SE447525B - Kompressor, expander samt brusreduceringsanleggning innefattande en kompressor och en expander - Google Patents

Description

10 15 20 30 35 40 f447 525 2 expandern. Alternativt kan-dämpningskretsen placeras före kompres- sorn och höjningskretsen efter expandern. En nackdel med alla me- toder av detta slag är att signaler av samtliga nivåer utsättes för samma dämpning (och efterföljande höjning), vilket medför en betydande minskning av den uppnådda brusreduceringen. I nyssnämnda artikel i "Rundfunktechn. Mitteilungen“ framkastas att denna för- sämrade brusreducering kan tolereras om brusreduceringens stor- lek utan metoder av detta slag är så hög som 20 dB. Detta är dock endast delvis korrekt. I praktiken sträcker sig mättningseffekter- na hos magnetband, speciellt vad gäller vissa kompaktkassettband, så långt ned som till 2 kHz och den korrektionsändring som erford- ' ras för beaktande av detta medför en betydande ökning av hörbart brus.

Försök till eliminering av detta problem har skett genom att göra dämpnings- och höjningskretsarnas frekvensgång nivåberoende (US-PS 4 072 914). För dåmpningskretsen är fallet snabbare vid höga nivåer än vid lägre. För höjningskretsen är höjningskurvan likaså brantare vid höga nivåer än vid låga. En nackdel med denna lösning år den åtföljande ökningen av kretskomplexiteten.

I den ovan nämnda artikeln återfinnes även ett förslag att placera en högfrekvenshöjningskrets framför styrkretsen för både kompressorn och expandern, men det nämns även att den resulterande dämpningen endast är märkbar inom det medelhöga signalområdet, under det att det är önskvärt att verkan främst erhålles vid höga nivåer. I videoinspelningsanläggningar kan högfrekvensmättnings- problem förorsakas av den vid inspelningen använda frekvensberoen- de nivåhöjningen. Ett liknande problem förekommer vid FM-radio- sändningar.

Ett ändamål med uppfinningen är således att frambringa en bättre lösning till de ovan diskuterade problemen, nämligen en lösning som är både enkel och effektiv. Även om det ej diskuterats i samband med känd teknik förelig- ger ett relaterat problem däri, att lågfrekvenskorrektion (dämp- ning i kompressorn och höjning i expandern) är önskvärd om kom- pression och expansion förekommer även vid låga frekvenser. Dylik, vid låga frekvenser företagen kompression och expansion är till nytta vid reducering av brumstörningar och kan uppnås under använd- ning av bredbandiga kompressorer och expandrar eller av kompresso- rer och expandrar med kretsar som arbetar oberoende vid låga och höga frekvenser. Vid låga frekvenser är det huvudsakliga syftet 10 15 20 25 30 35 40 3 447 525 med korrektionen att motverka verkan av den 3180 ps (+ 3 dB vid 50 Hz) inspelningshöjning som finns inbyggd i många bandspelare och som ger upphov till problem avseende måttníng av bandet vid låga frekvenser, exempelvis vid orgelmusik.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att möjliggöra att den erforderliga korrektionen även kan utföras vid låga frekvenser om så erfordras.

Ett ytterligare ändamål är att öka den övre gränsen och där- med dynamikområdet hos ett för mättning utsatt inspelningsmedium.

Uppfinningen utgår från en kompressor eller en expander inne- fattande en huvudsignalbana som är linjär med avseende på dynamik- området, en i huvudbanan belägen kombinationskrets, och en ytter- ligare bana, som har sin ingång förbunden med huvudbanans in- el- ler utgång och sin utgång med kombinationskretsen, vilken ytterli- gare bana via kombinationskretsen avger en signal som åtminstone inom en övre del av frekvensbandet höjer eller motverkar huvudba- nans signal men som är begränsad så att den, inom övre delen av íngångsdynamikområdet, är mindre än huvudbanesignalen.

Den övre delen av frekvensbandet sträcker sig typiskt från ett värde på några hundra Herz, säg 300-400 Hz, men även ett högre värde kan användas. I den övre delen av insígnalens dynamikområde, exempelvis från -10 dB till +10 dB relativt en referensnivå, är signalen i den ytterligare banan liten jämfört med huvudbanans signal.

Kompressorer och expandrar av detta slag är välkända och all- mänt använda; exempel härpå beskrives i US-PS 3 846 719, US-PS 3 903 485 och US-PS Re 28 426. De kan benämnas kompressorer och expandrar av dubbelbanetyp. Den ytterligare banans signal hö- jer huvudbanans signal i kompressorn men sänker eller motverkar huvudbanans signal i expandern. En konfiguration benämnd typ I (se exempelvis US-PS 3 046 719) används vanligen vid audioapplika- tioner och en konfiguration benämnd typ II (se exempelvis US-PS 3 903 485) vanligen vid videoapplikationer.

I kompressorfallet är enligt uppfinningen en frekvensberoende krets inkopplad enbart i huvudbanan och förorsakar en sänkning av frekvenskurvan inom den del av frekvensbandet som är utsatt för mättning.

I expanderfallet är enligt uppfinningen en frekvensberoende krets inkopplad enbart i huvudbanan och förorsakar en höjning av frekvenskurvan inom den del av frekvensbandet som är utsatt för 10 15 20 25. 30 35 40 447 525 mättning. _ Denna i huvudbanan belägna frekvensberoende krets är inkopp- lad mellan den ytterligare banans utgångspunkt och kombinations- kretsen, såväl i kompressorerna som expandrarna och såväl vid typ I- som typ II-konfiguratíoner.

Uppfinningen avser även en fullständig brusreduceringsanlägg- ning med i efterföljande krav angivna särdrag.

Nämnda för mättning utsatta del av frekvensbandet är vanligen den allra övre delen - dvs svarande mot det i varje praktiskt fall givna övre värdet, vare sig detta är 15 kHz, 20 kHz eller något annat värde vid audíofallet eller exempelvis 4-6 MHz vid videofallet.

Vid en vidareutveckling för audio av föreliggande uppfinning, varvid kompressorn eller expandern arbetar även vid låga frekven- ser, förorsakar den frekvensberoende kretsen ett fall (kompressor) eller en höjning (expander) i frekvenskurvan även inom den nedre delen av audiofrekvensbandet (exempelvis från omkring 100 Hz och ned mot bandets lägsta värde, som typiskt ligger i närheten av 20 Ilz).

Uppfínníngen beskrives närmare nedan i form av några utfö- ringsexempel och under hänvisning till bifogade ritning.

Fig. 1 visar en representativ frekvensgång för en kassettbandspe- lare. Pig. 2 är en för förklaringsändamål visad karakteristisk Fig. 3 är ett blockschema för en utföringsform av upp- i samband med kompressorer och expandrar av typ I.

Fíg. 4 är ett blockschema för en utföringsform av uppfinningen i samband med kompressorer och expandrar av typ II. Pig. 5 är ett blockschema för en utföringsform av uppfinningen i samband med en dubbelstegs-kompanderanläggning för magnetbandinspelningar.

Problemet med högfrekvensmättníng är gemensamt för alla in- spelningsanordningar för magnetband och för optisk inspelning på film. Problemet kan även uppträda vid diskanthöjda inspelnings- och överföringssystem av många slag, däri inbegripet FM-radiosys- tem. Även om problemet är mest uttalat vid bandspelare arbetande vid låg hastighet, speciellt när billiga bandtyper används, påver- kar det möjligheten till inspelning av höga nivåer även i högkva- litativa, professionella inspelningsanordningar för magnetband och optisk inspelning. Inspelningsmediet registrerar således icke korrekt påtryckta högnivåiga högfrekvenssignaler. Den väsentligas- te hörbara effekten härav är intermodulationsdistorsion och en kurvskala. finningen 10 20 25 50 35 40 5 447 525 reducering av inspelningens högfrekvenshalt. I samband med före- liggande uppfinning är dylik mättning emellertid speciellt oönskad, eftersom den vid vissa kombinationer av signalnivàer och frekven- ser omintetgör expanderns återgivníngskomplementaritet. Expandern kommer således att avkoda avspelningssignalen felaktigt i en ut- sträckning som beror på mättningsgraden. Den väsentligaste hörbara effekten består vanligtvis av en överdrivning av högfrekvensför- lusten i expandern men kan även inbegripa falsk modulering av mitt- frekvenssignaler.

Den visade utföringsformen betraktas i främsta rummet i sam- band med kassettbandspelare (för inspelning/avspelning) även om uppfinningen likaså kan tillämpas vid professionell inspelning på kvalitetsband, vid optisk inspelning på film och vid inspelnings- och transmissionssystem i allmänhet.

Pig. 1 visar frekvensgângen för en kassettbandspelare (för "Compact Cassettes") av bättre typ än genomsnittet. Vid en inspel- ningsnivå av -20 dB är frekvensgângen i huvudsak flat till 20 kHz.

Vid kraftigare ínspelníngsnivåer blir verkningarna av högfrekvens- mättning av bandet uppenbara och förorsakar ett högfrekvensfall vid en inspelningsnivå av 0 dB. Typiska kassettenheter uppvisar väsentligt större mättningseffekter.

Det enklaste sättet att reducera ovanstående mättningseffekt är att förändra inspelningskorrektionen på sådant sätt att bandet inte drivs så hårt inom det frekvensområde där mättningen medför problem. Avspelningskorrektionen ändras därvid på komplementärt sätt. Vid kassettinspelningar kan dessvärre mättningseffekterna sträcka sig ned till så låga frekvenser som 2 kHz eller såsom an- tyds i fig. 1. Den erforderliga ändringen av korrektionen skulle således resultera i en märkbar höjning av hörbart brus.

Den nedan beskrivna kretsen tillåter effektiv reducering av högfrekvensmättningen utan att någon väsentlig uppoffring behöver ske med avseende på brusreducering inom det behandlade frekvens- området. Samma metod kan användas för att reducera lågfrekvent banddistorsion när ett hela frekvensområdet täckande hrusreduce- ringssystem används. Observera speciellt att vid en med dubbla banor försedd kompressor- eller expanderkrets, så härrör kretsens utsignal vid mycket låga signalnivåer till större delen från den extra eller ytterligare banan, dvs brusreduceringsbanan. Vid en dylik anordning med en dynamisk verkan på 10 dB uppgår de relativa bidragen från huvudbanan och brusreduceríngsbanan till 1 resp. 10 15 20 25 30 35 447 525 6 2,16. Vid höga sígnalnivåer blir de båda banornas roller ombytta; huvudbanan tillhandahåller den dominerande signalkomponenten, och bidraget från den andra banan är försumbart.

Mättníngs- eller distorsionsreduceringseffekten baserar sig på ovanstående observationer. En korrektionskrets som ger den er- forderliga reduceringen av hög- eller lågfrekvensdrivningen place- ras i kompressorns huvudbana. Såsom framgår av fig. 2, som åskåd- liggör funktionen av en krets för reducering av högfrekvensdistor- sionen, erhålles vid höga signalnívåer i huvudsak full korrek- tionsverkan med åtföljande reducering av högfrekvensmättningen.

Vid låga signalnivåer reduderas emellertid korrektionsverkan ef- tersom bidraget från brusreduceringsbanan blir av betydelse. Om exempelvis anti-mättningsnätet ger så mycket som 12 dB dämpning vid en viss frekvens, erhålles - bortsett från fasöverväganden - att verkan vid låga nivåer blir 0,25 X 1 + 2,16 = 2,41 = 7,6 dB Således erhålles en minskning på 12 dB i den högnivåiga inspel- ningsdrivningen för en brusreduceríngsförlust av 2,4 dB. Så kraf- tig distorsionsreducering erfordras enbart vid de högsta frekven- serna, exempelvis_vid 15 kHz. Vid lägre frekvenser blir den erfor- derliga mättningsreduceringen lägre, med motsvarande lägre för- lust av brusreduceringsverkan. Vid låga frekvenser är det främsta syftet att motverka inverkan av den i många bandspelare inbyggda inspelningshöjningen om 3180 Ps (+3 dB vid S0 Hz) som ger upphov till problem avseende bandmättning vid låga frekvenser, exempel- vis vid orgelmusik, såsom redan nämnts.

Vid audioapplikationer kan fordringarna på ett lämpligt anti- -mättningsnät bestämmas på följande sätt. Den maximalt användbara utnivån från bandet, filmens optiska ljudregistrering, FM-kanalen e.dyl. bestämmes vid låga och medelhöga frekvenser samt vid högre frekvenser upp till den högsta frekvensen av intresse. Den erhåll- na kurvan över maximal utnivå jämföres med en kurva över energi- fördelningen som funktion av frekvensen för normalt förekommande musik och tal. En dylik energifördelningskurva återfinnes i "Journal of Audio Engineering Society", Vol. 21, No. 5, juni 1973, sid. 357-362. Differensen mellan de båda kurvorna utgör en indi- kation på de erforderliga anti-mättningsegenskaperna vid höga ni- våer. Efter det att dessa egenskaper fastlagts, skall de resulte- rande kompressionskurvorna kontrolleras i syfte att fastställa 10 15 20 25 7 447 525 huruvida anti-dämpningsnätet gett upphov till en ökning av kom- pressíonsförhållandet vid någon frekvens eller nivå. Om detta är fallet, kan lämpliga ändringar företagas av brusreduceringsbanans karakteristiska gränsdata och/eller också kan, om flera kaskad- kopplade kompressorer (eller expandrar) används, anti-mättnings- kurvan fördelas över anordningarna.

Liknande överväganden gäller vid videoanordningar. I video- bandspelare används ofta högfrekvenshöjning, vilket kan ge upphov till problem avseende FM-övermodulering. Uvermoduleringstendensen hos ett visst inspelningssystem kan mätas och lämplig grad av antimättning införas. Om användning sker av kompressorer och ex- pandrar av de ovan nämnda typerna I och II, tillkommer en ytter- ligare övermoduleringstendens alstrad av små översvängningar (några procent) från kompressorerna. Dessa översvängningar kan kompenseras med föreliggande uppfinning. (Även i audíosystem finns en tendens att kompensera översvängningar). Även om det är möjligt att arbeta enbart med anti-mättnings- nätet i kodningsenheten, är det att föredraga att en komplementär korrektion införes vid återgivningssidan så att flat frekvensgång upprätthålles vid alla nivåer. Följande analys visar typen av er- forderlig korrektion.

Betrakta fig. 3, som visar dubbelbaníga kompressor- och ex- panderuppbyggnader enligt typ I, och låt x vara kompressorns in- signal, y signalen i informationskanalen och z expanderns ut- signal. Låt F1 och FZ vara överföringsfunktionen för kompressorns resp. expanderns ytterligare bana, och låt FAS vara anti-mätt- ningsnätets överföringsfunktion. Låt F'AS vara avkodarens erfor- derliga kompenseríngsfunktion.

V = (FAS * F13* och Z = VIN/as ' ZFzFAs alltså z = ï:A§fA§-:-ÉlÉLê§- 1 * FZWAS X 1 ïšš' En motsvarande härledníng kan genomföras för den i fig. 4 Undersökning visar att z = x om P1 = FZ och F'AS = visade uppbyggnaden enligt typ IT: 10 15 20 25 30 35 447 525 3 y = FASX + F1FASy och z = F'ASy - Fzy (F' -Fl alltså z = -ï-A§--2- X AS J..

FAS' Ovanstående visar icke endast att de båda brusreduceringsnä- ten skall vara identiskt lika, vilket är känt från sökandens tidi- gare konstruktioner, utan även att avkodarens anti-mättningsnät skall uppvisa en karakteristik som är invers mot det i kodaren an- vända nätet. Enkla korrektioner kan uppnås med passiva nät, såsom RC-kombinationer, under det att återkopplingsmetoder kan utnytt- jas vid mer komplicerade korrektioner, speciellt för uppnående av de i avkodaren erforderliga inversa egenskaperna.

I fig. 5 visas ett blockschema där föreliggande uppfinning används i en tvåstegsanordning av typ I, främst för användning Undersökning visar att z = x om F1 = FZ och F'As = vid magnetisk in- och avspelning.

I den visade utföringsformen används kaskadkopplade kompres- sorer 52 och 54 i och för uppnående av kraftigare kompression samt motsvarande expandrar 56, 58. Uppfinningen är tillämpbar även vid enstegiga, med tvâ banor försedda kompressorer och expandrar. Var- dera kompressorn har en huvudbana 10 med en kombinationskrets 12, som till huvudbanan adderar utsignalen från den ytterligare banan NI, NZ, vars ingång är förbunden med ingången till motsvarande huvudbana. Expandrarna är försedda med huvudbanor 14 och kombina- tionskretsar 16, vilka från huvudbanesignalen subtraherar utsigna- len från den ytterligare banan NZ, N1, vars ingång är förbunden med motsvarande huvudbaneutgång.

Dylíka kompressor- och expanderuppbyggnader är i och för sig välkända och kommer därför icke att beskrivas i detalj. Emellertid finns tvâ huvudformer för den ytterligare banan N1 eller N2. Ett alternativ (fig. 7 och 8 i US-PS 3 846 719) utgöres av ett filter följt av en styrd begränsare, som av en likriktad och glättad sig- nal bringas att utföra en tilltagande begränsning när signalnivân ökar. Det andra alternativet (US-PS Re ɧ'426) utgöres av ett styr- bart högbandpassfilter, vars passband göres gradvis smalare av styrsignalen så att stora signalkomponenter utesluts från filtrets utsígnal, vilket företrädesvis ligger i serie med ett fast högpass- 10 15 20 25 30 35 40 9 447 525 filter. Gynnsamma gränsfrekvensvärden för de styrbara bandfiltren ligger omkring 375 Hz i vilotillstånd men blir gradvis av smalare högpasskaraktär som gensvar på styrsignalen.

De första och andra kompressorerna 52 och 54 är vardera för- sedda med huvudsignalkomponenterna påverkande anti-mättningsnät 74, 76 av hög- och/eller lågfrekvenstyp (och/eller någon annan viss frekvens eller frekvensområde). På avspelningssidan om band- spelaren T har de första och andra expandrarna 56, 58 komplemen- tärt utformade nät som påverkar huvudsignalkomponenterna. Alterna- tivt kan dylik kompensation förefinnas enbart i den ena kompres- sorn och enbart i motsvarande expander. Kompensationen kan exem- pelvis ha formen av ett svagt högfrekvensfall i kodaren (kompres- sorn), vilket tilltar vid mycket höga frekvenser, exempelvis över 10 kHz, samt en komplementär höjning i avkodaren (expandern).

Eftersom reduceringen av högfrekvensöverbelastning av kana- len endast utföres på huvudsignalkomponenterna, kommer lågnivå- komponenterna i sidokanalerna icke att påverkas, och således inverkar överbelastníngsreduceringen inte i någon högre grad på brusreduceringen. Följaktligen kan kanalöverbelastningsreducering- en sträcka sig ned till mellanfrekvensområdet.

Kodarnas anti-mättningsnät 74, 76 och de komplementära näten 78, 80 i avkodarna är belägna i huvudsignalbanorna. Detta arrange- mang ger mycket låg brusreduceringsförlust, eftersom huvuddelen av signalen vid låga nivåer tillföres av den brusreducerande sido- kedjan. Det är därför möjligt att inrätta anti-mättníngsnät som tillsammans har ett lätt högfrekvensfall, exempelvis 3-6 dB/oktav (och komplementär höjning i avkodaren) som sträcker sig relativt långt ned i frekvens, exempelvis till 2-3 kHz, och som medger be- handling av mättníngseffekter utan åtföljande större brusreduce- ringsförlust. Frekvenskurvan vid 0 dB i fig. 1 visar exempelvis ett högfrekvensfall från mättning med en början vid omkring 2 kHz.

Eftersom anti-mättningsnäten ligger i huvudkanalerna, vilka över- för högnivåsignalerna, påverkas endast de signaler som förorsakar mättning. Såsom visas i fig. 1 ger làgnivåsignaler icke upphov till mättning i bandet.

Hälften av nämnda fall på 3-6 dB/oktav kan frambringas av vardera nätet 74, 76 och hälften av den komplementära höjningen i vardera nätet 78, 80. Om fallet och höjningen i sin helhet för- lägges till endast ett nät 76, 78 vardera, kommer tillhörande kom- pressor och expander att uppvisa större kompressions- och expan- 447 525 10 síonsförhållande inom de_t speciella nivå- och frekvensområdë som är knutet till denna kompressor och expander. I anläggningar för privat bruk är dock användning av dett enda nät adekvat.

Claims (9)

11 447 525 ^Patentkrav

1. Kompressor innefattande en huvudsignalbana som är linjär med avseende på dynamikomrädet, en i huvudbanan belägen kombina- tionskrets, och en ytterligare bana, som har sin ingång förbunden med huvudbanans in- eller utgång och sin utgång med kombinations- kretsen, vilken ytterligare bana via kombinationskretsen avger en signal som åtminstone inom en övre del av frekvensbandet höjer huvudbanans signal men som är begränsad så att den, inom övre de- len av ingångsdynamikområdet, är mindre än huvudbanesignalen, k ä n n e t e c k n a d av att en frekvensberoende krets är in- kopplad enbart i huvudbanan och förorsakar en sänkning av frek- venskurvan inom en vald del av.frekvensbandet.

2. Kompressor enligt kravet 1 och utgörande en audiokompres- sor, k ä n n e t e c k n a d av att den frekvensberoende kretsen är inrättad att ge ett fall i frekvenskurvan inom den övre delen av audiofrekvensbandet.

3. Kompressor enligt kravet 2, och arbetande även vid låga frekvenser, k ä n n e t e c k n a d av att den frekvensberoende kretsen förorsakar ett fall i frekvenskurvan även inom den nedre delen av audíofrekvensbandet.

4. Expander innefattande en huvudsignalbana som är linjär med avseende på dynamikområdet, en i huvudbanan belägen kombina- tionskrets, och en ytterligare bana, som har sin ingång förbunden med huvudbanans in- eller utgång och sin utgång med kombinations- kretsen, vilken ytterligare bana via kombinationskretsen avger en signal som åtminstone inom en övre del av frekvensbandet motver- kar huvudbanans signal men som är begränsad så att den, inom övre delen av ingångsdynamikområdet, är mindre än huvudbanesignalen, k ä ngn e t e c k n a d av att en frekvensberoende krets är in- kopplad enbart i huvudbanan och förorsakar en höjning av frekvens- kurvan inom en vald del av frekvensbandet.

5. Expander enligt kravet 4 och utgörande en audioexpander, k ä n n e t e c k n a d av att den frekvensberoende kretsen är inrättad att ge en höjning í frekvenskurvan inom den övre delen av audiofrekvensbandet.

6. Expander enligt kravet 5 och arbetande även vid låga frek- venser, k ä n n e t e c k n a d av att den frekvensberoende kret- sen förorsakar en höjníng i frekvenskurvan även inom den nedre de- len av audíofrekvensbandet. » 447 525

7. Brusreduceringsanläggning innefattande en kompressor och en expander, vilka vardera innefattar en huvudsignalbana som är linjär med avseende på dynamikområdet, en i huvudbanan belägen kombínationskrets, och en ytterligare bana, som har sin ingång förbunden med huvudbanans in- eller utgång och sin utgång med kombinationskretsen, vilken ytterligare bana via kombinationskret- sen avger en signal som åtminstone inom en övre del av frekvens- bandet höjer huvudbanans signal i kompressorn och motverkar huvud- banans signal i expandern, men som i båda fallen är begränsad så att den, inom övre delen av ingângsdynamikområdet, är mindre än huvudbanesígnalen, k ä n n e t e c k n a d av enbart i huvudba- norna inkopplade frekvensberoende kretsar, som inom en vald del av frekvensbandet förorsakar en sänkning av frekvenskurvan i kom- pressorn och en komplementär höjning av frekvenskurvan i expandern.

8. Anläggning enligt kravet 7, i vilken kompressorn och ex- pandern arbetar vid audiofrekvenser, k ä n n e t e c k n a d av att de frekvensberoende kretsarna inom den övre delen av audio- frekvensbandet förorsakar ett fall i kompressorns frekvenskurva och en komplementär höjning i expanderns frekvenskurva.

9. Anläggning enligt kravet 8, i vilken kompressorn och ex- pandern även arbetar vid låga frekvenser, k ä n n e t e c k n a d av att de frekvensberoende kretsarna även inom den lägre delen av audiofrekvensbandet förorsakar ett fall i kompressorns frekvens- kurva och en komplementär höjning i expanderns frekvenskurva.