved lave frekvenser (brumreduksjon) og samtidig minske okningen i kompressorens forsterkning ved midlere frekvenser. Når begrensningen er meget sterk, blir koblingen tilboyelig til å vende tilbake til den på fig. 3, idet den nedre ende av R4 i hovedsaken kommer på jordpotensial ved lave og midlere frekvenser. Koblingen har således de ideelle egenskaper å skaffe en hvilken som helst onsket .grad av begrensning ved lave og midlere frekvenser under utnyttelse av lav sloyfeforsterkning, og samtidig vedlikeholde en flat frekvensrespons i hviletilstand.

Hvis det onskes, kan et nettverk som det på fig. 3a benyttes

i addisjonskretsen istedenfor R2 for å avpasse storrelsen av den opp-nådde minskning av lav- og middelfrekvent stoy.

Ved en annen modifikasjon ligger R3 parallelt med bare Cl istedenfor med Seriekoblingen av Cl og C2. Tilleggsveien får da stadig allpass-karakteristikk ved lave nivåer fordi den effektive impedans av R4 blir så ekstremt hoy ved lave nivåer at C2 og R4 til--sammen kan gi en grensefrekvens så lav som f.eks. 2Hz.

Selv om der dannes et nettverk med en dal midt i båndet

som antydet ovenfor, vil de foreligge en viss innbyrdes avhengighet mellom oppnådd grad av stoyreduksjonen ved lave og ved hoye frekvenser. Et arrangement som er mer effektivt, f.eks. for reduksjon av platestoy, er anskueliggjort på fig. 5, som viser en kobling med en tilleggsvei sammensatt av separate gren-reier 13 og 24 til å ta seg av henholdsvis hoyfrekvens- pluss midtbåndstoy og lavfrekvens- pluss midtbåndstoy. For å minske stoymodulasjonsvirkningene er det onskelig å utelukke

den ekstremt motsatte del av spekteret fra hver tilleggsvei, noe som man oppnår ved hjelp av et lavfrekvens-avvisningsfilter 25 i veien 13 og et hoyfrekvens-avvisningsfilter 26 i veien 24. Filtrene 25 og 26 kan f.eks. avvise frekvenser henholdsvis under 100Hz og over 2KHz.

Ved utgangene fra henholdsvis hoyfrekvens- og lavfrekvens-veiene 13 og 14 kan der da tilfoyes nettverk 27 og 28 for å gi en over hele spekteret jevn resulterende respons ved lavt nivå.

Komponentene av veien 24 har stort sett samme henvisnings-betegnelser som dun i veien 13 med tilfoyelse av en merkestrek. Bidragene fraveiene 13 og 14 adderes til det fra den direkte gjennomgående hovedvei 12 via nettverkene henholdsvis 27 og 28.

For å ta seg av lavfrekvensenden av spekteret er i veien 24 hoypassfilteret Cl, C2, R3, R4 i veien 13 erstattet med to seriein-duktiviteter LI og L2 med tillegg av en shunt-motstand R6 som forsterkeren 22' med forsterkningsfaktor 1 er tilsluttet. (Et mindre tilfredsstillende alternativ er å erstatte LI og L2 med motstander og erstatte Rb med en kapasitet).

Fig. 8 anskueliggjør virkemåten av koblingen på fig. 5» I hviletilstand kan f rekvensresponsen hos lavfrekvensveien 24 representeres ved kurven a og den hos hoyfrekvensveien 13 ved kurven b. Den jevne resulterende respons av kompressoren ved lave nivåer er vist ved kurve c. I nærvær av et midtbåndsignal alene får veiene 13 og 24 henholdsvis hoy- og lavpasskarakter, så det fås en karakteristikk som vist ved d. Er også en hovedsakelig lavfrekvent komponent tilstede, fås kurve e, og på lignende måte fås kurve f hvis enthovedsakelig hoyfrekvent komponent er til stede. Er begge disse komponenter til stede, fås kurve g...

Styrekretsforste.rkerne 18 og 18' har forsterkningsfaktorer som fortrinsvis okes ved henholdsvis lave og hoye frekvenser, noe som forer til bedret uavhengighet av de to veiers arbeide, for å unngå stoymodulasjonsvirkninger og også for å redusere muligheten for over-belastning av opptegningsmediet...

Fig. 6 viser en forenklet modifikasjon av fig. 5»hvor der benyttes en eneste tilleggsvei med lav- og hoy-passfilter-avdelingene i parallellkpbiing. Den samme uavhengighet i virkning er her ikke lenger mulig, men koblingen kan gi tilfredsstillende resultater i billige stoyreduksjonssystemer.

Det bor nevnes at begrensningsfilter kretser som dem der er vist på fig. 4, 5. og 6, kan benyttes i andre forbindelser enn i kompressorer og ekspandere av type I og II. Man kan tenke seg et vil-kårlig treklemmers impedansnettverk med en inngangsklemme en utgangs-.klemme tilsluttet en felteffekttransistor som på fig. 4 og en felles klemme tilsluttet utgangsklemmen via en tilbakekoblet forsterker med forsterkningsfaktor lik 1, igjen som på fig. 4.» Koblingens funksjon . i hviletilstanden blir å gi en forsterkningsfaktor lik 1. Koblingens egenskaper under forhold med ledende^ felteffekttransistor er bestemt ved det spesielle treklemmers nettverk som benyttes, men de endringer som oppnås, er storre enn dem-som normalt fås i forbindelse med et eneste styrbart element. Disse egenskaper kan være nyttige i konven-sjonelle hSytnivå-begrensere,-kompressorer og-ekspandere, hvor signalet fores gjennom en enkelt vei med variabel overforingskarakteristikk.

Claims (9)

1. Signalkompressor eller -ekspander, omfattende en direkte signalvei til å formidle et inngangssignal med linearitet innen et dynamisk område og en anordning til å kombinere utgangssignalet fra en ytterligere vei med signalene i den direkte vei for å styrke eller svekke disse, hvor den ytterligere vei får sitt inngangssignal fra enten inngangen til eller utgangen fra kompressoren eller ekspanderen og innbefatter en anordning til å begrense det nevnte utgangssignal samt et filter med variabel grensefrekvens til å begrense signaler som passerer gjennom den ytterligere vei, karakterisert ved at filteret er utfort for å ha hovedsakelig all-pass-karakteristikk under tilstander med lavt signalnivå og innbefatter en gren (17) med en variabel impedans som reagerer slik på et signalnivå i kompressoren, resp. ekspanderen, at filteret ved hoyere signalnivåer antar hoypass- eller lavpass-karakteristikk eller hoypass- pluss lavpass-karakteristikk.

2. Signalkompressor eller -ekspander som angitt i krav 1, karakterisert ved at filteret omfatter minst én seriegren (Cl, R3) efterfulgt av en"parallellgren som innbefatter en inn-retning (17) med en styrbar motstand som styres ved hjelp av en styre-krets (l8, 19, 20) som reaksjon på filterets utgangssignal for å minske motstanden når dette utgangssignal oker.

3. Signalkompressor eller -ekspander som angitt i krav 2, karakterisert ved at innretningen (17) med styrbar motstand er en felteffekttransistor.

4. Signalkompressor eller -ekspander som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at der foreligger en direkte serie-forbindelse (R3) fra den ytterligere veis inngang til den nevnte parallellgren.

5. Signalkompressor eller -ekspander som angitt i krav 4> karakterisert ved at filteret består av en forste reaktiv seriegren (C2), efterfulgt av en resistiv parallellgren (R4), efterfulgt av en annen reaktiv seriegren (Cl), som igjen er efterfulgt av en parallellgren som innbefatter innretningen (17) med styrbar motstand og en motstand (R3) i parallellkobling til seriekoblingen av de to reaktive grener.

<6>* Signalkompressor eller -ekspander som angitt i krav 5, karakterisert ved at de to reaktive grener er kapasitive grener (Cl og C2).

7. Signalkompressor eller -ekspander som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at filteret omfatter en forste seriegren (C2), efterfulgt av en forste parallellgren (R4),, efterfulgt av en annen seriegren (Cl), efterfulgt av en annen parallellgren, nemlig den gren som inneholder innretningen (17) med styrbar motstand, samtidig som utgangen fra filteret er tilbakekoblet til den forste parallellgren gjennom en forsterker (22) med forsterkningsfaktor omtrent lik 1, hvorved den impedans den forste parallellgren (R4) oppviser, blir oket betydelig når den annen parallellgren (17) er hovedsakelig ikke-ledende, men avtar suksessivt efter hvert som den annen parallellgren blir mer ledende. "

8. Signalkompressor eller -ekspander som angitt i et av krave-ne 1-6, karakterisert ved at den ytterligere vei omfatter to innbyrdes parallellkoblede grenveier (13, 24) hvis filtre antar henholdsvis hoypass- og lavpass-karakter ved hoyere signalnivåer.

9. Signalkompressor eller -ekspander som angitt i krav 7, karakterisert ved at filteret innbefatter to avsnitt (02, LI) i parallellkobling og minst én parallellgren (R4) tilsluttet utgangen fra forsterkeren med forsterkningsfaktor hovedsakelig lik 1, og de to avsnitt antar henholdsvis hoypass- og lavpass-karakteristikk ved hoyere signalnivåer.