CH660653A5 - COMPRESSOR OR EXPANDER FOR SIGNAL RECORDING AND TRANSMISSION DEVICES, AND NOISE REDUCTION DEVICE WITH THE SAME. - Google Patents
COMPRESSOR OR EXPANDER FOR SIGNAL RECORDING AND TRANSMISSION DEVICES, AND NOISE REDUCTION DEVICE WITH THE SAME. Download PDFInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kompressor und einen Expander für Signal-Aufzeichnungs- und Übertragungseinrichtungen sowie eine Geräuschminderungseinrichtung mit denselben. Die Erfindung ist besonders nützlich zur Behandlung von Audio-Signalen, ist jedoch auch auf andere Signale anwendbar, einschliesslich Video-Signale. The invention relates to a compressor and an expander for signal recording and transmission devices and a noise reduction device with the same. The invention is particularly useful for handling audio signals, but is also applicable to other signals, including video signals.
Kompressoren und Expander werden normalerweise zusammen verwendet (ein Kompandersystem), um eine Geräuschminderung zu bewirken; das Signal wird vor der Übertragung oder Aufzeichnung komprimiert und nach dem Empfang oder vor der Wiedergabe vom Übertragungskanal expandiert. Kompressoren können jedoch auch alleine verwendet werden, um den Dynamikbereich herabzusetzen, beispielsweise um der Kapazität eines Übertragungskanals Rechnung zu tragen, ohne anschliessende Expansion, wenn das komprimierte Signal für den gewünschten Zweck adäquat ist. Zusätzlich werden Kompressoren alleine in gewissen Produkten verwendet, insbesondere Audioprodukten, die nur dazu vorgesehen sind, komprimierte Rundfunk- oder aufgezeichnete Signale zu übertragen oder aufzuzeichnen. Expander allein werden in gewissen Produkten verwendet, insbesondere Audio-Produkten, die nur dazu vorgesehen sind, bereits komprimierte Rundfunk- oder aufgezeichnete Signale zu empfangen oder wiederzugeben. In gewissen Produkten, insbesondere Audio-Aufzeichnungs- und Wiedergabe-Geräten, ist ein einzelnes Gerät oft so konfiguriert, dass die Betriebsart umgeschaltet werden kann, und zwar auf Kompressorbetrieb zur Aufzeichnung von Signalen, und für Expanderbetrieb zur Wiedergabe von komprimierten Rundfunk- oder voraufgezeichneten Signalen. Compressors and expanders are usually used together (a compander system) to reduce noise; the signal is compressed before transmission or recording and is expanded from the transmission channel after reception or playback. However, compressors can also be used alone to reduce the dynamic range, for example to take into account the capacity of a transmission channel, without subsequent expansion if the compressed signal is adequate for the desired purpose. In addition, compressors are used alone in certain products, particularly audio products that are only intended to transmit or record compressed broadcast or recorded signals. Expanders alone are used in certain products, especially audio products, which are only intended to receive or reproduce already compressed broadcast or recorded signals. In certain products, particularly audio recording and playback devices, a single device is often configured so that the operating mode can be switched to compressor mode for recording signals, and for expander mode for playback of compressed radio or pre-recorded signals .
Besonders interessant sind Kompressoren und Expander, die, zusätzlich dazu, dass sie eine Kompression bzw. Expansion bewirken, auch eine pegelabhängige Entzerrung mit sich bringen. Bei der magnetischen Aufzeichnung tritt der Wunsch nach einer solchen Entzerrung wegen der Tendenz des Magnetbandes, ausgesteuert zu werden oder sich zu sättigen, insbesondere bei hohen Frequenzen, auf. Verschiedene Vorschläge sind gemacht worden, um diese Entzerrung zu erreichen, von denen mehrere diskutiert sind in Rundfunktechn. Mitteilungen, Jahrg. 22 (1978) H. 2, Seiten 63 bis 74. Eine Notwendigkeit für eine Entzerrung kann auch bei anderen Aufzeichnungs- oder Übertragungsmedien auftreten, die auf einem Hochpegel-Sättigungsoder -Überlastungs-Effekt bei gewissen Frequenzen ausgesetzt sind. Compressors and expanders are particularly interesting because, in addition to causing compression or expansion, they also involve level-dependent equalization. In magnetic recording, the desire for such equalization arises because of the tendency of the magnetic tape to be modulated or saturated, particularly at high frequencies. Various proposals have been made to achieve this equalization, several of which are discussed in broadcast engineering. Mitteilungen, Jahrg. 22 (1978) H. 2, pages 63 to 74. A need for equalization may also arise with other recording or transmission media that are subject to a high level saturation or overload effect at certain frequencies.
Eine Möglichkeit, mit der jedoch keine pegelabhängige Entzerrung erreicht wird, besteht darin, eine Hochfrequenz-Abfall-Schaltung hinter dem Kompressor und eine kompensierende Anhebe-Schaltung vor dem Expander vorzusehen. Eine Alternative besteht darin, die Abfall-Schaltung vor den Kompressor zu setzen und die Anhebe-Schaltung hinter den Expander. Ein Nachteil jeder dieser Techniken besteht darin, dass Signale auf allen Pegeln der gleichen Abfall-Wirkung (und der folgenden Anhebung) unterworfen werden, so dass sich eine erhebliche Herabsetzung der erzielten Geräuschherabsetzung ergibt. One way, however, with which no level-dependent equalization is achieved, is to provide a high-frequency drop circuit behind the compressor and a compensating boost circuit in front of the expander. An alternative is to put the waste circuit in front of the compressor and the lift circuit behind the expander. A disadvantage of each of these techniques is that signals are subjected to the same decay effect (and the following boost) at all levels, resulting in a significant reduction in the noise reduction achieved.
In dem genannten Aufsatz in «Rundfunktechn. Mitteilungen» ist vorgeschlagen, dass die Verringerung der Geräuschminderung toleriert werden kann, wenn der Betrag der Geräuschminderung ohne solche Techniken immerhin etwa 20 dB beträgt. Das ist nur teilweise richtig. In der Praxis, insbesondere hinsichtlich einiger Kompakt-Kassetten-Bänder, erstrecken sich Bandsättigungseffekte herab bis zu so niedrigen Frequenzen In the article mentioned in «Rundffunkchn. Mitteilungen », it is suggested that the reduction in noise reduction can be tolerated if the amount of noise reduction without such techniques is at least about 20 dB. That is only partially true. In practice, particularly with regard to some compact cassette tapes, tape saturation effects extend down to such low frequencies
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wie 2 kHz, und die Änderung der Entzerrung, die dazu erforderlich ist, das zu berücksichtigen, führt zu einem erheblichen Anwachsen des hörbaren Rauschens. such as 2 kHz, and the change in equalization required to take this into account results in a significant increase in audible noise.
Es sind Versuche gemacht worden, dieses Problem dadurch zu überwinden, dass das Ansprechverhalten der Abfall- und Anhebe-Schaltungen pegelabhängig gemacht wird (US-PS 4 072 914). Im Falle der Abfall-Schaltung ist der Abfall bei hohen Pegeln steiler als bei niedrigen Pegeln. Für die Anhebe-Schaltung ist die Anhebe-Charakteristik in gleicher Weise bei hohen Pegeln steiler als bei niedrigen Pegeln. Ein Nachteil dieses Lösungsversuches ist die entsprechenden Erhöhung der Komplexität der Schaltung. Attempts have been made to overcome this problem by making the response of the drop and boost circuits level dependent (US Pat. No. 4,072,914). In the case of the drop circuit, the drop is steeper at high levels than at low levels. For the boost circuit, the boost characteristic is steeper in the same way at high levels than at low levels. A disadvantage of this attempt at solution is the corresponding increase in the complexity of the circuit.
In dem Aufsatz in «Rundfunktechn. Mitteilungen» findet sich auch ein Vorschlag, eine Hochfrequenz-Anhebe-Schaltung vor die Steuerschaltung sowohl des Kompressors als auch des Expanders zu setzen, es wird jedoch dort darauf hingewiesen, das der resultierende Abfall nur im Mittelpegelsignalbereich wahrnehmbar ist, während es erwünscht ist, diesen Effekt hauptsächlich bei hohen Pegeln zu erreichen. Bei Video-Aufzeichnungssystemen können Hochfrequenz-Sättigungsprobleme durch die verwendete Aufzeichnungs-Preemphasis verursacht sein. Ein ähnliches Problem existiert bei FM-Rundfunksendun-gen. In the article in «Rundffunkchn. There is also a suggestion to place a high frequency boost circuit in front of the control circuit of both the compressor and expander, but it is noted that the resulting drop is only noticeable in the mid-level signal range, while it is desired Maintain effect at high levels. In video recording systems, high frequency saturation problems can be caused by the recording preemphasis used. A similar problem exists with FM radio broadcasts.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine bessere Lösung für die oben beschriebenen Probleme zu schaffen, nämlich eine Lösung, die sowohl wirksam als auch einfach ist. The object of the invention is therefore to provide a better solution to the problems described above, namely a solution that is both effective and simple.
Ein ähnliches Problem ist beim Stand der Technik noch nicht diskutiert worden, nämlich dass auch eine Niederfrequenzentzerrung (Abfall im Kompressor und Anhebung im Expander) erwünscht ist, wenn die Kompression und Expansion auch bei niedrigen Frequenzen wirksam sind. Eine Niederfrequenz-Kompression und -Expansion sind zur Herabsetzung von Brummstörungen nützlich und können unter Verwendung von Breitbandkompressoren und -Expandern oder Kompressoren und Expandern mit Schaltungen erreicht werden, die unabhängig bei tiefen und hohen Frequenzen arbeiten. Bei diesen Frequenzen besteht das Hauptproblem darin, den Effekt der 3180 Mikrosekunden ( + 3 dB bei 50 Hz) Aufzeichnungsanhebung entgegenzuwirken, die in viele Magnetbandgeräte eingebaut ist, die für Bandaussteuerungs- oder -Sättigungsprobleme bei tiefen Frequenzen, beispielsweise bei Orgelmusik, verursachen. A similar problem has not yet been discussed in the prior art, namely that low frequency equalization (drop in the compressor and boost in the expander) is also desirable if the compression and expansion are effective even at low frequencies. Low frequency compression and expansion are useful for reducing hum and can be achieved using broadband compressors and expanders or compressors and expanders with circuits that operate independently at low and high frequencies. At these frequencies, the main problem is to counteract the effect of the 3180 microseconds (+ 3 dB at 50 Hz) recording boost built into many magnetic tape devices that cause tape control or saturation problems at low frequencies, such as organ music.
Weiter soll durch die Erfindung eine Einrichtung verfügbar gemacht werden, mit der die erforderliche Entzerrung zusätzlich bei tiefen Frequenzen bewirkt werden kann, falls das erforderlich ist. Furthermore, the invention is intended to make available a device with which the required equalization can additionally be effected at low frequencies, if this is necessary.
Weiter soll durch die Erfindung der «headroom» (Spielraum nach oben) vergrössert werden, und dementsprechend der Dynamikbereich des Aufzeichnungsmediums, das einer Sättigungserscheinung unterworfen ist. Furthermore, the invention is intended to increase the headroom, and accordingly the dynamic range of the recording medium, which is subject to a saturation phenomenon.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kompressor oder Expander, der einen Hauptsignalweg aufweist, der bezüglich des Dynamikbereiches linear ist, eine Vereinigungsschaltung in dem Hauptweg, und einen weiteren Weg, dessen Eingang mit dem Eingang oder Ausgang des Hauptweges und dessen Ausgang mit der Vereinigungsschaltung verbunden ist, wobei der weitere Weg ein Signal liefert, das, wenigstens in einem oberen Teil des Frequenzbandes, das Hauptwegsignal mittels der Vereinigungsschaltung anhebt, oder diesem entgegenwirkt, das jedoch so begrenzt ist, dass im oberen Teil des Eingangs-Dynamikbereiches das Signal des weiteren Weges kleiner ist als das Hauptwegsignal. The invention relates to a compressor or expander which has a main signal path which is linear with respect to the dynamic range, a combining circuit in the main path, and a further path whose input is connected to the input or output of the main path and whose output is connected to the combining circuit , the further path delivering a signal which, at least in an upper part of the frequency band, raises or counteracts the main path signal by means of the combining circuit, but which is so limited, however, that the signal of the further path is smaller in the upper part of the input dynamic range is as the main way signal.
Der obere Teil des Frequenzbandes erstreckt sich typischerweise von einem Wert von einigen hundert Hertz, sagen wir 300 bis 400 Hz, wenn auch ein höherer Wert verwendet werden kann, nach oben. Im oberen Teil des Eingangs-Dynamikbereiches, sagen wir von -10 dB bis + 10 dB, bezogen auf einen Bezugspegel, ist das Signal des weiteren Weges klein relativ zum Hauptwegsignal. The upper part of the frequency band typically extends from a value of a few hundred Hertz, say 300 to 400 Hz, although a higher value can be used. In the upper part of the input dynamic range, say from -10 dB to + 10 dB, based on a reference level, the signal of the further path is small relative to the main path signal.
Solche Kompressoren und Expander sind allgemein bekannt und werden in grossem Umfange verwendet, Beispiele werden beschrieben in US-PS'en 3 846 719, 3 903 485 und Re 28 426. Sie werden als dual path-Kompressoren und -Expander bezeichnet. Das Signal des weiteren Weges hebt das Hauptwegsignal im Kompressor an, wirkt jedoch im Expander dem Hauptwegsignal entgegen. Eine Konfiguration vom Typ I (beispielsweise gemäss US-PS 3 046 719) wird allgemein für Audio-Anmeldungen verwendet und eine Konfiguration vom Typ II (beispielsweise gemäss US-PS 3 903 485) wird allgemein für Video-Anmeldungen verwendet. Such compressors and expanders are well known and widely used, examples are described in US Pat. Nos. 3,846,719, 3,903,485 and Re 28,426. They are referred to as dual path compressors and expanders. The signal of the further route raises the main route signal in the compressor, but counteracts the main route signal in the expander. A Type I configuration (for example, according to US Pat. No. 3,046,719) is generally used for audio applications and a Type II configuration (for example, according to US Pat. No. 3,903,485) is generally used for video applications.
Im Fall des Kompressors ist die Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Besondere Ausführungsformen des Kompressors sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben. In the case of the compressor, the invention is characterized by the features specified in the characterizing part of patent claim 1. Particular embodiments of the compressor are described in claims 2 and 3.
Im Fall des Expanders ist die Erfindung gekennzeichnet durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 4 angegebenen Merkmale. Besondere Ausführungsformen des Expanders sind in den Patentansprüchen 5 und 6 beschrieben. In the case of the expander, the invention is characterized by the features specified in the characterizing part of patent claim 4. Particular embodiments of the expander are described in claims 5 and 6.
Durch die Erfindung wird ferner eine Geräusch minde-rungseinrichtung verfügbar gemacht, wie sie in den Ansprüchen 7 bis 9 gekennzeichnet ist. Der Teil des Frequenzbandes, der durch die Sättigungserscheinung beeinträchtigt ist, liegt gewöhnlich extrem hoch — d.h. dort, wo die obere Grenze des Frequenzbandes jeweils, in irgendeinem gegebenen praktischen Falle, angenommen wird, beispielsweise 15 kHz oder 20 kHz, im Falle von Audio, oder etwa 4 bis 6 MHz im Falle von Video, oder irgendein anderer Wert. The invention also makes available a noise reduction device as characterized in claims 7 to 9. The part of the frequency band affected by the saturation phenomenon is usually extremely high - i.e. where the upper limit of the frequency band is assumed, in any given practical case, for example 15 kHz or 20 kHz in the case of audio, or about 4 to 6 MHz in the case of video, or any other value.
Insbesondere für den Audiobereich, wo der Kompressor oder Expander auch bei niedrigen Frequenzen arbeitet, bringt die frequenzabhängige Schaltung auch eine Herabsetzung (Kompressor) oder Anhebung (Expander) des Frequenzgangs im unteren Teil des Audio-Frequenzbandes, beispielsweise der sich von etwa 100 Hertz zum unteren Ende hin erstreckt, das typischerweise im Bereich von 20 Hz liegt. Especially for the audio area, where the compressor or expander also works at low frequencies, the frequency-dependent circuit also brings a reduction (compressor) or an increase (expander) in the frequency response in the lower part of the audio frequency band, for example, from about 100 Hertz to the lower End extends, which is typically in the range of 20 Hz.
Die Erfindung wird näher anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung erläutert; es zeigen: The invention is explained in more detail using exemplary embodiments in conjunction with the drawing; show it:
Fig. 1 einen repräsentativen Frequer.zgang eines Kassetten-Band-Aufzeichnungs/-Wiedergabegerätes; Figure 1 shows a representative frequency response of a cassette tape recording / reproducing apparatus.
Fig. 2 eine Charakteristik zur Erläuterung; 2 shows a characteristic for explanation;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit Kompressoren und Expandern vom Typ I; 3 shows a block diagram of an embodiment of the invention in connection with compressors and expanders of type I;
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung in Zusammenhang mit Kompressoren und Expandern vom Typ II; und 4 is a block diagram of an embodiment of the invention in connection with compressors and expanders of type II; and
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit einem Zweistufen-Kompandersystem für die Magnetbandaufzeichnung. Fig. 5 is a block diagram of an embodiment of the invention in connection with a two-stage compander system for magnetic tape recording.
Das Problem der Hochfrequenzsättigung ist allen Magnetband- und Lichtton-Aufzeichnungsgeräten gemeinsam. Es kann auch bei Aufzeichnung- und Übertragungssystemen vieler Art mit Preemphasis, einschliesslich FM-Rundfunksystemen, auftreten. Es tritt zwar am stärksten in Bandgeräten mit geringer Geschwindigkeit, insbesondere solchen mit billigen Bandrezepturen, auf, sie beeinträchtigt jedoch auch die Aufzeichnungsmöglichkeit bei höheren Pegeln sogar bei professionellen Magnetband- und Lichtton-Geräten hoher Qualität. D.h., das Aufzeichnungsmedium zeichnet die angelegten hochpegeligen, hochfrequenten Signale nicht genau auf. Der wichtigste hörbare Effekt ist eine Intermodulationsverzerrung und eine Herabsetzung des Hochfrequenzgehalts der Aufzeichnung. Im Kontext der Erfindung ist diese Sättigung jedoch besonders unerwünscht, weil mit gewissen Kombinationen von Signal-Pegeln und -Frequenzen diese Sättigung die Wiedergabe-Komplemen-tärität des Expanders verwirrt. Der Expander gibt deshalb das Signal nicht völlig genau wieder, und zwar je nach dem Grad der Sättigung. Der wichtigste hörbare Effekt ist gewöhnlich The problem of high frequency saturation is common to all magnetic tape and light sound recording devices. It can also occur in many types of pre-emphasis recording and transmission systems, including FM broadcasting systems. While it occurs most strongly in low-speed tape devices, especially those with cheap tape formulations, it also affects the ability to record at higher levels even with high quality professional magnetic tape and light sound devices. That is, the recording medium does not accurately record the high-level, high-frequency signals applied. The main audible effect is intermodulation distortion and a reduction in the high frequency content of the recording. In the context of the invention, however, this saturation is particularly undesirable because with certain combinations of signal levels and frequencies, this saturation confuses the playback complementarity of the expander. The expander therefore does not reproduce the signal exactly, depending on the degree of saturation. The main audible effect is ordinary
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eine Erhöhung des Hochfrequenzverlustes durch den Expander, kann jedoch auch eine störende Modulation von Signalen im mittleren Frequenzbereich einschliessen. an increase in the high-frequency loss due to the expander, but can also include a disturbing modulation of signals in the medium frequency range.
Die illustrierte Ausführungsform wird hauptsächlich im Zusammenhang mit einem Kassetten-Band-Aufzeichnungs- und Wiedergabegerät betrachtet, wenn auch die Erfindung ebenso gut bei professionellen Magnetband-, Lichtton- und allgemein Aufzeichnungs- und Übertragungssystemen anwendbar ist. The illustrated embodiment is considered primarily in the context of a cassette tape recording and reproducing apparatus, although the invention is equally applicable to professional magnetic tape, light sound, and general recording and transmission systems.
Fig. 1 zeigt den Frequenzgang eines Kompakt-Kassetten-Aufnahme-Wiedergabe-Gerätes, das gut über dem Durchschnitt liegt. Bei einem Aufzeichnungspegel von -20 dB ist der Frequenzgang im wesentlichen flach bis hinauf zu 20 kHz. Bei höheren Aufzeichnungspegeln wird der Effekt der Hochfrequenz-Bandsättigung sichtbar, wodurch ein erheblicher Hochfrequenz-abfall bei einem Aufzeichnungspegel von 0 dB verursacht wird. Typische Kassetteneinheiten zeigen erheblich grössere Sättigungseffekte. Fig. 1 shows the frequency response of a compact cassette recording / playback device, which is well above average. At a recording level of -20 dB, the frequency response is essentially flat up to 20 kHz. At higher recording levels, the effect of high frequency band saturation becomes visible, causing a significant drop in high frequency at a recording level of 0 dB. Typical cassette units show significantly greater saturation effects.
Der einfachste Weg, diesen Sättigungseffekt herabzusetzen, besteht darin, die Aufzeichnungsentzerrung in der Weise zu ändern, dass das Band in dem Frequenzbereich, in dem Sättigung störend wird, nicht so hoch ausgesteuert wird. Die Wiedergabeentzerrung wird dann in komplementärer Weise geändert. Unglücklicherweise können sich bei Kassettenaufzeichnung Sättigungseffekte bis herab zu so niedrigen Frequenzen erstrecken wie 2 kHz oder in deren Nähe, wie aus Fig. 1 abgelesen werden kann. Die erforderliche Änderung der Entzerrung würde damit in einem erheblichen Ansteigen des hörbaren Rauschens resultieren. The simplest way to reduce this saturation effect is to change the recording equalization in such a way that the band is not driven as high in the frequency range in which saturation becomes a problem. The playback equalization is then changed in a complementary manner. Unfortunately, in cassette recording, saturation effects can extend as low as or as close to 2 kHz as can be seen in FIG. 1. The required change in equalization would result in a significant increase in audible noise.
Die später beschriebene Schaltung erlaubt effektiv eine Reduzierung der Hochfrequenzsättigung ohne dass irgendeine merkliche Geräuschminderung im behandelten Frequenzbereich in Kauf genommen werden muss. Die gleiche Technik kann dazu verwendet werden, eine Bandverzerrung im tiefen Frequenzbereich zu reduzieren, wenn ein über den vollen Bereich arbeitendes Geräuschminderungssystem verwendet wird. Insbesondere ist zu beachten, dass in einem dual-path-Kompressor oder -Expander der Ausgang der Schaltung bei sehr niedrigen Signalpegeln hauptsächlich durch den weiteren Weg, oder Geräuschminderungsweg, geliefert wird. Im Falle einer solchen Einrichtung, die 10 dB Dynamikwirkung ergibt, stehen die Beiträge des Hauptweges und des Geräuschminderungsweges im Verhältnis von 1 bzw. 2,16. Bei hohen Signalpegeln sind die Rollen der beiden Wege umgekehrt: Der Hauptweg liefert die überwiegende Signalkomponente, und der Beitrag des weiteren Weges ist vernachlässigbar. The circuit described later effectively allows high frequency saturation to be reduced without any significant noise reduction in the frequency range being treated. The same technique can be used to reduce band distortion in the low frequency range when using a full-range noise reduction system. In particular, it should be noted that in a dual-path compressor or expander, the output of the circuit at very low signal levels is mainly provided by the further path, or noise reduction path. In the case of such a device, which gives a 10 dB dynamic effect, the contributions of the main path and the noise reduction path are in the ratio of 1 and 2.16, respectively. At high signal levels, the roles of the two paths are reversed: the main path provides the predominant signal component, and the contribution of the further path is negligible.
Der Sättigungs- oder Verzerrungs-Herabsetzungseffekt beruht auf folgendem. Ein Entzerrer, der die erforderliche Herabsetzung in der Hoch- oder Tieffrequenz-Aussteuerung bewirkt, wird in den Hauptweg des Kompressors gelegt. Wie in Fig. 2 erkennbar ist, die den Betrieb einer Hochfrequenz-Verzerrungs-Herabsetzungsschaltung zeigt, wird bei hohen Signalpegeln im wesentlichen der volle Entzerrungseffekt erhalten, mit einer entsprechenden Herabsetzung der Hochfrequenzsättigung. Bei tiefen Pegeln wird der Entzerrungseffekt jedoch reduziert, da der Beitrag des Geräuschminderungsweges bedeutsam wird. Wenn beispielsweise das Antisättigungs-Netzwerk eine Dämpfung um einen so hohen Wert wie 12 dB bei einer bestimmten Frequenz bewirkt, dann ist der Effekt bei tiefen Pegeln gegeben durch The saturation or distortion reduction effect is based on the following. An equalizer that brings about the required reduction in high or low frequency modulation is placed in the main path of the compressor. As can be seen in FIG. 2, which shows the operation of a high-frequency distortion reduction circuit, essentially the full equalization effect is obtained at high signal levels, with a corresponding reduction in the high-frequency saturation. At low levels, however, the equalization effect is reduced because the contribution of the noise reduction path becomes significant. For example, if the anti-saturation network attenuates as much as 12 dB at a particular frequency, then the effect at low levels is given by
0,25 X 1 + 2,16 = 2,41 = 7,6 dB 0.25 X 1 + 2.16 = 2.41 = 7.6 dB
wobei Phasenbetrachtungen ausser Acht gelassen werden. D.h., eine Herabsetzung der Hochpegel-Aufzeichnungs-Aussteuerung um 12 dB wird bei einer Verringerung des Geräuschminderungseffektes um nur 2,4 dB erhalten. Ein solch hoher Grad der Verzerrungsherabsetzung würde nur bei den höchsten Frequenzen, beispielsweise 15 kHz, erforderlich sein. Bei niedrigeren Frequenzen ist die erforderliche Herabsetzung der Sättigung kleiner, mit einem entsprechend geringeren Verlust an Geräuschminderungseffekt. Bei tiefen Frequenzen wäre das Hauptziel, dem Effekt der 3180 Mikrosekunden ( + 3 dB bei 50 Hz) Aufzeichnungsanhebung entgegenzuwirken, die in viele Bandgeräte eingebaut ist und die für Tieffrequenz-Bandsätti-gungs-Probleme sorgt, beispielsweise mit Orgelmusik, wie bereits erwähnt. whereby phase considerations are disregarded. That is, a 12 dB reduction in high level recording drive is obtained with a reduction in noise reduction effect of only 2.4 dB. Such a high degree of distortion reduction would only be required at the highest frequencies, e.g. 15 kHz. At lower frequencies, the required saturation reduction is smaller, with a correspondingly lower loss of noise reduction effect. At low frequencies, the main goal would be to counteract the effect of 3180 microseconds (+ 3 dB at 50 Hz) recording boost, which is built into many tape devices and which causes low frequency band saturation problems, for example with organ music, as already mentioned.
Bei Audio-Anwendungen können die Anforderungen an ein geeignetes Anti-Sättigungsnetzwerk wie folgt bestimmt werden. Der maximal nutzbare Ausgangspegel des Bandes, Lichttonfilms, FM-Kanals od. dgl. wird bei niedrigen bis mittleren Frequenzen und bei höheren Frequenzen bis zur höchsten interessierenden Frequenz bestimmt. Die resultierende maximale Ausgangspegelkurve wird mit einer Kurve der Energieverteilung in Abhängigkeit von der Frequenz für normalerweise anzutreffende Musik- und Sprach-Schallereignisse verglichen. Eine solche Kurve ist beispielsweise veröffentlicht in «Journal of the Audio Engineering Society», Bd. 21, Nr. 5, Juni 1973, Seiten 357 bis 362. Die Differenz zwischen den beiden Kurven ist eine Angabe für die erforderlichen Hochpegel-Anti-Sättigungs-Charakteristiken. Wenn einmal solche Charakteristiken bestimmt und implementiert sind, sollten die resultierenden Kompressions-Charakteristik-Kurven geprüft werden, um zu bestimmen, ob das Anti-Sättigungsnetzwerk eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses bei irgendeiner Frequenz oder bei irgendeinem Pegel mit sich gebracht hat. Wenn das der Fall ist, können entsprechende Änderungen in den Begrenzungscharakteristiken im Geräuschminderungsweg durchgeführt werden und/oder, wo mehrere in Reihe geschaltete Kompressor oder Expander verwendet werden, kann die Anti-Sättigungs-Charakteristik über die Geräte verteilt werden. For audio applications, the requirements for a suitable anti-saturation network can be determined as follows. The maximum usable output level of the band, light film, FM channel or the like is determined at low to medium frequencies and at higher frequencies up to the highest frequency of interest. The resulting maximum output level curve is compared to a curve of energy distribution versus frequency for normally encountered music and sound events. Such a curve is published, for example, in "Journal of the Audio Engineering Society", Vol. 21, No. 5, June 1973, pages 357 to 362. The difference between the two curves is an indication of the required high level anti-saturation Characteristics. Once such characteristics are determined and implemented, the resulting compression characteristic curves should be examined to determine whether the anti-saturation network has brought about an increase in the compression ratio at any frequency or level. If this is the case, corresponding changes in the limiting characteristics in the noise reduction path can be made and / or where several compressors or expanders connected in series are used, the anti-saturation characteristic can be distributed over the devices.
Ähnliche Betrachtungen gelten auch für Video-Einrichtungen. In Video-Rekordern wird häufig Hochfrequenz-Preempha-sis verwendet, die in FM-Übermodulationsproblemen resultieren kann. Die Übermodulationstendenz irgendeines speziellen Aufzeichnungssystems kann gemessen und eine entsprechende Art und ein entsprechender Grad an Anti-Sättigung kann vorgesehen werden. Wenn Kompressoren und Expander der oben genannten Type I und Type II verwendet werden, wird noch eine weitere Übermodulationstendenz durch kleine restliche Überschwingungen (einige Prozent) von den Kompressoren hervorgerufen. Diese Überschwingungen können durch die Erfindung kompensiert werden (In Audio-Systemen besteht ebenfalls eine Neigung, restliche Überschwingungen zu kompensieren). Similar considerations also apply to video devices. High-frequency pre-emphasis is often used in video recorders, which can result in FM overmodulation problems. The overmodulation tendency of any particular recording system can be measured, and an appropriate type and level of anti-saturation can be provided. If compressors and expanders of the type I and type II mentioned above are used, a further overmodulation tendency is caused by small residual overshoots (a few percent) from the compressors. These overshoots can be compensated for by the invention (in audio systems there is also a tendency to compensate for residual overshoots).
Es wäre zwar möglich, mit nur dem Anti-Sättigungsnetz-werk im Kompressor zu arbeiten, vorzugsweise wird jedoch eine komplementäre Korrektur auf der Wiedergabeseite vorgenommen, so dass ein flacher Frequenzgang bei allen Pegeln aufrechterhalten wird. Die folgende Analyse zeigt die Art der erforderlichen Korrektur. Although it would be possible to work with only the anti-saturation network in the compressor, a complementary correction is preferably carried out on the playback side, so that a flat frequency response is maintained at all levels. The following analysis shows the type of correction required.
Fig. 3 zeigt dual-path-Kompressor und -Expander-Konfigu-ration, und dort sind das Eingangssignal für den Kompressor mit x, das Signal im Informationskanal mit y und das Ausgangssignal des Expanders mit z bezeichnet. Fi und Fi sollen die Übertragungscharakteristiken des weiteren Weges des Kompressors bzw. Expanders sein, und FAs die Übertragungscharakteristik des Anti-Sättigungsnetzwerks. Mit F'As soll die erforderlich kompensierende Charakteristik im Expander bezeichnet werden. Fig. 3 shows dual-path compressor and expander configuration, and there the input signal for the compressor with x, the signal in the information channel with y and the output signal of the expander with z. Fi and Fi are intended to be the transmission characteristics of the compressor or expander, and FAs are to be the transmission characteristics of the anti-saturation network. The necessary compensating characteristic in the expander is to be designated with F'As.
y = (Fas + Fi) x und z = yF' as - zF2F' as damit y = (Fas + Fi) x and z = yF 'as - zF2F' as with it
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65 65
F'asFAS + FIF'AS F'asFAS + FIF'AS
z = x z = x
1 + F2F'as 1 + F2F'as
1 1
Ersichtlich ist z = x, wenn Fi = F2 und F' as = • You can see z = x if Fi = F2 and F 'as = •
Fas Fas
Eine ähnliche Ableitung gilt für die in Fig. 4 dargestellte Konfiguration vom Typ II: A similar derivation applies to the type II configuration shown in FIG. 4:
y = Fasx + FiFAsy und z = F' Asy - F2y damit y = Fasx + FiFAsy and z = F 'Asy - F2y with it
(F'as-F2) (F'as-F2)
z = x z = x
1 1
- Fl - Fl
Fas Fas
1 1
Ersichtlich ist z = x, wenn Fi = F2 und F' As = • You can see z = x if Fi = F2 and F 'As = •
Fas Fas
Aus Obigem ergibt sich nicht nur, dass die beiden Geräuschminderungsnetzwerke identisch sein sollten, wie das beim Stand der Technik bekannt ist, sondern dass das Anti-Sättigungs-Kompensations-Netzwerk im Expander eine inverse Charakteristik zu der des im Kompressor verwendeten Netzwerkes haben sollte. Einfache Korrekturen können passiv erreicht werden, beispielsweise durch RC-Kombinationen, während komplexere Korrekturen Rückkopplungstechniken verwenden können insbesondere zur Erreichung der inversen Charakteristiken, die im Expander erforderlich sind. It follows from the above not only that the two noise reduction networks should be identical, as is known in the prior art, but that the anti-saturation compensation network in the expander should have an inverse characteristic to that of the network used in the compressor. Simple corrections can be achieved passively, for example by RC combinations, while more complex corrections can use feedback techniques in particular to achieve the inverse characteristics that are required in the expander.
In Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der Erfindung dargestellt, wie es in einer doppelstufigen Typ I-Konfiguration verwirklicht ist, die hauptsächlich zur Verwendung bei der Magnetband-Aufzeichnung und -Wiedergabe gedacht ist. Fig. 5 shows a block diagram of the invention as implemented in a double-stage type I configuration which is primarily intended for use in magnetic tape recording and playback.
Die dargestellte Ausführungsform verwendet Kompressoren 52 und 54 in Kaskade, um einen grösseren Betrag an Kompression zu erreichen, und entsprechend Expander 56, 58 in Kaskade. Die Erfindung ist auch auf einstufige dual-path-Kompres-soren und -Expandern anwendbar. Jeder Kompressor hat einen Hauptweg 10 mit einer Vereinigungsschaltung 12, die zum Hauptweg den Ausgang des weiteren Weges Ni, N2 addiert, dessen Eingang mit dem Eingang des entsprechenden Hauptweges verbunden ist. Die Expander haben Hauptwege 14 und Vereinigungsschaltungen 16 die vom Hauptwegsignal den Ausgang des weiteren Weges N2, Ni subtrahieren, dessen Eingang mit dem Ausgang des entsprechenden Hauptweges verbunden ist. The illustrated embodiment uses cascade compressors 52 and 54 to achieve a greater amount of compression and cascade expanders 56, 58, respectively. The invention is also applicable to single-stage dual-path compressors and expanders. Each compressor has a main path 10 with a combining circuit 12 which adds to the main path the output of the further path Ni, N2, the input of which is connected to the input of the corresponding main path. The expanders have main paths 14 and combining circuits 16 which subtract from the main path signal the output of the further path N2, Ni, the input of which is connected to the output of the corresponding main path.
Solche Kompressor- und Expander-Konfigurationen sind als solche bekannt und sollen deshalb nicht näher erläutert werden. Es gibt zwei Hauptformen für den weiteren Weg Ni oder N2. Eine Alternative (US-PS 3 846 719, Fig. 7 und 8) besteht aus einem Filter, dem ein gesteuerter Begrenzer folgt, der veranlasst wird, progressiv zu begrenzen, wenn der Signalpegel steigt, und Such compressor and expander configurations are known as such and are therefore not to be explained in more detail. There are two main forms for the further path Ni or N2. An alternative (U.S. Patent No. 3,846,719, Figs. 7 and 8) consists of a filter followed by a controlled limiter which is caused to progressively limit when the signal level rises and
660 653 660 653
zwar durch ein gleichgerichtetes und geglättetes Steuersignal. Eine andere Alternative (US-PS Re 28 426) ist ein sliding band-Hochpassfilter, dessen Durchlassband progressiv vom Steuersignal verengt wird, so dass starke Signalkomponenten vom Ausgang des Filters ausgeschlossen werden, der vorzugsweise in Reihe mit einem festen Hochpassfilter liegt. Vorteilhafte Grenzfrequenzwerte für die sliding band-Filter liegen bei etwa 375 Hz im Ruhezustand, das durchgelassene Band wird jedoch als Antwort auf das Steuersignal progressiv enger. through a rectified and smoothed control signal. Another alternative (US Pat. No. Re 28,426) is a sliding band high-pass filter, the pass band of which is progressively narrowed by the control signal, so that strong signal components are excluded from the output of the filter, which is preferably in series with a fixed high-pass filter. Advantageous cut-off frequency values for the sliding band filters are around 375 Hz in the idle state, but the pass band becomes progressively narrower in response to the control signal.
Der erste und der zweite Kompressor 52 und 54 haben jeder Hochfrequenz- und/oder Tieffrequenz- (und/oder irgendeine andere spezielle Frequenz oder Frequenzbereich) Anti-Sättigungsnetzwerke 74, 76, die die Hauptsignalkomponenten beeinflussen. Auf der Wiedergabeseite des Bandgerätes T haben der erste und der zweite Expander 56 und 58 komplementäre Netzwerke, die die Hauptsignalkomponenten beeinflussen. Als Alternative kann eine solche Kompensation nur in einem der Kompressoren und in nur einem der entsprechenden Expander vorgesehen sein. Die Kompensation kann beispielsweise die Form eines flachen Hochfrequenz-Abfalls im Kompressor haben, der bei sehr hohen Frequenzen stärker wird, sagen wir oberhalb von 10 kHz, und eine entsprechende Anhebung im Expander. The first and second compressors 52 and 54 each have high frequency and / or low frequency (and / or any other specific frequency or frequency range) anti-saturation networks 74, 76 that affect the main signal components. On the playback side of the tape recorder T, the first and second expanders 56 and 58 have complementary networks that affect the main signal components. As an alternative, such compensation can only be provided in one of the compressors and in only one of the corresponding expanders. For example, the compensation can take the form of a flat high-frequency drop in the compressor, which increases at very high frequencies, say above 10 kHz, and a corresponding increase in the expander.
Da die Herabsetzung der Überlastung des Hochfrequenzkanals nur auf die Hauptsignalkomponenten angewandt wird, bleiben die niederpegeligen Komponenten in den Seitenkanälen unbeeinflusst und damit beeinflusst die Herabsetzung der Überlastung die Geräuschminderung nicht erheblich. Dementsprechend kann sich die Herabsetzung der Kanalüberlastung bis herab in den mittleren Frequenzbereich erstrecken. Since the reduction in the overload of the high-frequency channel is only applied to the main signal components, the low-level components in the side channels remain unaffected and therefore the reduction in the overload does not have a significant effect on the noise reduction. Accordingly, the reduction in channel congestion can extend down to the middle frequency range.
Die Anti-Sättigungsnetzwerke 74, 76 und die komplementären Netzwerke 78, 80 sind in den Hauptsignalwegen angeordnet. Diese Anordnung resultiert in einem sehr geringen Verlust an Geräuschminderungseffekt, da der Grossteil der Signale bei niedrigen Pegeln durch die Geräuschminderungs-Seitenkette erhalten wird. Deshalb ist es möglich, Anti-Sättigungsnetzwerke vorzusehen, die zusammen einen allmählichen Hochfrequenz-Abfall, 3-6 dB/Oktave beispielsweise (und komplementäre Anhebung im Expander) hat, die sich ziemlich weit herab in der Frequenz erstrecken, beispielsweise bis 2-3 kHz, um Sättigungseffekte zu behandeln, ohne dass ein hoher Grad an Geräuschminderungsverlust eintritt. Der Frequenzgang bei 0 dB in Fig. 1 zeigt z.B., dass der Abfall des Frequenzgangs aufgrund der Sättigung bei etwa 2 kHz beginnt. Da die Anti-Sättigungsnetz-werke sich in den Hauptkanälen befinden, die die hochpegeli-gen Signale führen, werden nur diejenigen Signale beeinflusst, die Sättigung verursachen. Wie im Fig. 1 dargestellt ist, rufen niedrigpegelige Signale keine merkliche Bandsättigung hervor. The anti-saturation networks 74, 76 and the complementary networks 78, 80 are arranged in the main signal paths. This arrangement results in a very low loss of noise reduction effect, since the majority of the signals at low levels are obtained through the noise reduction side chain. Therefore, it is possible to provide anti-saturation networks that together have a gradual high-frequency drop, 3-6 dB / octave for example (and complementary boost in the expander) that extend quite far down in frequency, for example up to 2-3 kHz to treat saturation effects without causing a high degree of noise reduction. For example, the frequency response at 0 dB in Fig. 1 shows that the drop in frequency response due to saturation begins at about 2 kHz. Since the anti-saturation networks are located in the main channels that carry the high-level signals, only those signals that cause saturation are affected. As shown in Fig. 1, low level signals do not cause significant band saturation.
Wahlweise ist die Hälfte des Abfalls von 3-6 dB/Oktave in jedem der Netzwerke 74 und 76 vorgesehen, und jeweils die Hälfte der komplementären Anhebung in jedem der Netzwerke 78 und 80. Wenn der gesamte Abfall bzw. die gesamte Anhebung in einzelne Netzwerke 76 und 78 gebracht wird, dann hat der zugehörige Kompressor oder Expander ein höheres Kom-pressions- oder Expansionsverhältnis in dem speziellen Pegel-und Frequenzbereich, der diesem Kompressor oder Expander zugeordnet ist. In einem Heim-System ist jedoch die Verwendung eines einzelnen Netzwerkes adäquat. Optionally, half of the 3-6 dB / octave drop is provided in each of networks 74 and 76 and half of the complementary boost in each of networks 78 and 80. When all of the drop or boost is in individual networks 76 and 78, then the associated compressor or expander has a higher compression or expansion ratio in the particular level and frequency range associated with that compressor or expander. In a home system, however, the use of a single network is adequate.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |