NO157399B - Signalkompressor og samvirkende signalekspander for anvendelse i etsignaloverfoeringssystem. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt kretsarrangementer som endrer det dynamiske område av signaler, nemlig kompressorer som komprimerer dynamikkområdet og ekspandere som ekspanderer dynamikkområdet. Oppfinnelsen er særlig effektiv for behandling av audio- eller lydsignaler, men er også anvendelig på andre signaler.

Kompressorer og ekspandere blir normalt benyttet sammen (kompandersystem) for å bevirke støyreduksjon. Signalet blir da komprimert før overføring eller innspilling og ekspandert etter mottagning eller avspilling fra overføringskanalen. Kompressorer kan imidlertid benyttes alene for å redusere det dynamiske område, f.eks. for å

passe til kapasiteten til en overføringskanal, uten senere ekspansjon når det komprimerte signal er egnet for slutt-formålet. Dessuten blir kompressorer alene benyttet i visse produkter, særlig audio-produkter som er beregnet bare på å overføre eller innspille komprimerte radioprogrammer eller forinnspilte signaler. Ekspandere alene blir benyttet i visse produkter, særlig audio-produkter som er beregnet bare på å motta eller avspille allerede komprimerte radioprogrammer eller forinnspilte signaler. I visse produkter, særlig audioinnspillings- og avspillingsprodukter, blir en eneste anordning ofte utformet for omkoplingsbar drift som kompressor for å innspille signaler, og som ekspander for å avspille komprimerte radioprogrammer eller forinnspilte signaler.

Overføringskanaler er kjent å ha frekvensav-hengige karakteristikker. Frekvensspektret for mot-

tatte eller avspilte signaler blir følgelig endret, og når komprimerte signaler tilføres til en overføringskanal, forringes komplementær ekspansjon av signalene på grunn av overføringskanalens frekvenskarakteristikker.

I støyreduksjonssystemer av kompandertypen

krever komplementaritet ikke bare at ekspanderen har i hovedsaken den inverse karakteristikk av kompressoren,

men også at overføringskanalen mellom kompressoren og ekspanderen bevarer relative signalamplituder ved alle frekvenser innenfor båndbredden for komprimerte signaler.

Slik signalene mottas ved ekspanderen, kan endringer i de relative nivåer som er forårsaket av overføringskanalen, ikke skjelnes fra signalbehandling på grunn av kompressoren. Feil i overføringskanalen forårsaker således at de ekspanderte signaler er forskjellige fra inngangssignalene til kompressoren. Sådanne forskjeller kan være betydelige og hørbare avhengig av signalenes spektralinnhold. Med høye kompresjons/ekspansjonsforhold blir feil i overføringskana-len mer betydningsfulle. Som et typisk eksempel er den mest hørbare virkning ikke den direkte virkning på meget høyfre-kvente eller meget lavfrekvente signaler selv, men snarere modulasjonsvirkningen på signaler mellom båndbreddeyttergrensene som forårsakes av at de ekstremt høyfrekvente og lavfrekvente signaler ikke lykkes i å nå ekspanderen. For beskrivelsesformål vil denne virkning bli benevnt som mellom-bånd-modulasjonseffekten.

I bredbåndsekspandere vil en amplitudefeil ved den styrende frekvens fremtre i samme grad i alle andre deler av spektret. Dette kan muligens være akseptabelt, men kan også være uakseptabelt. Dersom de styrende frekvenser i glidebåndskompandere, slik som senexe beskrevet, befinner seg ved båndbreddeyttergrensene, blir feil ved sådanne frekvenser i hovedsaken multiplisert ved midtfrekvenser. (Omvendt, dersom de styrende frekvenser befinner seg ved midtfrekvenser, slik de vanligvis gjør, blir even-tuelle feil ved frekvensyttergrensene redusert. Dette er en fordel ved glidebåndskompandere.)

En "overføringskanal" slik den benyttes her, defineres å inneholde alle deler av systemet mellom en kompressor og en ekspander.

Når det dreier seg om støyreduksjonssystemer som registrerer komprimerte signaler på forholdsvis smal-båndede media, såsom magnetbånd med lav hastighet, f. eks. kompaktkassetter, er det særlig vanskelig å tilveiebringe nøyaktig, komplementær ekspansjon av de komprimerte signaler. Dette skyldes sådanne systemers manglende evne til å tilveiebringe en flat signalamplituderespons, særlig ved lave og høy frekvenser. Sådanne problemer eksisterer imidlertid også i profesjonelle kompressor/ekspander-systerner. Utilstrekkeligheten opptrer etter kompressoren og kan være forårsaket av opptakeren, båndet, avspillings-enheten eller hvilken som helst kombinasjon av disse, iberegnet båndbreddebegrensningsfiltre. I andre systemer, såsom FM- eller satellittkringkasting, opptrer på liknende måte feilene etter kompresjon i senderen, de kringkastings-signaloverførende media, mottakeren eller kombinasjoner av disse.

I praktiske kompressor-ekspander-systemer har

man funnet det nødvendig å innlemme filtre med skarp avskjæring foran kompressoren og foran ekspanderen. Filtrene er i det minste lavpassfiltre, men omfatter fortrinnsvis også høypass-seksjoner. Sådanne båndbegrensningsfiltre har hjørnefrekvenser ved kantene av eller utenfor systemets nyttige båndpassområde for ikke å begrense systembåndbredden. Sådanne filtre har flere funksjoner:

a) Dempning av hjelpebærebølge-komponentene og styretonen på 19 kHz som benyttes ved FM-kringkasting, for å unngå forspennings-"plys±retone"-svevninger (pipelyder) og feiltilpasning av kodings- og dekodings-støyre-duksjonsbehandlingskretsene. b) Dempning av båndopptakerens for-spenning som kan lekke i signalkretsene, for å unngå

koder/dekoder^feiltilpasning.

c) Dempning av høyfrekvens- eller overlydskom-ponentene i koder-inngangssignalet som ellers

kan resultere i hørbare intermodulasjons-produkter og/eller forspennings- "plystre-toner". d) Dempning av overlyds-båndstøy eller annen overføringskanalstøy på dekoderinngangen, for

å unngå koder/dekoder-feiltilpasning.

e) En signalbåndbreddedefinisjon for å fremme komplementaritet i responsen fra koderen/dekoderen .

Ved profesjonelle anvendelser er det ønskelig

å benytte et høyfrekvens-båndbreddebegrensningsfilter (f. eks. ved 20-25 kHz) og fortrinnsvis også et lavfrekvens-båndbreddebegrensningsfilter (f.eks. ved 20 Hz).

Dersom en ideell kanal eksisterer mellom koderen og dekoderen, bør strengt tatt inngangsfilteret til dekoderen frakoples da innbyggingen av dette i noen signal-situasjoner kan resultere i en svak ikke-komplementaritet (kodersignalet utsettes for ett-trinnsfiltrering, mens dekoderen utsettes for to-trinnsfiltrering). Fjerning av dekoder-inngangsfilteret er imidlertid ikke praktisk på grunn av ovenstående faktorer a) til e). Selv når det er en god kanal mellom koderutgangen og dekoderinngangen, resulterer derfor tilstedeværelsen av det meget nødvendige dekoderinngangsfilter (for beskyttelsesformål) under visse signalforhold i et ifølge sin natur ikke-komplementært system. Av denne grunn er det nyttig å betrakte ekspander-inngangsfilteret som en integrert del av overføringskanalen.

Det er et formål med oppfinnelsen å sørge for undertrykkelse av de ugunstige virkninger på komplementaritet i støyreduksjonssystemer av kompandertypen forårsaket av feil i overføringskanalens amplituderespons. Sagt med andre ord er det et formål med oppfinnelsen å sørge for undertrykkelse av de ugunstige virkninger på komplement taritet i støyreduksjonssystemer av kompandertypen forårsaket av feil i amplituderespons som opptrer mellom kompressoren og ekspanderen.

Det er et spesielt formål med oppfinnelsen å undertrykke ikke-komplementaritetsvirkninger ved meget høye (lave) frekvenser som frembringer hørbare virkninger ved midtfrekvenser (for å redusere mellombånds- eller midtbåndsmodulasjonseffekten).

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å undertrykke sådanne ugunstige virkninger i systemer i hvilke båndbredden av komprimerte signaler overskrider den båndbredde i hvilken overføringskanalens aplituderespons er forholdsvis flat.

Enda et formål med oppfinnelsen er å undertrykke sådanne ugunstige virkninger i lydbåndsystemer som benytter kompaktkassett eller andre båndbreddebegrensede media eller materialer, iberegnet lyddelen av videokasset-ter og videoplater.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å redusere den ikke-komplementære modulasjon av mellomfrekvenssignaler (f. eks. 500 Hz - 1 kHz eller der omkring) med lavt nivå når de er til stede sammen med signaler med meget høy frekvens (f. eks. ca. 10 kHz) i sådanne lydbåndsystemer.

Det er et ytterligere formål å redusere ikke-komplementære virkninger som innføres ved bruken av ekspan-derinngangsfiltre.

Enda et formål med oppfinnelsen er å redusere ovennevnte virkninger i glidebåndssystemer av den type som skal beskrives i det etterfølgende.

Frekvensbåndbredden av komprimerte signaler i båndbreddebegrensede systemer nærmer seg eller overskrider den brukbare båndbredde av innspillings/avspillings-over-føringskanalen, og sådanne systemer er derfor særlig føl-somme for feil i innspillings/avspillings-frekvensrespons, særlig i området for høyfrekvens- og lavfrekvens-bånd-flankene.

Det er to sider ved problemet: 1) Kompressor-utgangsbåndbredden kan overskride den båndbredde i hvilken innspillings/avspillings-responsen er forholdsvis flat i vedkommende komplette audioanordning, og 2) kompressor-utgangsbåndbredden for den anordning som ble benyttet ved fremstilling av forinnspilte bånd eller plater kan overskride den båndbredde i hvilken audioanordningens avspil-lingsrespons er flat.

Selv om feil teoretisk kan opptre hvor som helst

i spektret, slik som omtalt ytterligere nedenfor, er oppfinnelsen rettet på undertrykkelse av virkningen av feil ved systemets båndbreddeyttergrenser, særlig på undertrykkelse av de midtbåndsmodulasjonsvirkninger som forårsakes av sådanne feil.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en signalkompressor for anvendelse i et signaloverføringssystem i hvilket et komprimert signal tilføres til en overførings-kanal som på sin side er forbundet med en i signaloverførings-systemet samvirkende ekspander, idet kompressorens kompresjon styres på grunnlag av det tilførte signals frekvens- og amplitudenivå-karakteristikker, og kompressoren omfatter en kretsanordning med hvilken høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene av den nyttige båndbredde av det til kompressoren tilførte signal i hovedsaken utelukkes fra å styre kompressoren, hvilken kompressor er kjennetegnet ved at det er tilveiebrakt en kretsanordning som er innrettet til å dempe høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene også i det komprimerte signal og hvis karakteristikk inneholder en plutselig nedgang i det område i hvilket sig-naloverføringssystemets frekvensrespons er pålitelig, og som er så steil og så dyp som mulig uten at den resiproke karakteristikk som er nødvendig i ekspanderen for en overalt flat frekvensrespons, fører til en merkbar økning i støynivå,

slik at også innvirkningen av den usikre, relative signalamplitude-frekvensrespons i overføringskanalen mellom kompressoren og ekspanderen i høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene av den nyttige båndbredde av det til kompressoren tilførte signal, på signalet ved enden av over-føringskanalen hhv. på utgangen av ekspanderen er utelukket.

Ifølge oppfinnelsen er det også tilveiebrakt en signalekspander for anvendelse i et signaloverføringssystem i hvilket et komprimert signal tilføres til en overførings-kanal til hvis inngang det tilføres et komprimert signal med en i signaloverføringssystemet samvirkende kompressor ifølge oppfinnelsen, idet ekspanderens ekspansjon styres på grunnlag av det til ekspanderen tilførte signals nivåkarakteristikker, og ekspanderen omfatter en kretsanordning med hvilken høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene av den nyttige båndbredde av det til ekspanderen tilførte signal i hovedsaken utelukkes fra å styre ekspanderen, hvilken ekspander er kjennetegnet ved at det er tilveiebrakt en kretsanordning som hever høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene i det ekspanderte signal og hvis karakteristikk er resiprok til kompressorens kretsanordning som demper høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene i det komprimerte signal.

Oppfinnelsen, som er løsningen på midtbånds-modulasjonsproblemet, er ganske overraskende i sin enkelhet. Nærmere bestemt blir de signaler som behandles av kompressoren, utsatt for en plutselig høyfrekvens- (og/eller lavfrekvens-) nedgang med en hjørnefrekvens som ligger godt innenfor systemets brukbare passbånd, noe under (over) den frekvens ved hvilken overføringskanalen eller innspillings/avspillingsresponsen har vesentlige feil. Signaler som behandles av ekspanderen, blir fortrinnsvis utsatt for en komplementær forsterkning (boost), slik at det opprett-holdes en total, flat frekvensrespons. Dersom tap av total, flat frekvensrespons er akseptabelt, kan oppfinnelsen innbygges bare i kompressordelene av kompandersystemet.

I overensstemmelse med oppfinnelsen blir således en del (eller deler) av det signalspektrum i hvilket overføringskanalen eller innspillings/avspillingsresponsen har feil, dempet til et slikt nivå at den dempede del i det vesentlige utelukkes fra å styre kompresjonen og eks-pansjonen .

I overensstemmelse med oppfinnelsen blir spektral-innholdet av de signaler som behandles av kompressoren, endret eller skjevstilt ("spektralskjevstilling",. engelsk: "spectral skewing"), slik at kompressorvirkningen er vesentlig mindre følsom for påvirkningen av signaler utenfor den steile avrullings- eller nedgangsfrekvens (roll-off frequency).

En foretrukket utførelse av oppfinnelsen er å anbringe et passende filter (eller nettverk) i kompressor-inngangens signalbane (og fortrinnsvis et komplementært filter i ekspanderutgangens signalbane). Denne løsning foretrekkes på grunn av at den krever den minste mengde kretskomponenter og den virker ved alle signalnivåer.

Et ekvivalent arrangement er imidlertid å benytte to

filtre, ett i kompressorens styrekretsbane og det andre i kompressorutgangens signalbane. I ekspanderen anbringes på liknende måte ett filter i dennes styrekretsbane og det

andre filter i ekspanderinngangens signalbane. Ytterligere alternativer er mulige når det dreier seg om en dobbeltbanekompressor eller -ekspander (for eksempel som beskrevet i US-PS 3 846 719 og US-PS Re 28 426) : Et passende filter kan anbringes bare i inngangen til kompressorens sidebane for å påvirke begge de signaler som passerer deri-gjennom og også sidebanens styrekrets, eller det ekvivalente to-filter-arrangement kan benyttes der hvor et filter anbringes i sidebanens styrekretsbane og det andre i sidebanens signalutgangsbane.

I kompandersystemer er det kjent å tilveiebringe en avrulling ved høye frekvenser på systemets kompressor-side og å tilveiebringe en komplementær forsterkning (boost) på systemets ekspanderside for å redusere båndmetning for eksempel (US-PS 3 846 719, US-PS 4 072 914, "Bundfunktechn. Mi tte i lungen", årgang 22 (1978) H.2, pp. 63-74). Avrullingen er imidlertid myk og ikke tilstrekkelig til å avholde høy-nivåsignaler ved høye (lave) frekvenser i systemets usikre responsområde fra å påvirke kompressoren, slik det oppnås ved den foreliggende oppfinnelse.

Det er kjent fra ovennevnte publikasjoner å anbringe antimetningsfiltre på forskjellige steder i signalbanen, nemlig før og etter kompressoren/ekspanderen og innenfor kompressoren/ekspanderen, herunder samtidig i dens styrekrets. Det finnes således mange mulige beliggenheter for antimetningsfiltre i kompressor- og ekspandersignal-banene som vil tjene det formål å redusere de høyfrekvens-signaler som tilføres til innspillingsbåndet. Kretsanordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse må derimot anbringes mer nøyaktig da den er beregnet å påvirke kompressoren og følgelig ekspanderen ved å endre frekvensspektret for signaler som kompressoren behandler.

Selv om oppfinnelsen ikke er rettet på dempning av metningsvirkninger, vil den likevel i en viss grad bidra til å unngå båndmetning. Da imidlertid hjørnefrekvensen for den plutselige nedgang (drop-off) vanligvis er beliggende ved en frekvens over (under) det område i hvilket metning begynner

å opptre, behandles fortrinnsvis båndmetning ved hjelp av

andre midler, for eksempel som beskrevet i "Audio", mai 1981, pp. 20 - 26.

Slik som ved de kjente antimetningsarrangementer.,-, resulterer ikke oppfinnelsen i et tap av støyreduksjonsvirk-ning i det område i hvilket signalene dempes plutselig som funksjon av frekvensen. Hjørnefrekvensen for den plutselige nedgang for systemets øvre frekvensende ligger imidlertid ved en forholdsvis høy frekvens i det område i hvilket det menneskelige øre er mye mindre følsomt for støy. Med hensyn til benyttelse av oppfinnelsen ved systemets lavfrekvensende, er øret også mindre følsomt, og også der bør det være i hovedsaken ingen hørbar støy ved sådanne frekvenser i riktig konstruerte systemer, selv med redusert støyreduksjon.

Ved oppfinnelsen forventes spektral-skjevstilling bare ved høyfrekvens- og/eller lavfrekvensyttergrensene, da disse frekvenser i praktiske systemer er de eneste frekvenser ved hvilke overføringskanalens amplituderespons har vesentlige feil. En ytterligere grunn er at en forringelse av støy-reduksjonen kan aksepteres ved disse yttergrenser på grunn av det menneskelige øres respons.

Fra en artikkel i tidsskriftet "Wissenschaftlische Berichte AEG-TELEFUNKEN", vol. 52, nr. 1-2, 2. januar 1979, av D. Hoppner m.fl., med tittelen "Monolithisch integrierte NF-Kompander", pp. 97 - 104, er det kjent en signalkompressor som inneholder en kretsanordning for dempning av høye frekvenser i det komprimerte signal, i tillegg til at den i det vesentlige utelukker de lave frekvenser fra å styre kompressoren. Den kjente kretsanordning omfatter en filteranordning som utgjør et diskanthevningsnettverk, og en ytterligere filteranordning som utgjør et diskantsenkende nettverk som benyttes for å unngå båndoverbelastningsvirkninger ved høye frekvenser. Disse filteranordninger virker ikke i de høy-frekvente og/eller lavfrekvente yttergrenseområder og er anordnet for andre formål enn kretsanordningen i signalkompressoren ifølge oppfinnelsen.

I et annet kjent system blir et 12 dB/oktav-båndpassfilter med hjørnefrekvenser på ca. 20 Hz og 10 kHz benyttet i styrekretsen i et bredbåndet konsument-lydbånd-støyreduksjonssystem av kompandertypen (som selges under varemerket "dbx II"). Dette arrangement oppnår imidlertid ikke resultatene til den foreliggende oppfinnelse da det ikke er tilveiebrakt noe filter i signalbanen og et høy-frekvens- (lavfrekvens-) signal med høyt nivå over 10 kHz (eller under 20 Hz) forsterkes i overensstemmelse med nivået til hvilke som helst signaler som er til stede i styre-kretsens passbånd. Et sådant arrangement tilveiebringer derfor overdreven forsterkning av høynivåsignaler med høy eller lav frekvens (utenfor båndet fra 20 Hz til 10 kHz) når høyamplitudesignaler i båndet fra 20 Hz til 10 kHz ikke er til stede, hvilket resulterer i for sterk utstyring av overføringskanalen.

Det er også kjent i forbindelse med et video-s tøy reduksjonssystem (US-PS 3 846 719) å tilveiebringe et hakkfilter (notch filter) med variabel Q-verdi som reagerer på krominansnivå og som er sentrert på fargehjelpe-bærebølgefrekvensen, for å hindre krominanssignalene fra å strupe kompressoren og ekspanderen og således eliminere støyreduksjon ved frekvenser under fargehjelpebærebølgefre-kvensen. Filterets sentrum ligger således innenfor båndbreddeyttergrensene for signalene i systemet og innenfor den forutsigelige respons av systemets overføringskanal,

og har videre ikke som formål å overvinne innspillings/ avspillings-responsfeil, hvilket formål ligger til grunn for den foreliggende oppfinnelse.

Det er videre kjent å anordne lavpass-, båndpass-og høypassfiltre på 12 dB/oktav i sidebanene i dobbeltbane-kompressorer og -ekspandere (US-PS 3 846 719 og "Journal of the Audio Engineering Society", Vol. 15, nr. 4. oktober 1967, pp. 383-388). Disse filtre har imidlertid et helt annet formål, nemlig båndoppsplitting av støyreduksjons-virkningen i separate sidebaner, og påvirker ikke de øvre eller nedre frekvensyttergrenser av kompressorinngangssig-nalene.

De foran omtalte båndbegrensningsfiltre med skarp avskjæring har likeledes hjørnefrekvenser som med hensikt er anbrakt utenfor den brukbare systembåndbredde, da de ikke er beregnet å påvirke de øvre eller nedre frekvens-båndbreddeyttergrenser.

Tidligere er det blitt ansett som uønsket i vesentlig grad å endre frekvensspektret innenfor den brukbare systembåndbredde. Ved profesjonell innspilling anses det for eksempel for å være utenkelig å' anbringe hjørnefrekvensen for hvilket som helst øvre båndbegrensningsfilter under 20 kHz. Ved FM-kringkasting blir likeledes en øvre båndpass-grense på 15 kHz strengt opprettholdt gjennom alle lydbe-handlingstrinnene.

Selv om oppfinnelsen ikke er begrenset til benyttelse sammen med en spesiell type støyreduksjons-kompande-ringssystem og den vil forbedre virkemåten for alle typer av kompandere, deriblant bredbåndskompandere, er den særlig effektiv for bruk sammen med glidebånds-støyreduksjonssyste-mer. Eksempler på sådanne systemer finnes i US-PS Re 28 426 og US-PS 3 757 254. I sådanne kjente glidebåndskretser oppnås lydkompresjon eller ekspansjon ved høyfrekvens ved anvendelse av høyfrekvenshevning (for kompresjon) eller senk-ning (for ekspansjon) ved hjelp av et høypassfilter med en variabel nedre hjørnefrekvens. Etter hvert som signalnivået i høyfrekvensbåndet øker, glir filterhjørnefrekvensen oppover slik at det forsterkede eller reduserte bånd innsnevres og det brukbare eller nyttige signal utelukkes fra forsterknin-gen eller reduksjonen.

En virkning av usikkerheter i innsp Qlings/avspil-. lingsrespons i glidebåndsanordninger er den resulterende modulasjon av mellomfrekvenssignaler med lavt nivå når høyfrekvenssignaler i området for innspillings/avspillings-usikkerheter er til stede på kompressorinngangen. I dobbeltbane-glidebåndsanordninger av den type som er beskrevet i US-PS Re 28 426, kan denne virkning undertrykkes ved tilveiebringelse av den plutselige høyfrekvensnedgang i anordningens sidebane. Selv om en sådan konfigurasjon tilveiebringer den plutselige nedgang (drop-off) bare ved midlere og lave signalnivåer, er den tilstrekkelig til i det vesentlige å tilfredsstille formålet med oppfinnelsen i dobbeltbaneanordninger av både glidebåndstypen (US-PS

Re 28 426) og fastbåndstypen (US-PS 3 846 719).

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig. 1 - 4 er blokkskjemaer som viser alter-native anbringelser av spektralskjevstillingsnettverket eller -nettverkene ifølge oppfinnelsen, fig. 5 er en responskurve som viser generelt egenskapene til et høyfrekvens-spektralskjevstillingsnettverk og et komplementært de-skjevstillingsnettverk for benyttelse i en kassettbåndopptaker/gjengiver, fig. 6 viser den vanlige CCIR-støyavveiningskarakteristikk-kurve, fig. 7-10 viser representative responskurver for typiske kassettbåndopptakere/gjengivere, og fig. 11 - 16 viser representative kurver som er nyttige for forståelse av oppfinnelsen.

På fig. 1 - 4 er vist generaliserte blokkskjemaer for å illustrere de forskjellige steder hvor spektralskjevstillingsnettverk ifølge oppfinnelsen kan være beliggende.

På fig. 1, som viser den enkleste og foretrukne utførelse, er spektralskjevstillingsnettverket (med en lavfrekvens- eller høyfrekvensseksjon) eller -nettverkene (med både lavfrekvens- og høyfrekvensseksjoner) 2 beliggende i inngangssignalbanen , til en kompressor 4 hvis utgang er koplet til en overføringskanal N. På gjengivelsessiden av kanalen N virker en komplementær ekspander 6 på

det gjengitte signal og tilfører dette til ett eller flere valgfrie spektral-de-skjevstillingsnettverk 8 som har en karakteristikk eller karakteristikker som er komplementær/ komplementære til nettverket eller nettverkene i kompressor-inngangsbanen. Denne beliggenhet av nettverket er særlig fordelaktig der hvor kompressoren og ekspanderen hver inneholder to eller flere serieanordninger, slik som beskrevet i "Audio", mai 1981, pp. 20-26.

Fig. 2 viser en ekvivalent konfigurasjon som i praksis ikke foretrekkes da den er mer kompleks, krever ytterligere kretser og er mer kostbar, I denne ekvivalente konfigurasjon er ett eller flere spektralskjevstillingsnettverk 10 anbrakt i kompressorens 4 styrekrets, og ett eller flere ytterligere spektralskjevstillingsnettverk 12 i kompressorens signalutgangsbane. Dersom den valgfrie de-skjevstilling benyttes på gjengivelsessiden, er ett eller flere komplementære de-skjevstillingsnettverk 14 anbrakt i ekspanderens 6 signalinngangsbane, og ett eller flere spektralsk jevstillingsnettverk 10, som har samme karakteristikk som nettverket eller nettverkene 10 i kompressorens styrekrets, er anbrakt i ekspanderens 6 styrekrets. Karakteri-stikkene til nettverkene 10 og 12 kan være noe forskjellige fra karakteristikken til nettverket eller nettverkene 2 og fra hverandre for å oppnå de samme totale resultater som nettverket eller nettverkene 2. Denne observasjon gjelder også for nettverkene 14 og 10. Der hvor kompressoren 4 og ekspanderen 6 hver inneholder serieanordninger, slik som beskrevet i den nevnte "Audio"-artikkel, kreves (et) spektralskjevstillingsnettverk 10 bare i styrekretsen for den første kompressoranordning, og (et) nettverk 12 er beliggende bare i utgangsbanen for den første kompressorserie-anordning, og (valgfritt) (et) nettverk 14 bare i inngangs-banen til den siste ekspander-serieanordning med (et) nettverk 16 bare i dens styrekrets.

Fig. 3 og 4 illustrerer anbringelse av spektralsk jev.stillingsnettverkene i sidebanene i dobbeltbanekom-pressorer og -ekspandere. Sådanne kompressor- og ekspan-derkonfigurasjoner er velkjente i seg selv og skal derfor ikke beskrives i detalj. Det finnes imidlertid to hoved-former for den ytterligere bane N (20). Ett alternativ (fig. 7 og 8 i US-PS 3 846 719) er et filter etterfulgt av en styrt begrenser som bringes til å begrense gradvis, etter hvert som signalnivået stiger, ved hjelp av et likerettet og glattet styresignal. Et annet alternativ (US-PS Re 28 4 26) er et glidebånd-høypassfilter hvis passbånd innsnevres gradvis ved hjelp av styresignalet, slik at store signalkomponenter utelukkes fra filterets utgang. Fordel-aktige hjørnefrekvensverdier for de variable filtre ligger rundt 375 Hz i hviletilstanden, men får gradvis smalere høypassområde som reaksjon på styresignalet. Dobbeltbane-kompressorer og -ekspandere (enkeltstående eller i serie)

kan også benyttes i konfigurasjonene på fig. 1 og 2.

På fig. 3 er spektralskjevstillingsnettverket (eller nettverkene) 18 anbrakt i inngangssignalbanen til støyreduksjons-sidebanekretsen 20 i kompressoren 22 og (valgfritt) ekspanderen 24. På fig. 4 er en ekvivalent konfigurasjon vist i forbindelse med en kompressor 26 og en ekspander 27 av glidebåndstypen. I denne ekvivalente konfigurasjon er et (eller flere) spektralskjevstillingsnettverk 28 anbrakt i sidebane-styrekretsen 30 som styrer en frekvensvariabel avsats- (engelsk: shelf) eller glide-bånds-filterkrets 32. Et ytterligere spektralskjevstillingsnettverk 34 er anbrakt i sidebaneutgangen. De samme nettverk er valgfritt anbrakt i ekspanderens sidebane. Konfigurasjonene på fig. 1 og 2 foretrekkes fremfor konfigurasjonene på fig. 3 og 4 da de førstnevnte virker ved alle signalnivået og derfor også reduserer kanaloverbelastnings- eller båndmetningsvirkninger ved båndyttergrensen eller båndytter-grensene.

Selv om bare en eneste sidebane er vist på fig.

3 og 4, kan flere sidebaner benyttes, slik som i f.eks.

US-PS 3 846 719. Sidebanene kan videre være utformet slik at kompressorsidebanen har en tilbakekoplingskonfigurasjon og ekspandersidebanen har en fremoverkoplingskonfigurasjon, slik som f.eks. i US-PS 3 903 485. Der hvor serie-dobbeltbaneanordninger benyttes i en kompressor og en ekspander, såsom den type som er beskrevet i "Audio" mai 1981, pp. 20-26, er det tilstrekkelig å benytte et (eller flere) spektralsk jevstillingsnettverk i den første serieanordning i kompressoren og (valgfritt) i den siste serieanordning i ekspanderen, selv om konfigurasjonen eller utformingen på den foreliggende fig. 1 foretrekkes.

Spektralsk jevstillingskarakteristikkén har fortrinnsvis: a) En nedgangs-hjørnefrekvens (drop-off corner frequency) i det område i hvilket overførings-kanalens eller båndopptakerens respons, iberegnet ekspander-båndpassfilterets respons, er noen-lunde pålitelig, dvs. noe under (over) den frekvens ved hvilken overføringskanalens eller båndopptakerens respons er usikker eller begynner å falle av (roll off). b) En plutselig nedgang (drop-off) for å sørge for en veldefinert grense for de frekvenser som

styrer kretsen.

c) En veldefinert form etter nedgangen, slik at det tillates lettvint frembringelse av den resiproke

karakteristikk under gjengivelse eller avspilling, for å bibeholde den totale, flate frekvensrespons (dersom det ønskes).

d) En form som drar optimal fordel av den menneskelige hørsels støyfølsomhetskarakteristikk ved

lavt nivå, dvs. en frekvensresponsnedgang som er så steil og så dyp som mulig uten å innføre en merkbar økning i støynivå når den resiproke karakteristikk benyttes under avspilling.

Selv om spektralskjevstillingskarakteristikken effektivt reduserer støyreduksjonsvirkningen over (under) den skarpe hjørnefrekvens, vil den økede støy, dersom frekvensen ligger over ca. 8 kHz (eller under ca. 50 Hz), ikke være hørbar på grunn av det menneskelige øres respons på høy- eller lavfrekvent støy med lavt nivå, særlig dersom støynivået er ekstremt lavt slik det er når den foreliggende oppfinnelse benyttes i en båndinnspillings-kompander. Denne noe overraskende side ved oppfinnelsen er blitt bekreftet eksperimentelt.

Rettferdiggjørelse eller begrunnelse for denne behandling kan også finnes i formen på CCIR-støyavveinings-kurven som er vist på fig. 6. Kurven følger lavnivå-støyfølsomheten for det menneskelige øre. Det fremgår at følsomheten er lav ved lave frekvenser, og også faller meget raskt over en topp ved ca. 6 - 7 kHz. Det er således et redusert psyko-akustisk behov for opprettholdelse av en vesentlig støyreduksjon ved frekvenser over 8 -10 kHz. Dette er høyfrekvensmotstykket til støyreduksjonssystemers observerte evne til å tilveiebringe en subjektivt stor grad av støyreduksjon selv om de lave frekvenser kan være behandlet lite om de overhodet er behandlet. Godt ingeniør-arbeid kan eliminere brum" som ved kassettbåndinnspilling er den eneste lavfrekvenskilde som er subjektivt besværlig.

I profesjonelle . støyreduksjonssystemer, i

hvilke lavfrekvens-støyreduksjon tilveiebringes som en for-sikring mot uventede brumproblemer, er det vanligvis lite behov for noen støyreduksjon under den laveste brumkompo-

nent som med sannsynlighet vil bli påtruffet (dvs. 50 Hz).

Spesielt ved høyfrekvensenden av spektret

unngår eller erstatter ikke bruken av et spektralskjevstillingsnettverk et generelt båndbegrensningsfilter, iblant populært kjent som et"multipleksfilter" ("MPX"). Grunnene til dette er blitt gitt tidligere. Slik som diskutert,

har et båndbegrensningsfilter, vanligvis benyttet ved både innspilling og avspilling, flere funksjoner som bare er perifert beslektet med funksjonene i disse diskusjoner.

Ved koding og dekoding er det derfor ønskelig, selv når

det dreier seg om en ideell signalkanal, å ha både:

1) båndbegrensningsfiltre, og

2) spektralskjevstillings- og spektral-deskjev-stillingsnettverk.

Spektralskjevstillingsnettverket eller nettverkene

(2, 10, 12, 18, 28, 34) tilveiebringer en plutselig avsats,

dipp eller nedgang (shelf, dip or drop-off) som vist på

fig. 5. De strektegnede linjer er ment å vise at den ende-

lige høyfrekvens (lavfrekvens)-respons ikke trenger å være nøyaktig som vist med de heltrukne linjer.

En passende form for spektralskjevstillingsnettverket eller -nettverkene (2, 10, 12, 18, 28, 34) er et skarpt lavpass (høypass)-filter som har en helling på 18 dB/oktav og en hjørnefrekvens innenfor den hurtig fallende del av CCIR-støyavveiningskurven (fig. 6) og under (over)

den øvre grensefrekvens for overføringskanalen. En hjørne-eller grensefrekvens på ca. 8 - 10 kHz (50 Hz ved lavfrekvensenden) ville være egnet for en høykvalitets-båndspiller som har en brukbar, men usikker respons opp til rundt 15

kHz (eller 30 - 60 Hz ved lavfrekvensenden).

Nettverket kunne også anta formen av et avsatsnettverk (shelf network) med ca. et 10 dB minimumsnivå

(floor), slik som vist på fig. 5.

En annen passende form for nettverket er et hakkfilter (noten filter) med en senterfrekvens på ca. 16 kHz (20 Hz), en sådan Q-verdi at det oppnås en hjørnefrekvens på ca. 8-10 kHz, og en dybde på ca. 10 dB. Et dobbelt-avstemt (forskyvningsavstemt) hakkfilter kan også benyttes, særlig ved profesjonelle anvendelser, for å tilveiebringe et bredere, totalt hakk, idet det andre hakk er plassert en brøkdel av en oktav over det første hakk (f.eks. 1/3 oktav).

En dybde på ca. 10 - 15 dB er eksperimentelt blitt vist å eliminere midtbåndsmodulasjonseffekten i de vanske-ligste tilfeller. En dybde på så lite som 6 dB har imidlertid vist seg å medføre en vesentlig forbedring i midtbånds-modulas jonsef fekten, særlig når nedgangen (drop-off) er meget steil, såsom 18 dB pr. oktav.

Dersom en flat totalrespons ønskes, benyttes det samme nettverk og/eller komplementære nettverk 8, 10, 14, 18, 28 og 34 i gjengivelses- eller avspillingsdelen av systemet.

Idet det spesielt henvises til egenskapene for konsument-kompaktkassett-lydbåndopptakeranordninger og -av-spillingsanordninger, henvises det, for mer fullt ut å forstå oppfinnelsen, til fig. 7-9 som viser representative, målte høyfrekvenskurver ved inngangsnivåer som er tilstrekkelig lave til å unngå båndmetning for flere typiske kompaktkassett-opptakere. Fig. 10 viser representative høyfrekvensresponskurver ved flere inngangsnivåer for en annen typisk kompaktkassett-opptaker. Det fremgår at på fig. 7 faller opptakerresponsen raskt over 10 kHz. På fig. 8 er det en stigning i respons som starter ved ca. 10 kHz og har en utpreget topp ved ca. 17 kHz. Responsen på fig. 9 har en høyfrekvenstopp ved 15 kHz og et hurtig responsfall over denne frekvens. Responsen på fig. 10 for et nivå på -20 dB som unngår metning, er nesten ideell, idet den er i hovedsaken flat ut til 20 kHz. En så god respons er imidlertid sjelden.

Valget av en hjørnefrekvens på ca. 10 kHz for

et høyfrekvens-spektralskjevstillingsnettverk er således et godt valg for sådanne anordninger, da responskurvene på

fig. 7-10 viser at for nivåer under metning har en typisk opptaker med god innstilling liten ufullkommenhet i respons under 10 kHz. Spektralskjevstillingsnettverket vil følgelig sikre at det ved de fleste nivåer vil være i hovedsaken ingen nivåuoverensstemmelse i avspillings-styresignalet forårsaket av usikkerheter i respons ved ekstremt høye frekvenser. En hjørnefrekvens på ca. 10 kHz er et godt valg for sådanne anordninger på grunn av at denne frekvens dessuten ligger på den steilt fallende del av CCIR-støyavveiningskurven (fig. 6), og et visst tap av støyreduksjon således kan aksepteres av det menneskelige øre.

Ved valg av en passende hjørnefrekvens forlet spektralskjevstillingsnettverk kan konstruktøren velge tilnærmede frekvenser som er forskjellige fra 10 kHz basert på parametrene i hans system. Når det for eksempel dreier seg om en overføringskanal av høyere kvalitet, kan en høyere hjørnefrekvens være akseptabel. Når det gjelder kompaktkassett-anordninger av den type hvis karakteristikker er vist på fig. 7-10, kan en akseptabel høyfrekvens-hjørne-frekvens strekke seg fra ca. 8 kHz til kanskje 11 eller 12 kHz. Selv om videre et filter på ca. 18 dB/oktav er ønskelig for å sikre at høynivåsignaler med høy (lav) frekvens ikke styrer kompressoren, vil en nedgang eller et fall på så lite som 12 dB/oktav i hovedsaken oppfylle formålene med oppfinnelsen for de fleste signaler. Dempninger som er mye skarpere enn 18 dB/oktav, byr på vanskeligheter ved tilveiebringelse av komplementær de-sk jevstilling og er mer kostbare.

Den nødvendige filter-flankesteilhet avhenger del-vis av kompressorens følsomhet overfor signaler over filterets grensefrekvens. Som eksempel betraktes den dobbeltbåne-glidebåndskompressor som er vist i US-PS Re 28 426. I denne anordning benyttes høyfrekvens-forkorreksjon i kompressor-styrekretsen, slik at dersom et signal, f.eks. som vist på fig. 11, tilføyes til kompressoren (et slikt signal kan gene-reres av en bredbåndsslaglyd), forårsaker styrekrets-forkor-reksjonen at signalet har et energispektrum som vist på fig.

12. Det forkorrigerte signalspektrum har en topp. Etter likeretting tilveiebringer denne topp DC- eller likestrøms-styresignalet som styrer kompressorens glidebåndvirkning.

Fig. 13 illustrerer båndopptakerkanalens usikre frekvensresponser, vist for fire representative kompaktkassett-båndopptakere a, b, c og d. Virkningen av fig. 12 på spektret er å forårsake at fire forskjellige spektra er til stede i ekspanderens (dekoderens) styrekrets, hvilket resulterer i fire forskjellige likestrømsstyresignaler.

Det er tydelig at dette fører til feil ved dekoding.

I et sådant tilfelle forårsaker en ønskelig spektralsk jevstillingsnettverk-karakteristikk at ekspanderen (dekoderen) genererer det samme DC-styresignal i hvert tilfelle, slik som vist på fig. 15. En nettverkskarakteristikk som har en hjørnefrekvens ved ca. 10 kHz, slik som vist på fig. 5, er passende. Det skal bemerkes at nettverket ikke eliminerer glidningen av frekvensbåndet. I virkeligheten kan det være bare svakt redusert. Glidningen (eller kompresjonen, slik som i det båndsplittende system ifølge US-PS 3 846 719) blir imidlertid nå gjenvinnbar under avspilling.

Man bør være klar over at hovedformålet med oppfinnelsen fremgår av fig. 15, nemlig å sikre at den samme topp av AC-styresignalets spektrum er til stede i likeret-tingspunktet i både kompressoren og ekspanderen.

Med hensyn til glidebåndsystemer av den nettopp nevnte type, er spektralskjevstillingsnettverket særlig nyttig ved undertrykkelse av midtfrekvensmodulasjon som er forårsaket av at det i kompressoren er til stede høy-nivå-høyfrekvenssignaler som ikke gjenvinnes og tilføres til ekspanderen. Denne modulasjonseffekt, som opptrer meget sjelden i virkelige musikk-kilder, har sammenheng med glidebåndanordningens grunnleggende operasjon med ufullkomne signalkanaler: Et fremherskende signal styrer effektivt glidebåndfrekvenskarakteristikken og kan forårsake hørbare effekter når dette signal befinner seg ved

en høy frekvens som ikke gjenvinnes ved avspilling. Når dette fremherskende signal ligger på en høy frekvens,

I

vesentlig over frekvensen for et lavnivå-midtfrekvens-r signal, er midtfrekvensmodulasjonseffekten hørbar dersom høyfrekvenssignalet er intermitterende, slik som ved slag-lyder, f.eks. sammenslåtte bekkener, og ikke blir gjengitt med det samme nivå av båndopptakeren. I dette tilfelle er midtfrekvenssignalene modulert i amplitude, selv etter dekoding, da høyfrekvenssignalet forårsaker at glidebånd-frekvensresponsen varierer uten komplementær ekspansjon i avspillingsdekoderen. Det skal bemerkes at denne effekt dypest sett ikke er noen båndmetningseffekt. Den kan forårsakes av unøyaktig forspenning og utjevning eller av gap- eller spaltetap, dårlig asimut og liknende. Det er imidlertid klart at effekten vil være verre dersom det også er metning i styrefrekvensområdet.

Dette problem med midtfrekvensmodulasjonseffekter ved lavt nivå kan forstås bedre ved henvisning til fig. 16 som viser resultatene når en rekke probetonekurver som benytter et 15 kHz signal ved nivåer fra 0 til -^60 dB og under, og en sveipende lavnivå-probetone ved -65 dB innspil-les og avspilles på et glidebåndsystem.

Det vil innses at når et dominerende 15 kHz

signal øker i amplitude fra -60 dB til f.eks. -50 dB,

endres utgangssignalet fra kompressoren med ca. 2 dB.

Denne endring på 2 dB må bevares nøyaktig i innspillings-prosessen på grunn av midtfrekvensdynamikkens avhengighet av dette dominerende signal (en endring på ca. 10 dB frem-bringes i området rundt 1 kHz). Enhver feil i avspillings-

I

styrefrekvensområdet blir således vesentlig multiplisert i midtfrekvensområdet.

Dersom et støyreduksjonssystem behandler lave frekvenser, vil det være en tilsvarende virkning eller effekt ved lave frekvenser. Ekstremt lavfrekvent rummel i inngangssignalet til kompressoren kan påvirke kompressorkretsene, Dersom opptakeren ikke gjengir rummelkomponentene, vil sig-nalmodulasjonseffekter på ekspanderutgangen være åpenbare.

Claims (7)

1. Signalkompressor for anvendelse i et signalover-føringssystem i hvilket et komprimert signal tilføres til en overføringskanal som på sin side er forbundet med en i signaloverf©ringssystemet samvirkende ekspander, idet kompressorens kompresjon styres på grunnlag av det tilførte signals frekvens- og amplitudenivå-karakteristikker, og kompressoren omfatter en kretsanordning med hvilken høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene av den nyttige båndbredde av det til kompressoren tilførte signal i hovedsaken utelukkes fra å styre kompressoren, KARAKTERISERT VED at det er tilveiebrakt en kretsanordning (2; 12; 18; 34) som er innrettet til å dempe høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene også i det komprimerte signal og hvis karakteristikk inneholder en plutselig nedgang i det område i hvilket signaloverførings-systemets frekvensrespons er pålitelig, og som er så steil og så dyp som mulig uten at den resiproke karakteristikk som er nødvendig i ekspanderen for en overalt flat frekvensrespons, fører til en merkbar økning i støynivå, slik at også innvirkningen av den usikre, relative signalamplitude-frekvensrespons i overføringskanalen mellom kompressoren og ekspanderen i høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene av den nyttige båndbredde av det til kompressoren tilførte signal, på signalet ved enden av overføringskanalen hhv. på utgangen av ekspanderen er utelukket.

2. Signalkompressor ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at kretsanordningen for dempning av høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene også i det komprimerte signal består av minst ett nettverk (2) i kompressorens inngangssig-nalbane, slik at anordningen demper høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene samtidig i det komprimerte signal og i hovedsaken utelukker disse fra å styre kompressoren .

3. Signalkompressor ifølge krav 1, omfattende en hovedsignalbane som er lineær med hensyn til dynamikkområde, en kombinasjonskrets i hovedbanen, og en ytterligere bane hvis inngang er forbundet med hovedbanens inngang eller utgang og hvis utgang er forbundet med kombinasjonskretsen, idet den ytterligere bane tilveiebringer et signal som hever hovedbanesignalet via kombinasjonskretsen, men som imidlertid er begrenset til en verdi som er mindre enn hovedbanesignalet, \ KARAKTERISERT VED at kretsanordningen for dempning av høyfrek-vens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene også i det komprimerte signal omfatter minst ett nettverk (18) som er beliggende i inngangssignalbanen til den ytterligere bane, slik at den samtidig demper høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene i den ytterligere banes signal og i hovedsaken utelukker disse fra å styre kompressoren.

4. Signalkompressor ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED at kretsanordningen oppviser minst ett bånd-stoppnettverk som er slik anordnet at høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene dempes.

5. Signalkompressor ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at båndstoppnettverket består av en frekvensfelle i høyfre-kvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdet.

6. Signalkompressor ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at båndstoppnettverket består av et avsatsnettverk i høy<L >frekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdet.

7. Signalekspander for anvendelse i et signalover-føringssystem i hvilket et komprimert signal tilføres til en overføringskanal til hvis inngang det tilføres et komprimert signal med en i signaloverføringssystemet samvirkende kompressor ifølge ett av kravene 1-6, idet ekspanderens ekspansjon styres på grunnlag av det til ekspanderen tilførte signals nivåkarakteristikker, og ekspanderen omfatter en kretsanordning med hvilken høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene av den nyttige båndbredde av det til ekspanderen tilførte signal i hovedsaken utelukkes fra å styre ekspanderen, KARAKTERISERT VED at det er tilveiebrakt en kretsanordning (8; 14;

18; 34) som hever høyfrekvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene i det ekspanderte signal og hvis karakteristikk er resiprok til kompressorens kretsanordning som demper høyfre-kvens- og/eller lavfrekvens-yttergrenseområdene i det komprimerte signal.