DE2211347C3

DE2211347C3 - Schaltungsanordnung zur Veränderung des dynamischen Bereiches von Signalen

Info

Publication number: DE2211347C3
Application number: DE2211347A
Authority: DE
Inventors: Ray Milton London Dolby
Original assignee: Dolby Laboratories Inc
Current assignee: Dolby Laboratories Licensing Corp
Priority date: 1971-03-12
Filing date: 1972-03-09
Publication date: 1981-08-27
Also published as: SE381968B; NL181472B; SE373010B; DE2211348C3; CA955856A; CA963813A; JPS5623330B1; DE2211374A1; DE2211348A1; US3775705A; NL181769C; NL7203318A; DE2211348B2; NL181769B; US3967219A; GB1390341A; NL7203315A; DE2211347A1; US3845416A; DE2211374C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanordnungen, die dazu dienen, den dynamischen Bereich eines Eingangssignals zu verändern, d. h. auf Kompressoren, welche eine Kompression des dynamischen Bereiches hervorrufen und auf Expander, welche eine Expansion des dynamischen Bereiches bewirken. Kompressoren und Expander sollen manchmal unabhängig voneinander arbeiten; häufig jedoch wird verlangt, daß der Kompressor den dynamischen Bereich eines Eingangssignals verändert, bevor das Signal übertragen oder aufgezeichnet wird und daß ein komplementärer Expander den dynamischen Bereich des aufgenommenen oder wiedergegebenen Signals expandiert, d. h. daß der Expander die lineare Kennlinie für das Eingangssignal wiederherstellt. Störgeräusche, die während der Übertragung oder bei der Aufzeichnung bzw. der Wiedergabe auftreten, werden dadurch wesentlich vermindert und die Kombination aus Kompressor und Expander wirkt daher als Anordnung zur Geräuschverminderung.

Eine Schwierigkeit, die bei vielen Schaltungsanordriungen zur Veränderung des dynamischen Bereiches zwecks Geräuschverminderung besteht, ist die, daß diese Anordnungen Pegelfehler oder Verzerrungen bei hohen Signalpegeln hervorrufen. Bei einer Anordnung zur Störverminderung ist es nicht notwendig, die Signale mit hohem Pegel zu verändern, da die Störgeräusche gewöhnlich einen niedrigen Wert im Verhältnis zum maximalen Signalpegel aufweisen. Die Kompressoren und Expander sollten daher so ausgebildet sein, daß eine Veränderung der Signaldynamik bei hohen Pegeln vermieden wird und nur bei niedrigen Signalpegeln durchgeführt wird. Dies kann durch Verwendung einer allgemeinen Gruppe von Schaltungen erreicht werden, die ein Ausgangssignal in einem festgelegten Frequenzband in Abhängigkeit von einem Eingangssignal innerhalb dieses Bandes erzeugen und für jede innerhalb des Bandes liegende Frequenz eine Eingangs/Ausgangsübertragungscharakteristik aufweisen, die in zwei Bereiche geteilt ist, welche hohe und niedrige Pegel enthalten, wobei mindestens der Bereich mit dem hohen Pegel eine Übertragungscharakteristik aufweist, die nur durch feste Schaltelemente bestimmt wird, welche eine im wesentlichen geradlinig verlaufende Übertragungscharakteristik haben, die in einem Dezibeldiagramm parallel in einem Abstand von derjenigen des Bereichs der niedrigen Signalpegel verläuft, wobei der Übergang von dem Bereich der niedrigen Pegel zu dem der hohen Pegel durch veränderliche Schaltelemente bewirkt wird, deren Parameter in Abhängigkeit von den Pegeln eines oder mehrerer Signale, die in der Schaltungsanordnung auftreten, veränderlich ist und wobei diese Parameter beim Übergang von dem Bereich der niedrigen Pegel zu dem Bereich der hohen Pegel einen Extremwert annehmen, wodurch in dem Bereich der hohen Signalpegel Veränderungen und Mängel der Parameter nur einen unbedeutenden Einfluß auf die Übertragungscharakteristik und das Ausgangssignal haben.

Beide Bereiche, sowohl der mit niedrigem Pegel als auch der mit hohem Pegel haben Übertragungscharakteristiken, die nur durch feste Schaltelemente bestimmt sind; die genannten Parameter verändern sich von einem Extremwert zu einem anderen entgegengesetzten Extremwert beim Übergang von dem Bereich niedrigen Pegels zu dem Bereich hohen Pegels, wodurch diese Parameter nur in einem Zwischenpegelbereich einen nennenswerten Einfluß auf die Übertragungscharakteristik und das Ausgangssignal haben, während bei den beiden Extrem- oder Endzuständen irgendwelche Veränderungen oder Beeinträchtigungen der Parameter nur einen unbedeutenden Einfluß auf die Übertragungscharakteristiken und das Ausgangssignal haben.

Um die Beschreibung im weiteren zu erleichtern, wird die Übertragungscharakteristik mit hohem Signalpegel als normale Kennlinie bezeichnet und die Übertra-

gungscharakteristik bei niedrigem Pegel als angehobene Kennlinie im Fall eines Kompressors und als gedämpfte oder geschwächte Kennlinie im Fall eines Expanders. Die beiden Möglichkeiten einer angehobenen Kennlinie oder einer geschwächten Kennlinie werden allgemein als abgeänderte Kennlinie oder Charakteristik bezeichnet

Wenn Kompressoren und komplementäre Expander in Anlagen zur Geräuschverminderung benutzt werden, ist es wichtig, daß signalmodulierte Geräuschkomponenten vermieden werden. Dies läßt sich am besten dadurch sicherstellen, daß die verschiedenen Abschnitte des Frequenzspektrums möglichst unabhängig voneinander komprimiert oder expandiert werden. Der Grad der Kompression oder Expansion (d. h. die Geräuschverminderung), die z. B. bei den extrem hohen Hörfrequenzen auftritt, sollte so wenig wie möglich durch die Signale bei niedrigen oder mittleren Frequenzen beeinflußt werden.

Kompressoren oder Expander, die ..ach diesem Prinzip arbeiten, enthalten gewöhnlich frequenzselektive Kreise, welche die Änderung der Kennlinie auf bestimmte begrenzte Bereiche des Frequenzbandes beschränken, das einen Teil des Gesamtfrequenzbandes bildet. Wenn eine Frequenzkomponente innerhalb des begrenzten Bandes einen hohen Signalpegel hat, spricht die Schaltungsanordnung darauf an und bewirkt, daß das begrenzte Band so weit eingeengt wird, daß diese Frequenz ausgeschlossen wird, so daß bei dieser Frequenz die normale Kennlinie wirksam ist. Die abgeänderte Kennlinie ist innerhalb des nunmehr eingeengten Frequenzbandes wirksam, so daß die Kompressor- bzw. Expanderwirkung und dadurch die Geräuschverminderung innerhalb dieses begrenzten Bandes wirksam wird. Man kann dieses Prinzip als ein Bandeinengungsprinzip bezeichnen, da das Frequenzband eine Einengung erfährt, um die Kompression, die Expansion und die Geräuschverminderung auf Frequenzen zu beschränken, innerhalb deren nur Signale mit niedrigem Pegel vorhanden sind. Auf diese Weise läßt sich eine starke Kompression und Expansion bei Frequenzen aufrechterhalten, die von den Signalfrequenzen mit hohem Pegel einen gewissen Abstand haben, so daß sich eine günstige Geräuschverminderung unter Vermeidung von signalmodulierten Geräuschen ergibt.

Beispiele für derartige Bandbegrenzungsschaltungen sind in der britischen Patentschrift Nr. 11 20 541 und 12 53 031 angegeben. Bei diesen Beispielen wird die Übertragungskennlinie mit Hilfe von zwei Kanälen erreicht, deren Ausgänge kombiniert werden und die die normale Kennlinie bei hohen Pegeln und die abgeänderte Kennlinie bei niedrigen Pegeln verwirklichen.

Es sind schon Schaltungsanordnungen zur Änderung des dynamischen Bereiches bekannt, in denen Reihenschaltungen von Impedanznetzwerken verwendet werden, wobei eines der Netzwerke einen veränderbaren (steuerbaren) Widerstand als Komponente enthält. Diese Schaltungsanordnungen sind jedoch entweder nicht frequenzselektiv (wie im Fall der in der US-Patentschrift 32 81706 beschriebenen Schaltung) oder sie sind zwar frequenzselektiv, arbeiten jedoch nicht nach dem Bandeinengungsprinzip.

Beispiele von frequenzselektiven Schaltungsanordnungen sind in der britischen Patentschrift 11 52 435 und in den US-Patentschriften 34 49 518 und 34 97 621 angegeben. In diesen Schaltungen wird ein veränderbarer Widerstand in seinem Wert so vermindert, daß die frequenzbestimmende Komponeme eines der in Reihe geschalteten Impedanznetzwerke vermindert wird, um den Betrag um den der Signalpegel in dem begrenzten Frequenzband, das durch die frequenzbestimmenden Komponenten gegeben ist, angehoben oder vermindert wird, zu reduzieren. Bei diesen Verfahren ist das bescnränkte Frequenzband entweder gar nicht beeinflußt oder es wird bei dem Vorgang verbreitert und nicht eingeengt.

ίο Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, bei der nur ein einziger Übertragungskanal erforderlich ist, bei der auch eine bandeinengende Wirkung erreicht wird und bei der eine Reihenschaltung von Impedanznetzwerken

:5 verwendet wird, um die gewünschten Übertragungskennlinien zu erzeugen.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung zur Änderung des dynamischen Bereiches eines Nachrichtensignals bei der eine Anzahl von Impedanznetzwerken in Reihenschaltung mit den Eingangsklemmen verbunden sind und bei der Ausgangsklemmen an einem oder mehreren der Netzwerken vorgesehen sind, von denen mindestens eines ein frequenzselektives Netzwerk ist, das ein begrenztes Frequenzband bestimmt,

τ-, innerhalb dessen die Änderung des dynamischen Bereichs stattfindet und das veränderbare Schaltelemente aufweist, die auf den Pegel der innerhalb des Bandes liegenden Signalkomponenten ansprechen und das Ausmaß der Dynamikänderung vermindern, wenn de/ Pegel der Signalkomponente zunimmt, wird die gekannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die veränderbaren Schaltelemente das Band verengen, wenn der Pegel der Signalkomponente innerhalb des Bandes zunimmt und auf diese Weise diese Signalkomponenten von der Dynamikbereichsänderung ausnehmen.

Eine Einengung des Bandes ohne Abflachung der Kennlinie (wie in Fig.2) läßt sich dadurch erreichen, daß man ein veränderbares reaktives Schallelement in dem veränderbaren Impedanznetzwerk verwendet; es ist jedoch auch möglich, die gewünschte Wirkung mit entsprechend geschalteten veränderbaren Widerständen zu erreichen. Die Impedanznetzwerke können in verschiedener Weise ausgebildet sein, wobei es möglich ist, ein angehobenes Ausgangssignal in dem eingeschränkten Band für den Kompressor oder ein abgeschwächtes Ausgangssignal in dem beschränkten Band bei niedrigen Signalpegeln zu erreichen. Das veränderbare Netzwerk kann lediglich aus einem

so veränderbaren Schaltelement bestehen oder es kann auch feste Schaltelemente in verschiedenen Reihen- und Parallelschaltungen enthalten. Ob es notwendig ist, den Wert der veränderbaren Impedanz bei einer Erhöhung des Signalpegels innerhalb des Bandes anzuheben oder zu vermindern, hängt davon ab, wie die veränderbare Impedanz das Anheben oder Vermindern bewirkt und auch von der Richtung, in der die Grenze oder die Grenzen des Frequenzbandes verschoben werden müssen, um das Band einzuengen.

bo Eine Verminderung der Impedanz des veränderbaren Schaltelementes ergibt gewöhnlich eine Abnahme der Impedanz des veränderbaren Netzwerkes. Es kann jedoch auch der umgekehrte Vorgang eintreten, z. B. im Falle eines Parallelresonanzkreises, bei dem ein

b-, veränderbarer Widerstand in dem Schwingkreis den Wert Q ändert und daher die Impedanz des Kreises in der entgegengesetzten Richtung ändert, wie die Änderung des Widerstandes vor sich geht.

Die Netzwerke werden von einer Stromquelle gespeist und die Ausgangsspannung kann an den in Reihe geschalteten Elementen des Netzwerkes abgenommen werden. Eine komplementäre Kompressor-Expanderwirkung, die umschaltbar ist, kann nötigenfalls -, dadurch erhalten werden, daß die gleiche Reihenkombinationsschaltung von einer Spannungsquelle mit konstanter Spannung gespeist wird. Als Ausgangsgröße dient dann der Strom, der durch die Reihenschaltung fließt. Wenn eines der Netzwerke als ohmscher in Widerstand ausgebildet ist, dann kann die Ausgangsspannung direkt an dem Widerstand abgenommen werden.

Wenn die veränderbare Impedanz als veränderbare Reaktanz ausgebildet ist, ist es meist am günstigsten, r> veränderbare Widerstände zu benutzen, um die veränderbare Reaktanz zu erzeugen. Durch Verwendung einer veränderbaren Verstärkung und Ausnutzung des Miller-Effektes ist es z. B. möglich, eine veränderbare Kapazität darzustellen.

Wenn das zu verarbeitende Signal ein Trägerfrequenzsignal ist, dann wird der Kompressor so eingerichtet, daß er die Trägerfrequenz und die Seitenbänder bearbeiten kann. Hierbei ist es gewöhnlich notwendig, das Frequenzband symmetrisch zu verengen oder zu erweitern, jedoch ist es auch möglich, die Steuerung der Bandbreite unsymmetrisch durchzuführen, um ein Seitenbandsignal oder Signale mit begrenzten Seitenbändern zu verarbeiten.

Wie oben erwähnt ist es möglich, abgestimmte Kreise jo mit veränderbarer Bandbreite durch Verwendung veränderbarer Widerstände aufzubauen. Es ist auch möglich, die Bandbreite durch ein veränderbares L/C-Verhältnis zu beeinflussen. In beiden Fällen wird die Steuerung so vorgenommen, daß die Resonanzfre- j> quenz konstant gehalten wird, jedoch verändert das veränderbare L/C-Verhältnis die Impedanz des Kreises außerhalb der Resonanz und ruft daher die notwendige Bandverengung hervor.

Bei Schaltungen zur Geräuschverminderung ist es gewöhnlich ausreichend, nur den Teil des dynamischen Bereiches mit niedrigem Pegel — z. B. Pegel von weniger als -20 dB, -40 dB oder selbst -60 dB — mit Bezug auf den maximalen Arbeitspegel (ein, zwei oder drei Größenordnungen niedriger) zu verarbeiten. Störungen, die durch den Betrieb mit veränderlicher Impedanz eingeführt werden, sind daher auf verhältnismäßig niedrige Pegel beschränkt bei denen sie nicht auffallen. Bei sehr niedrigen und bei sehr hohen Pegeln wird eine Verzerrung vermieden, weil die Eigenschaften der Schaltungsanordnung nur durch die festen Schaltelemente beeinflußt werden, so daß im Bereich dieser Pegel ein lineares Arbeiten gewährleistet ist

Die Kompressoren und Expander gemäß der Erfindung werden im folgenden im einzelnen und getrennt beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, durch Verwendung eines Verstärkers mit negativer Rückkopplung eine andere Arbeitsweise zu erreichen, wobei ein Kompressor oder Expander in der Rückkopplungsschleife angeordnet ist um die Expander- oder Kompressorwirkung hervorzurufen.

Bei Anwendungen wie z. B. beim Fernsehen, bei dem nichtlineare Verzerrungen, die durch den Kompressor eingeführt werden, mit Hilfe des Expanders kompensiert werden können, ist es auch möglich, nichtlineare to Impedanzen, ζ. B. Schaltelemente mit Sättigungseigenschaften, zu benutzen, um die veränderliche Bandbreite hervorzurufen.

Wenn jedoch eine nichtlineare Verzerrung nicht zulässig ist, wie z. B. bei Audioübertragungen, können die veränderlichen Impedanzen in Abhängigkeit von gleichgerichteten und geglätteten Signalen gesteuert werden, wodurch eine lineare oder syllabische Wirkung erreichbar ist. Das Steuersignal kann an verschiedenen Stellen der Schaltung abgenommen werden, z. B. als Eingangs- oder Ausgangssignal. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, das Signal von dem Strom oder der Spannung abzuleiten, der durch das veränderliche Element der veränderlichen Impedanz fließt oder an ihr abgenommen wird, d. h. von Teilen der Schaltung, in denen der Strom oder die Spannung auf einen kleinen Wert bei hohen Eingangssignalpegeln beschränkt ist. Es kann erforderlich sein, in diesem Fall einen Differenzverstärker zu verwenden und dies hat den Vorteil, daß die Steuerspannung nicht auf extrem hohe Werte bei hohen Signalpegeln ansteigt.

Durch Verwendung einer zweistufigen Integrationsschaltung ist es möglich, die Ansprechzeit der Anordnung kurz zu halten, während gleichzeitig die Signalverzerrung und die Erzeugung von Modulationsprodukten auf einem Minimum gehalten wird. Die erste Stufe sollte eine kurze Zeitkonstante aufweisen. Die zweite Stufe, die eine längere Zeitkonstante hat, ist mit der ersten Stufe nichtlinear gekoppelt, z. B. über eine Dioden-Widerstandskombination, wobei die zweite Stufe eine zusätzliche Glättung bei verhältnismäßig gleichförmigen Signalen hervorruft Bei plötzlichen Änderungen der Signalamplitude wird die nichtlineare Schaltung leitend und bewirkt, daß die Zeitkonstante der zweiten Schaltung vermindert wird.

Während der Ansprechzeit können Übersteuerungen oder Untersteuerungen auftreten. Es ist möglich, diese auf kleine Amplituden zu begrenzen, wenn man entsprechend geschaltete nichtlineare Elemente, z. B. Dioden, benutzt.

Die Dioden sollten mit der veränderbaren Impedanz so verbunden sein, daß die auftretende Spannung selbst bei extremen Störwellen kleine Werte nicht überschreitet. Auch Dioden mit konstantem Strom können in ähnlicher Weise verwendet werden, wenn der Strom der veränderbaren Impedanz und nicht die Spannung auf einen kleinen Wert bei hohen Eingangssignalpegeln beschränkt wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

F i g. 1 zeigt Kennliniendiagramme, die die Bandverengung darstellen;

» F i g. 2 zeigt vergleichbare Kennlinien, die sich beim Betrieb bekannter Schaltungen ergeben;

F i g. 3 zeigt einen Kompressor gemäß der Erfindung; F i g. 4 zeigt einen Expander gemäß der Erfindung;

Fig.5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kompressors gemäß der Erfindung;

Fig.6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Expanders gemäß der Erfindung, und

F i g. 7 zeigt eine Steuerschaltung zur Verwendung in einer Schaltung nach F i g. 4 bis 6.

Zur Vereinfachung ist in der folgenden Beschreibung nur der Fall dargestellt, bei dem das eingeengte Band den oberen Teil des Gesamtbandes bildet und bei dem veränderbare Reaktanzen benutzt werden, um die Einengung des Bandes hervorzurufen, obwohl es möglich ist auch veränderbare Widerstände, niederfrequente Bänder, enge Bänder und Trägerfrequenzen sowie Seitenbänder in die Beschreibung einzubeziehen. Die Erfindung ist auch anwendbar bei einem begrenzten

Band, das am unteren Ende des Gesamtbereiches liegt und es können auch Schaltungen gebaut werden, um zwei oder mehrere begrenzte Bänder, z. B. eins am oberen Ende und eins am unteren Ende zu verarbeiten. In ähnlicher Weise können auch mehrere Bänder vorhanden sein, um alle wichtigen Frequenzen mit möglichst geringer gegenseitiger Beeinflussung zu verarbeiten. Dabei brauchen auch ein oder mehrere der Bänder keine Einengung der Bandbreite zu erfahren.

Die dargestellten Schaltungen können dazu verwendet werden, um bei Audiogeräten hochfrequente Geräuschkomponenten zu vermindern, z. B. die hohen Frequenzen des Bandgeräusches, jedoch können die Schaltungen auch zur Verarbeitung irgendwelcher anderer Informationssignale bei entsprechender Wahl der die Frequenz bestimmenden Komponenten benutzt werden. Wie schon erwähnt, kann das begrenzte Band auch so ausgebildet sein, daß es Trägerfrequenzsignale und ihre Seitenbänder, z. B. bei Multiplextonübertragung sowie Farbfernsehsignale verarbeitet.

F ig. la zeigt eine Kompressorkennlinie 10a und eine Expanderkennlinie 11a in voll ausgezogenen Linien, die über ein Gesamtfrequenzband sich erstrecken, das zwischen den Frequenzen /ö und /j liegt. In dem Diagramm ist die Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen und man erkennt, daß unterhalb einer Frequenz f\ die Verstärkung einen normalen Wert hat, der gleich 1 sein kann. Zwischen f\ und /3 liegt ein begrenztes Band, innerhalb dessen die Verstärkung verändert wird, indem sie z. B. im Fall des Kompressors um 1OdB angehoben und im Fall des Expanders um 1OdB vermindert wird. Die dargestellte Kennlinie zwischen f\ und /3 bezieht sich jedoch nur auf Signale mit niedrigem Peg-2L Fig. la zeigt auch, was eintritt, wenn eine Komponente mit hohem Pegel bei einer Frequenz /2 auftritt, die zwischen f\ und /3 liegt Das begrenzte Band verschiebt sich nach oben, wie die gestrichelten Linien 106 und 116 angeben und wird somit enger, so daß die normale Verstärkung bei f\ vorhanden ist, während zwischen h und f-₃ die Verstärkungsänderung stattfindet. Das kräftige Signal mit der Frequenz f₂ hat die Kompression und die Expansion zwischen f\ und h beseitigt, aber nicht zwischen den Frequenzen /2 und />

F i g. Ib zeigt den Fall, bei dem ein Frequenzband bei einem Mehrband-Audiokompressor oder Expander behandelt wird. Die voll ausgezogenen Linien 10a und 11a erstrecken sich von den Frequenzen /i bis zur Frequenz /4. Wenn ein Signal mit hohem Pegel und der Frequenz Z₂ auftritt, dann wird die Bandbreite beschränkt, so daß /2, wie aus den gestrichelten Linien 106 und 116 hervorgeht, außerhalb des Bandes liegt Selbst wenn jedoch ein so starkes Signal mit der Frequenz f₂ vorhanden ist, werden die Frequenzen zwischen /2 und fs komprimiert oder expandiert

F i g. Ic zeigt das Verhalten bezüglich eines Trägerfrequenzsignals mit Seitenbändern. Bei einem Trägerfrequenzsystem mit unterdrücktem Träger fehlt die Trägerfrequenz. Wenn der Träger nicht unterdrückt wird, dann ist es notwendig, daß der Kompressor oder Expander den Träger während der Verarbeitung des Signals unterdrückt Die Frequenzkennlinie der F i g. Ic bezieht sich auf einen Kompressor und einen Expander, bei dem die Trägerfrequenz f_c unterdrückt ist und bei dem die Seitenbänder mit niedrigem Pegel komprimiert oder expandiert werden.

In Abwesenheit eines Signals mit hohem Pegel erstreckt sich die Seitenbandbeeinflussung von der Frequenz f\ bis /3 und von f\ bis /3', wie aus den voll ausgezogenen Linien 10a und 11a hervorgeht. Diese Seitenbandsignale entsprechen den Signalen im Frequenzbereich /ι bis /3 nach Fig. la. Wenn nun ein starkes Signal bei den Werten des Seitenbandes f₂ und <-, Z₂' auftritt, dann nimmt die Breite des Bandes, innerhalb dessen die Unterdrückung stattfindet, zu und dies ist äquivalent einer Verengung der Bandbreite, in der die Kompression oder Expansion stattfindet. Die geänderte Frequenzkennlinie schließt aus, daß Seitenbandsignale mit starkem Pegel verarbeitet werden, wie die gestrichelten Kennlinien 106 und 116 erkennen lassen.

Dieses Verhalten kann in Gegensatz gestellt werden zu dem Verhalten von bekannten Frequenzselektiven Kompressoren und Expandern, die in Reihe geschaltete Impedanznetzwerke verwenden. Die Kennlinien derartiger Schaltungen sind in den F i g. 2a, 2b und 2c dargestellt Fig.2a zeigt die Kompressor- und Expanderkennlinien 12a und 13a, die auftreten, wenn nur Signalkomponenten kleinen Pegels zwischen den Frequenzen f\ und h auftreten. F i g. 2a zeigt auch, was eintritt, wenn eine Komponente mit starkem Pegel bei /2 auftritt Die Kennlinien 126 und 136 werden flacher oder niedriger und verhindern jegliche Kompression und Expansion. Es ist klar, daß in diesem Falle keine Möglichkeit besteht, noch eine Kompression oder Expansion oberhalb der Frequenz /2 zu bewirken. Es ist daher auch zu erwarten, daß signalmodulierte Störgeräusche auftreten, wenn man nicht eine große Zahl von Frequenzbändern benutzt.

Fig.2b zeigt den Fall, bei dem ein Frequenzband bearbeitet wird, das mit demjenigen der Fig. Ib vergleichbar ist. Die Frequenzen mit niedrigem Pegel sind mit f\ bis /i bezeichnet und die Kennlinien 12a und 13a sind voll ausgezogen. Wenn ein Signal mit starkem Pegel bei der Frequenz f₂ auftritt, wird die Kompression oder Expansion, wie aus den gestrichelten Linien 126 und 136 hervorgeht, vermindert. Die Kompression oder Expansion wird jedoch nicht nur bei der Frequenz h vermindert, sondern bei allen Frequenzen die oberhalb von h liegen. Dies ist aber bezüglich der Geräuschmoduhtion weniger wünschenswert als die Einengung des Bandes nach F i g. Ib.

Das Gegenstück der bekannten Schaltung mit Trägerfrequenz und Seitenbändern ist in Fig.2c dargestellt Die Kennlinien bei niedrigem Signalpegel sind durch die Kurven 12a und 13a dargestellt, die eine Verarbeitung der Frequenzen oberhalb von /j und unterhalb von W gestatten. Wenn Seitenbandsignale bei /2 und /j' auftreten, ergeben sich die Kennlinien 126 und 136, die erkennen lassen, daß der Grad der Kompression und Expansion über die ganze Bandbreite vermindert worden ist, im Gegensatz zu der Kennlinienverschiebung, die eine Einengung des Bandes nach Fig. leergibt

Die Schaltungen der F i g. 3 bis 6 sind Beispiele für Kompressoren und Expander, die in der Lage sind, die Kennlinien zu erzeugen, die in F i g. 1 beschrieben wurden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 werden drei in Reihe geschaltete Impedanz-Netzwerke verwendet und zwar 1. ein Widerstand 20, der den Eingangswiderstand bilden kann, Z ein Widerstand 21 und 3. eine veränderbare Induktivität 22, die parallel zu einem Widerstand 23 liegt Die drei Netzwerke liegen in Reihe zwischen den Eingangsklemmen 24a und 246. Die Ausgangsklemmen 25a und 256 liegen an der aus dem zweiten und dritten Netzwerk gebildeten Schaltungskombination.

Die an dem dritten Netzwerk auftretende Spannung wird mit Hilfe einer Steuerschaltung 26 abgegriffen, welche diese Spannung gleichrichtet und glättet, und zwar gegebenenfalls nach einer Verstärkung, so daß sich ein Steuersignal auf der Leitung 27 ergibt. Die Anordnung ist so getroffen, daß bei einer Zunahme des Steuersignals der Wert der Induktivität 22 abnimmt.

Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist folgende: Wenn die Induktivität 22 ihren maximalen Wert annimmt, bedingt sie in Verbindung mit dem Widerstand 23 eine Grenzfrequenz /i (Fig. 1), die die untere Grenze des begrenzten Frequenzbandes bildet. Unterhalb dieser Frequenz ist die normale Kennlinie wirksam. Oberhalb dieser Frequenz, und zwar bei niedrigem Signalpegel, hebt die Induktivität 22 die Ausgangsspannung an der Klemme 25 an, wobei die Ausgangsspannung durch den Wert

, „ , JwL₂₂R₂₃

JwL₂₂ + R₂₃

20

gegeben ist, wobei /der Strom in der Schaltung bei der Winkelgeschwindigkeit ω und L₂₂, Rn und R₂] die Werte der Induktivität 22 und der Widerstände 21 und 23 sind.

Wenn eine starke Signalkomponente innerhalb des begrenzten Bandes auftritt, nimmt der Wert von L ab, wodurch die Grenzfrequenz z. B. von /Ί nach f₂ (F i g. 1) verschoben wird, so daß die normale Kennlinie bis zur Frequenz f₂ reicht und die angehobene Kennlinie nur oberhalb von f₂ wirksam ist. Bei sehr starken hochfrequenten Signalen wird die Induktivität so weit vermindert, daß das Ausgangssignal praktisch nur durch den Spannungsabfall am Widerstand R_2x bedingt ist.

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Expanders, der vier Impedanznetzwerke in Reihe zwischen der Eingangsklemme 24a und 2Ab aufweist, nämlich einen Widerstand 20, der den Eingangswiderstand enthalten kann, ferner einen Widerstand 30, ferner als drittes Netzwerk die Parallelschaltung einer Induktivität 22 und eines Widerstandes 23 und als viertes Netzwerk ein Widerstand 31. Die Ausgangsgröße wird an dem Widerstand 31 abgegriffen, der einen sehr kleinen Wert hat, so daß die Ausgangsspannung proportional dem Strom durch die ersten beiden Netzwerke ist ohne daß dieser Strom nennenswert beeinflußt wird. Bei einer praktisch ausgeführten Schaltung verwendet man zweckmäßig eine Strom-Spannungsumwandlung, indem z. B. der Strom dem Eingang eines Verstärkers mit negativer Rückkopplung zugeführt wird oder dem Emitter eines Transistors mit geerdeter Basis, während die Ausgangsspannung an dem Kollektor entnommen wird.

Wenn bei der Schaltung nach F i g. 4 die Induktivität L22 einen großen Wert annimmt, wird der Strom durch die Netzwerke und infolgedessen die Ausgangsspannung bei Signalfrequenzen oberhalb der Grenzfrequenz vermindert (d. h. der dynamische Bereich wird ausgedehnt). Wenn eine Signalkomponente mit hohem Pegel vorhanden ist, nimmt der Wert von L₂₂ ab, so daß der Strom bis zu einer solchen Frequenz ansteigt, daß das Signal mit hohem Pegel nicht der Verminderung des Pegels unterworfen wird. Oberhalb dieser Frequenz tritt die Pegelverminderung noch auf. Wenn sehr starke Signale bei hohen Frequenzen auftreten, wird die Ausgangsspannung durch die nicht variablen Impedanz-Netzwerke bestimmt, wobei die Induktivität der veränderbaren Impedanz bei allen Frequenzwerten so klein ist, daß keine nennenswerte Expansion des Ausgangssignals erzeugt wird.

F i g. 5 zeigt eine Kompressorschaltung als Beispiel, bei der drei Netzwerke zwischen den Eingangsklemmen 24a und 24i> liegen, während die Ausgangsklemmen 23a und 256 mit dem dritten Netzwerk verbunden sind. Das erste Netzwerk besteht aus dem Widerstand 20, der den Eingangs widerstand enthalten kann. Das zweite Netzwerk besteht aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes 33 und einer Reihenschaltung eines veränderlichen Kondensators 32 und eines Widerstandes 35. Das dritte Netzwerk besteht aus einem sehr kleinen Widerstand 34, der ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional dem durch dieses Netzwerk fließenden Strom ist. Wie schon oben erwähnt, können auch kompliziertere Schaltungen zur Umwandlung des Stromes in eine Spannung benutzt werden. Der Widerstand 35 erzeugt eine Spannung, die proportional dem kapazitrven Strom ist. Diese Spannung wird in der Schaltung 26 gleichgerichtet und geglättet, so daß eine Steuerspannung auf der Leitung 27 erzeugt wird, die den Kondensator 32 steuert.

Bei sehr niedrigen Signalpegeln und hohen Frequenzen hat die Größe Mu)Ci₂ eine kleine Impedanz und der Kondensator Cy₂ trägt zu dem Strom, der den Widerstand 34 durchfließt, wesentlich bei, so daß das Ausgangssignal durch ihn bestimmt wird. Wenn ein Signal mit hohem Pegel und hoher Frequenz auftritt und die Kapazität 32 vermindert wird, nimmt der Wert VwCn zu und der kapazitäte Strom nimmt ab. Bei sehr hohen Signalpegeln wird der Strom durch den Widerstand 34 fast ausschließlich durch den Strom durch den Widerstand 33 bedingt, so daß sich eine normale nicht angehobene Kennlinie ergibt

Bei dem Expander in dem Ausführungsbeispiel der F i g. 6 ist ein Widerstand 35 vorgesehen, der das erste Netzwerk bildet und den Eingangswiderstand enthalten kann. Ausgangssignal ist die Spannung an dem zweiten Netzwerk, welches einen Kondensator 32, einen Widerstand 33 und einen Widerstand 35 enthält Die Steuerschaltung spricht auf die Spannung an dem Kondensator 32 an.

Bei niedrigen Signalpegeln und hohen Frequenzen hat der Kondensator eine hohe Kapazität und bildet eine niedrige Impedanz, wodurch das Ausgangssignal oberhalb der Grenzfrequenz, die durch das Netzwerk gegeben ist vermindert wird. Wenn der Pegel bei hohen Frequenzen zunimmt wird der Wert der Kapazität vermindert so daß ihr Widerstand zunimmt und die Nebenschlußwirkung des Kondensators bis zu der Frequenz beseitigt wird, bei der Signalkomponenten mit starkem Pegel vorhanden sind. Die Grenzfrequenz wird daher nach oben verschoben und das Band, innerhalb dessen die Expanderwirkung eintritt eingeengt

In der Einleitung der Beschreibung wurde erwähnt daß es bei Kompressoren und Expandern zur Verwendung in Geräuschminderungsschaltungen erwünscht ist daß die Gesamtkennlinie mit Ausnahme des Obergangsbereiches bei mittleren Pegelwerten im wesentlichen unabhängig von den veränderlichen Schaltelementen ist die sich an den beiden Enden des dynamischen Bereiches in dem einen Extremzustand oder dem entgegengesetzten Extremzustand befinden sollten. Um die Wirkung von Änderungen oder Ungenauigkeiten in den Werten der veränderlichen Schaltelemente bei ihren Extremimpedanzwerten auf ein Minimum zu bringen, können feste Impedanzen in Reihe oder parallel oder in Kombination mit den veränderbaren

Impedanzen angeordnet werden, wodurch sich die Vermeidung von Fehlern bei den Impedanzextremwerten ergibt. Die veränderbaren Impedanzwerte brauchen daher nur in den dazwischenliegenden Abschnitten hohe Genauigkeit aufzuweisen.

Bei der Schaltung nach F i g. 3 kann eine feste Induktivität 22a parallel zu der veränderbaren Induktivität 22 vorgesehen sein. Wenn der Wert der veränderbaren Induktivität bei niedrigen Signalpegeln sehr viel größer als derjenige der festen Induktivität ist, dann steuert die feste Induktivität zusammen mit den anderen festen Schaltelementen die Kennlinie bei niedrigen Signalpegeln mit großer Genauigkeit.

In Fig.4 kann eine ähnliche Verbesserung dadurch herbeigeführt werden, daß eine feste Induktivität 22a parallel zu der veränderbaren Induktivität 22 angeordnet wird. In ähnlicher Weise kann bei Impedanznetzwerken mit veränderbaren Kapazitäten, z. B. nach F i g. 5 und 6 ein fester Kondensator 32a in Reihe mit dem veränderbaren Kondensator 32 vorgesehen sein. Bei veränderbaren Widerständen kann ein fester Widerstand parallel geschaltet werden. Es sei darauf hingewiesen, daß nur die Extremwerte der Impedanz, die das dynamische Verhalten bei niedrigen Signalpegeln bestimmen, auf diese Weise beeinflußt zu werden brauchen. Dies ist der Fall, weil bei allen Ausführungsbeispielen die veränderbare Impedanz sich in einer Gleichspannungsgegenkopplungsschleife im Bereich hoher Signalpegel befindet und die Kennlinie bei hohem Signalpegel stabilisiert. Bei sehr niedrigen Signalpegeln unterhalb des Steuerungsschwellwertes ist keine derartige Stabilisierung vorhanden und es empfiehlt sich daher die Anwendung dieser Technik zur Erzielung genauer Ergebnisse.

Zur Verwendung in derartigen Schaltungen stehen verschiedene spannungsgesteuerte Kapazitäten und Induktivitäten zur Verfügung einschließlich von elektromechanisch veränderbaren Vorrichtungen und komplexen Schaltungen, welche eine Kapazität oder Induktivität zwischen zwei Anschlüssen darbieten, deren Wert durch einen spannungsgesteuerten Widerstand innerhalb der Schaltung bestimmt wird.

Die Steuerschaltung

F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform, wie die Steuerschaltung 26 ausgebildet sein kann. Die Eingangsleitungen 38 und 39 sind die entsprechend bezeichneten Leitungen in F i g. 3 bis 6. Die Spannung an diesen Leitungen wird dem Differenzverstärker 40 zugeführt, in einem Gleichrichter 41, der als Block bezeichnet ist, gleichgerichtet und in einer Schaltung 42 geglättet, so daß sich ein Ausgangssignal auf der Leitung 27 ergibt

Die Ausbildung der Giättungsschaitung 42 ist auf dem Audiogebiet anwendbar, bei dem der Kompressor oder Expander syllabisch arbeiten muß, d. h. so daß er den dynamischen Bereich komprimiert, ohne nichtlineare Verzerrungen in das Signal einzuführen. Die Giättungsschaitung enthält einen /?C-Kreis, der von einem Widerstand 43 und einem Kondensator 44 mit verhältnismäßig kurzer Zeitkonstante gebildet wird und der an sich nicht ausreichend ist, um die genügende -, syllabische Wirkung zu erzielen. Auf diesen ersten Bestandteil der Schaltung folgt ein zweiter Bestandteil mit einem Reihenwiderstand 45 und einem Nebenschlußkondensator 46 mit einer längeren Zeitkonstante, die eine ausreichende Glättung des Signals bewirken.

ίο Der Widerstand 45 ist durch eine Diode 47 mit einem nennenswerten Spannungsabfall überbrückt. Die Diode kann z. B. eine Siliciumdiode sein, so daß kein Diodenstrom fließt, wenn nicht der Spannungsabfall an dem Widerstand 45 den Wert von etwa 0,6 Volt übersteigt.

Auf diese Weise ist bei kleinen Schwankungen der Steuerspannung in dem ersten Bestandteil der Schaltung der zweite Bestandteil in der Lage, voll zu arbeiten. Bei einer starken Zunahme der Signalamplitude jedoch wird die Diode 47 leitend und vermindert die Zeitkonstante des zweien Bestandteils erheblich. Die Ansprechzeit der Steuerschaltung 26 ist daher kurz, während gleichzeitig Signalverzerrungen und die Erzeugung von Modulationsprodukten auf einem Mindestwert gehalten werden.

Schaltung mit nichtlinearer Wirkung

F i g. 4 zeigt eine Weiterbildung, die auch bei Kompressoren oder Expandern anwendbar ist, bei

jo denen die Spannung an der variablen Impedanz auf einen kleinen Wert bei hohen Eingangspegeln begrenzt ist, z. B. in den Schaltungen nach F i g. 3 und 6. Die Begrenzerdioden 50 und 51 in Reihe mit geeigneten Vorspannungsquellen 52 (die hier schematisch als

j5 Batterien angedeutet sind) liegen an der variablen Impedanz 22. Die Dioden haben die Wirkung zu verhindern, daß die Spannung einen kleinen Wert übersteigt, der durch die Vorspannung gegeben ist, selbst wenn starke Störspannungen auftreten. Ohne die Dioden würde die Zeitverzögerung der Steuerschaltung 26 eine beträchtliche Abänderung der Signale mit hohem Pegel hervorrufen. Die Dioden 51 können auch mit einem Transformator verbunden sein, der ein entsprechendes Windungsverhältnis aufweist, wobei die Primärwicklung zwischen den Anschlußpunkten 24 und „25 liegen kann und die Dioden im Sekundärkreis des Transformators angeordnet sind. Ein ähnliches Ergebnis kann man durch Verwendung eines Differenzverstärkers erzielen, dessen Eingang an der variablen

so Impedanz liegt, während der Ausgang des Verstärkers über Dioden mit der veränderbaren Impedanz verbunden ist um die Spannung an dieser zu begrenzen. Bei Kompressoren oder Expandern, bei denen der Strom und nicht die Spannung auf einen kleinen Wert begrenzt ist, z. B. nach F i g. 5, kann eine entsprechende Anordnung benutzt werden, in der konstante Stromdioden verwendet sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Änderung des dynamischen Bereichs eines Nachrichtensignals, bei der eine Anzahl von Impedanznetzwerken in Reihenschaltung mit den Eingangsklemmen verbunden sind und bei der Ausgangsklemmen an einem oder mehreren der Netzwerke vorgesehen sind, von denen mindestens eines ein frequenzselektives Netzwerk ist, das ein begrenztes Frequenzband bestimmt, innerhalb dessen die Änderung des dynamischen Bereichs stattfindet, und das veränderbare Schaltelemente aufweist die auf den Pegel der innerhalb des Bandes liegenden Signalkomponenten ansprechen, und das Ausmaß der Dynamikänderung vermindern, wenn der Pegel der Signalkomponente zunimmt, dadurch gekennzeichne 1, daß die veränderbaren Schaltelemente (22 oder 32) das Band einengen, wenn der Pegel der Signalkomponente innerhalb des Bandes zunimmt, und auf diese Weise diese Signalkomponenten von der Dynamikbereichsänderung ausnehmen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbaren Schaltelemente (22 oder 32) eine reaktive Impedanz aufweisen.

3. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung (26) vorgesehen ist, die auf die Spannung an den veränderbaren Schaltelementen (22 oder 32) oder den Strom durch diese Schaltelemente anspricht, um ihre Impedanz zu ändern.

4. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsanschlüsse so geschaltet sind, daß sie als Ausgangssignal die Spannung abgeben, die mindestens an dem frequenzabhängigen Netzwerk (22, 23 oder 32, 33) auftritt.

5. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsanschlüsse so geschaltet sind, daß sie als Ausgangssignal die Spannung abgeben, die an einem stromführenden Netzwerk (31 oder 34) auf tritt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüehe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzselektiven Netzwerke (22, 23 oder 32, 33) den Pegel des Ausgangssignals innerhalb des begrenzten Bandes anheben, so daß die Schaltung als Kompressor arbeitet.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzselektiven Netzwerke (22, 23 oder 32, 33) den Pegel des Ausgangssignals innerhalb des begrenzten Bandes vermindern, so daß die Schaltung als Expander arbeitet.