CH662684A5 - Schaltungsanordnung zur kompression oder expansion des dynamikbereiches von signalen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Schaltungsanordnungen, die den Dynamikbereich von Signalen ändern, nämlich Kompressoren, die den Dynamikbereich komprimieren und Expander, die den Dynamikbereich expandieren. Die Erfindung ist besonders nützlich zur Behandlung von Audiosignalen, ist jedoch auch bei anderen Signalen anwendbar.

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 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 Expander betrieb zur Wiedergabe von komprimierten Rundfunk- oder voraufgezeichneten Signalen.

Der Betrag der Kompression oder Expansion kann in dB ausgedrückt werden. Beispielsweise bedeutet die Angabe « 10 dB Kompression», dass ein dynamischer Eingangsbereich von N dB auf einen Ausgangsbereich von (N-10) dB komprimiert wird. Wenn in einem Geräuschminderungssystem einer Kompression von 10 dB eine komplementäre Expansion von 10 dB folgt, so ergibt sich in der üblichen Ausdrucksweise eine Geräuschminderung von 10 dB.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum Modifizieren des Dynamikbereiches eines Eingangssignals ist insbesondere eine erste Schaltung mit einer bilinearen Charakteristik vorgesehen (wobei «linear» in diesem Zusammenhang konstante Verstärkung bezeichnen soll); diese bilineare Charakteristik kann zusammengesetzt sein aus:

1) einem linearen Niedrigpegel-Teil bis zu einer Schwelle,

2) einen nichtlinearen Mittelpegel-Teil (mit veränderlicher Verstärkung) oberhalb der Schwelle und bis zu einem Endpunkt, der für ein vorbestimmtes maximales Kompressionsverhältnis oder Expansions Verhältnis sorgt, und

3) einem linearen Hochpegel-Teil mit einer Verstärkung, die sich von der Verstärkung des Niedrigpegel-Teils unterscheidet.

Die Charakteristik wird als bilineare Charakteristik bezeichnet, weil zwei Teile mit im wesentlichen konstanter Verstärkung vorhanden sind. In der Praxis sind die Schwelle und der Endpunkt nicht immer gut definierte «Punkte». Die beiden Übergangsbereiche, wo der Mittelpegelbereich in den linearen Nied-rigpegel- bzw. Hochpegel-Bereich übergeht, können irgendeine Form haben, sowohl die einer scharfen Biegung als auch die eines besonderen weichen Übergangs, je nach der Steuerkennlinie des Kompressors und des Expanders.

Es ist auch darauf hinzuweisen, dass Schaltungsanordnungen mit bilinearer Charakteristik zu unterscheiden sind von zwei anderen bekannten Arten von Schaltungsanordnungen, nämlich:

a) eine logarithmische oder nichtlineare Schaltungsanordnung mit fester oder veränderlicher Neigung und ohne irgendeinen linearen Teil: die Verstärkung ändert sich über den gesamten Dynamikbereich.

b) Schaltungsanordnungen mit einer Charakteristik mit zwei oder mehr Teilen, von denen nur ein einziger Teil linear ist («uni-linear»).

Eine Schaltungsanordnung mit einer bilinearen Charakteristik hat spezielle Vorteile und wird in grossem Umfang verwendet. Die Schwelle oder der Schwellwert kann oberhalb des Eingangsrauschpegels oder des Übertragungskanal-Rauschpegels eingestellt werden, um die Möglichkeit auszuschliessen, dass die Schaltung durch Rauschen gesteuert wird. Der Hochpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung vermeidet eine nichtlineare Behandlung hochpegeliger Signale, wodurch sonst Verzerrungen eingeführt würden. Darüber hinaus ergibt der Hochpegelbereich im Falle eines Audio-Signals, für das die Schaltung syllabisch sein muss, einen Bereich, in dem Überschwingungen berücksichtigt werden können, die mit einer syl-labischen Schaltung auftreten, wenn der Signalpegel abrupt steigt. Diese Überschwingungen werden durch Clipper-Dioden oder ähnliche Einrichtungen unterdrückt. Nur bilineare Charakteristiken bringen diese Kombination von Vorteilen mit sich.

Die überwiegende Anzahl bekannter Schaltungen mit bilinearer Charakteristik, die heutzutage in Verbraucher-Audio-Gerä-ten verwendet werden, ergeben 10 dB Kompression bzw. Expansion, was für viele Zwecke ausreicht. Ein gewisses Rauschen bleibt jedoch für kritische Hörer hörbar, und für höchste Wiedergabetreue sind stärkere Kompression und Expansion er5

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wünscht, sagen wir etwa 20 dB. Es ist schwierig, solche grossen Kompressions- oder Expansionsbeträge zu erzielen, ohne auf Probleme zu treffen, die die Signalqualität beeinträchtigen.

Es sind Schaltungen bekannt und im Handel erhältlich, die 20 dB Kompression oder Expansion ergeben, und sogar mehr, es handelt sich jedoch gewöhnlich um logarithmische Schaltungsanordnungen mit konstanter Neigung, bei denen sich die Verstärkung konstant über dem ganzen Dynamikbereich oder nahezu dem ganzen Dynamikbereich ändert. Solche Schaltungen leiden unter stärkeren Verzerrungs- und Signalgleichlauf-Problemen bei sehr niedrigen und sehr hohen Signalpegeln als bilineare Schaltungen, bei denen die Verstärkungsänderung auf einen mittleren Teil der Charakteristik beschränkt ist, und Überschwingungsprobleme treten in stärkerem Masse auf als bei Anordnungen mit bilinearer Charakteristik. Bekannte Kompander mit konstanter Neigung verwenden Kompressionsverhältnisse im Bereich 1,5:1, 2:1 und 3:1, ein Verhältnis 2:1 ist jedoch am verbreitetsten.

Das Kompressionsverhältnis wird als das Verhältnis einer Zunahme im Eingangsdynamikbereich zur entsprechenden Zunahme im Ausgangsdynamikbereich. Das Expansionsverhältnis für einen komplementärenExpander ist das Inverse des Kompressionsverhältnisses. Wenn das Kompressionsverhältnis 3:1 beträgt, beträgt das Expansionsverhältnis 1:3. Es ist bequem, das Konzept des inversen Expansionsverhältnisses zu verwenden, das für c.as soeben genannte Beispiel 3:1 beträgt, d.h. es entspricht dem Kompressionsverhältnis. Der Einfachheit halber wird die folgende Diskussion hauptsächlich auf das Kompressionsverhältnis beschränkt, wobei jedoch selbstverständlich zu berücksichtigen ist, dass die gleichen Betrachtungen mutatis mutandis für das Expansions Verhältnis anzustellen sind.

Ein hohes Kompressionsverhältnis hat den Nachteil, dass es schwierig ist, die Komplementarität zwischen Kompressor und Expander zu gewährleisten; insbesondere Pegelfehler oder Fehler im Frequenzgang des Übertragungs- oder Aufzeichnungsmediums führen zu entsprechend vervielfachten Fehlern am Ausgang des Expanders.

Es ist bekannt (z.B. US-PS 2 558 002, US-PS 4 061 874; japanische Patentveröffentlichung 51-20124) den Betrag der verfügbaren Kompression dadurch zu erhöhen, dass mehrere Kompressorstufen in Kaskade geschaltet werden. Diese bekannten Schaltungen (gesteuerte Impedanzeinrichtungen, Dioden usw.) multiplizieren die Kompressionsverhältnisse der einzelnen Stufen, so dass sich ein hohes Kompressionsverhältnis ergibt, mit den oben erläuterten Nachteilen. Beispielsweise ergeben eine Schaltung mit einem Kompressionsverhältnis 2:1 mit einer anderen mit einem Kompressionsverhältnis 3:1 ein Gesamtverhältnis von 6:1. Das resultierende Expansionsverhältnis 1:6 stellt ausserordentlich hohe Anforderungen an die Gleichförmigkeit des Übertragungskanals. Ein weiterer Gesichtspunkt sind die Forderungen an die Schaltung, die die Verstärkungsänderung bewirkt, die dazu erforderlich ist, die Kompressor- oder Expan-der-Kennlinie zu erzielen. Es ist relativ leicht, dafür zu sorgen, dass eine Schaltung genaue Verstärkungsänderungen innerhalb eines Bereichs von 10 dB bewirkt; es ist jedoch wesentlich schwerer, dafür zu sorgen, dass die gleiche Schaltung genaue Verstärkungsänderungen über einen Bereich von 20 dB bewirkt. Es ist deshalb schwierig, eine konstrollierte, reproduzierbare Charakteristik zur Verwendung in einem Kompandersystem zu erreichen. Die japanische Patentveröffentlichung 51-20124 kommt zu dem Schluss, dass mehrere Kompressoren (und Expander) in Reihe für Wiedergabesysteme für hohe Wiedergabetreue als Geräuschminderungssystem nicht geeignet sind.

Es ist auch bekannt (US-PS 3 902 131 und 3 930 208) mehrere Kompressorstufen in Kaskade anzuordnen, die in einander ausschliessenden Frequenzbereichen arbeiten. Solche Anordnungen brauchen nicht zu einer Erhöhung des Kompressionsverhältnisses gegenüber dem von einer Einzelstufe zu führen,

sie führen jedoch auch nicht zu einer Erhöhung der Kompression.

Aufgrund all dieser Überlegungen ist es Aufgabe der Erfindung, einen grösseren Betrag der Kompression oder Expansion ohne einen unerwünscht grossen Anstieg des Kompressionsverhältnisses zu erreichen und ohne dass sehr hohe Anforderungen an irgendeine Schaltung gestellt werden müssen, die in die Be-wirkung der Verstärkungsänderung involviert ist.

Weiter soll durch die Erfindung ein höherer Betrag an Au-dio-Kompression oder -Expansion erreicht werden, ohne dass ein unerwünscht grosser Anstieg von Überschwingungen hervorgerufen werden wird, die bei Signalsprüngen entstehen.

Eine nähere Untersuchung von bilinearen Schaltungen zeigt, dass sie nicht nur die oben aufgeführten Vorteile haben, sondern auch noch einen weiteren — nämlich eine Möglichkeit zur Lösung des Problems des hohen Kompressionsverhältnisses und, im Falle von Audio-Schaltungen, eine Möglichkeit zur Lösung des Problems starker Überschwingungen.

Es ist zunächst darauf hinzuweisen, dass die Überlagerung der linearen Bereiche das Kompressionsverhältnis in diesen Bereichen nicht erhöht, das Kompressionsverhältnis wird nur in dem begrenzten Bereich erhöht, in dem die Dynamikwirkung stattfindet. Es wurde deshalb festgestellt, dass es möglich ist, die Bereiche der Dynamikwirkung in der Weise zu trennen, dass zwar insgesamt ein Anstieg der Kompression erhalten wird, gleichzeitig aber das Gesamt-Maximum des Kompressions- oder Expansionsverhältnisses nicht erheblich geändert wird.

Ein weiteres Merkmal einer solchen Anordnung besteht darin, dass das Gesamtresultat bilinear ist, mit allen zugehörigen Vorteilen. Die Staffelungsmöglichkeit der Wirkung von bilinearen Geräten bildet einen weiteren, bisher nicht erkannten Vorteil dieser Geräteart.

Die oben angegebenen Ziele werden gemäss der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht. Die Ansprüche 2 bis 26 beschreiben besondere Ausführungsformen der Erfindung bzw. Anordnungen, in welchen die Erfindung angewendet wird.

Bei einer nachstehend näher beschriebenen Schaltungsanordnung folgen einer ersten Schaltung, die eine bilineare Ein-gangs-Ausgangs-Charakteristik hat, eine oder mehrere Schaltungen, die ebenfalls bilineare Charakteristiken bei irgendeiner gegebenen Frequenz innerhalb eines Frequenzbereiches hat bzw. haben, der den Schaltungen gemeinsam ist. Die Schwellen und die Dynamikbereiche der Schaltungen werden auf unterschiedliche Werte eingestellt, so dass die Mittelpegelbereiche der Charakteristiken der Schaltungen gestaffelt werden, um eine Verstärkungsänderung über einen grösseren Bereich von mittleren Eingangspegeln als für irgendeine der Schaltungen einzeln zu erreichen, und um eine grössere Differenz zwischen den Verstärkungen bei niedrigen und hohen Eingangspegeln zu erhalten, jedoch mit einem maximalen Kompressions- oder Expansionsverhältnis, das im wesentlichen nicht grösser ist als das maximale Kompressionsverhältnis irgendeiner Einzelschaltung, und zwar dank der Staffelung.

Wenn im Falle von Audio-Schaltungen die Schaltungen Überschwingungsunterdrückungs-(Begrenzungs-)Elemente haben, dann ist es auch möglich, deren Schwellwerte zu staffeln, zusammen mit der Staffelung der syllabischen Schwellen. Die Überschwingunggen der Niedrigpegelschaltungen oder -stufen, werden entsprechend herabgesetzt, mit einem minimalen Ge-samt-Überschwingen der mehreren Stufen. Das steht im Kontrast zu konventionellen logarithmischen Kompressoren, bei denen starke Überschwingungen notwendigerweise hervorgerufen werden.

Jede dieser Schaltungen kann eine Änderung des Spektralgehaltes des Signals einführen — beispielsweise im Falle eines Kompressors eine Höhenanhebung bei kleinen Pegeln. Jede folgende Stufe kann damit von einem Signal mit sich progressiv

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änderendem Spektralgehalt betätigt werden. Im Falle von komplexen Signalen hat das den Vorteil einer Spektralverbreiterung der Fehlermöglichkeiten in der Dekoderfunktion. Im Falle eines Bandaufzeichnungsgerätes mit ungleichförmiger Frequenzgang-Charakteristik reduziert beispielsweise die Spektralverschie-bungsneigung die dynamischen und Frequenzgang-Fehler über alles im dekodierten Resultat.

Es soll jetzt der Betrag der erforderlichen Staffelung betrachtet werden. Der Einfachheit halber wird dazu auf eine Reihenschaltung von Kompressorschaltungen Bezug genommen. Das Kompressionsverhältnis jeder der beiden Schaltungen steigt von eins an der jeweiligen Schwelle zu einem Maximum (z.B. 2:1) und dieser Teil soll als steigende Flanke des Kompressionsverhältnisses bezeichnet werden. Das Verhältnis fällt dann zurück auf eins und dieser Teil soll als fallende Flanke bezeichnet werden. Strenggenommen, kann die fallende Flanke sich asymptotisch an eins annähern, praktisch kann jedoch angenommen werden, dass der Wert eins erreicht ist, wenn das Kompressions Verhältnis einen Wert hat, der sich nur um einen beliebig klein gewählten Betrag vom Wert eins unterscheidet.

Die Staffelung des Mittelpegelbereichs der beiden Schaltungen resultiert darin, dass die fallende Flanke einer Schaltung die steigende Flanke der anderen Schaltung überlappt. Wenigstens in erster Näherung kann dafür gesorgt werden, dass die Differenz zwischen den beiden Schwellen einen solchen Wert hat, dass die Überlappung der Flanken in einem Gesamtkompres-sions-Verhältnis resultiert, das das maximale Kompressionsverhältnis einer der Schaltungen selbst nicht merklich übersteigt.

Vorzugsweise liegt die Schwelle der zweiten Schaltung niedriger als die der ersten Schaltung (wenn mehr als zwei Schaltungen verwendet werden, hat jede weitere Schaltung vorzugsweise eine progressiv niedriger liegende Schwelle) im Falle eines Kompressors und umgekehrt im Falle eines Expanders. Im Prinzip kann die Reihenfolge umgekehrt werden, wobei die erste Kompressorschaltung die niedrigere Schwelle hat.

Im Falle von mehr als zwei Schaltungen kann die Reihenfolge der Schwellwertpegel im Prinzip willkürlich sein und auch ihre Aufeinanderfolge beliebig sein, sofern nur die Mittelpegelteile der Schaltungen in passender Weise gestaffelt sind.

Als ideale Staffelung wird eine solche angesehen, bei der die fallende Flanke der einen Schaltung die steigende Flanke der anderen Schaltung überlappt, um, soweit wie möglich, den Pegelbereich zu beschränken, in dem die Dynamikwirkung in der Gesamt-Reihenschaltung stattfindet, während gleichzeitig eine merkliche Erhöhung des maximalen Kompressions- oder Expansionsverhältnisses gegenüber dem eines Einzelgerätes vermieden wird. Wenn dann beispielsweise das maximale Kompressionsverhältnis jeder Schaltung 2:1 beträgt, steigt das Kompressionsverhältnis der Gesamtschaltungsanordnung auf 2:1, bleibt auf diesem Wert innerhalb der Überlappung, und fällt dann auf eins zurück. Idealerweise ergibt sich damit überhaupt kein Anstieg über das Verhältnis 2:1, im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, von Kompressorstufen in Kaskade, die die Verhältnisse auf 4:1 vervielfachen.

In der Praxis kann es schwierig sein, eine optimale Überlappung bei allen Frequenzen zu erreichen, es ist jedoch zu erkennen, dass, sofern eine vernünftige Annäherung an das Ideal angestrebt wird, dass verhindert werden kann, dass das Maximum des Gesamt-Kompressionsverhältnisses in dem angegebenen Beispiel zu stark über 2:1 ansteigt. In einer praktischen Schaltungsanordnung kann es vielleicht auf 2,5:1 ansteigen.

Ein niedriges maximales Kompressionsverhältnis (beispielsweise 1,5:1) ermöglicht es dem Expander, leichter dem Kompressor zu folgen, um für eine gute Komplementarität bei Signalkanälen mit etwas unzuverlässigen Verstärkungen und/oder Frequenzgängen zu sorgen. Ein niedriges Kompressionsverhältnis breitet jedoch die Dynamik-Wirkung über einen grösseren Pegelbereich aus, wodurch sich eine grössere Neigung zur Geräuschmodulation für ein und denselben maximalen Betrag an Geräuschminderung (Verstärkungsdifferenz bei niedrigen und hohen Pegeln) ergibt. Es muss also ein Kompromiss bezüglich der unerwünschten Effekte gefunden werden, die durch grosse und durch kleine Kompressions Verhältnisse verursacht werden. Dementsprechend hängt das ideale Kompressionsverhältnis von der System-Umwelt und den Entwurfszielen des Systems ab.

Die Möglichkeit, bilineare Stufen zu staffeln, gibt dem Konstrukteur eine zusätzliche Möglichkeit an die Hand, eine Gesamtschaltung zu optimieren. Bei dieser Optimierung können die Formen der Kompressionscharakteristiken der einzelnen Stufen speziell unter Berücksichtigung der Staffelungen entworfen werden. Die Signalsprungcharakteristiken der Schaltungen werden alle in diese Betrachtung einbezogen und es wird vorzugsweise die Gelegenheit wahrgenommen, die Überschwin-gungs-Unterdrückungsschwellen in Audio-Kompression und -Expansion zu staffeln, um eine minimale Überschwingung über die ganze Schaltung zu erhalten.

Eine unter der Bezeichnung «sliding band» in weitem Umfang bekannte Schaltung, die als erste und zweite Schaltung verwendet werden kann, erzeugt die spezifizierte erwünschte Charakteristik für den Fall der Hochfrequenz-Audio-Kompres-sion oder -Expansion dadurch, dass eine Hochfrequenzanhe-bung (für Kompression) oder Absenkung (für Expansion) mittels eines Hochpassfilters mit variabler unterer Grenzfrequenz eingeführt wird. Wenn der Signalpegel im Hochfrequenzband steigt, gleitet die Filtergrenzfrequenz aufwärts, so dass das angehobene bzw. abgesenkte Band verschmälert wird und das Nutzsignal von der Anhebung bzw. Absenkung ausgeschlossen wird. Beispiele solcher Schaltungen sind beschrieben in den US-PS Re 28 426, 3 757 254, 4 072 914, 3 934 190 und japanischer Patentanmeldung 55529/71.

Entsprechend können sowohl die erste als auch die zweite Schaltung eine solche «sliding band»-Schaltung sein. Im Prinzip können die Ruhe-Grenzfrequenzen der beiden «sliding band»-Schaltungen unterschiedlich sein und das kann dazu ausgenutzt werden, einen Kompressions- oder Expansionsgrad zu erhalten, der in einem Teil des behandelten Frequenzbandes grösser ist als in einem anderen. Gemäss einer wichtigen Weiterentwicklung der Erfindung werden die Grenzfrequenzen jedoch im wesentlichen identisch gemacht. Das führt zu dem Vorteil einer schärferen Diskriminierung zwischen dem Frequenzbereich, in dem Anhebung oder Absenkung vorgenommen wird, und dem Bereich, wo das nicht geschieht, und dementsprechend einer schärferen Diskriminierung zwischen dem Bereich, in dem eine Geräuschminderung nicht weiter stattfindet, weil ein merkliches Nutzsignal auftritt, und dem Bereich, in dem die Geräuschminderung effektiv bleibt.

Andererseits sind auch Schaltungen gut bekannt, bei denen das Frequenzspektrum durch entsprechende Bandpassfilter in mehrere Bänder aufgespalten wird, und die Kompression oder Expansion wird in jedem Band durch eine Verstärkungssteuerung bewirkt, sei es eine automatisch ansprechende Begrenzungseinrichtung vom Diodentyp oder eine gesteuerte Begrenzungseinrichtung, und zwar im Fall eines Kompressors, mit irgendeiner Form einer reziproken oder komplementären Schaltung für einen Expander. Beispiele solcher Schaltungen sind in der US-PS 3 846 719 zu finden. Diese Schaltungen mit Bandaufspaltung oder Mehrpass-Schaltungen haben den Vorteil einer unabhängigen Wirkung in den verschiedenen Frequenzbändern, und wenn diese Eigenschaft erforderlich ist, können solche Schaltungen als erste, zweite oder noch höhere Stufe in der Schaltungsanordnung nach der Erfindung verwendet werden.

Im Prinzip kann eine der Schaltungen, sei es die erste oder die zweite, eine Mehrbandschaltung sein und die andere eine sliding-band-Schaltung. Das ist in speziellen Situationen interessant, wo es beispielsweise erwünscht ist, den Kompressionsoder Expansionsgrad in einem Teil des gesamten Frequenzban5

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des zu vergrössern, wobei die sliding band-Schaltung und einer oder mehrere der Mehrband-Kanäle in diesen Teil des Frequenzbandes wirken.

Es ist bekannt, bilineare Kompressoren und Expander, sowohl vom Typ sliding band als auch vom Typ Bandspaltung, unter Verwendung eines einzigen Signalweges aufzubauen. Allgemein wird jedoch bevorzugt, solche Geräte in der Weise aufzubauen, dass ein Hauptsignalweg geschaffen wird, der hinsichtlich des Dynamikbereiches linear ist, mit einer Vereinigungsschaltung in diesem Hauptweg, und einer weiteren Schaltung, die ihren Eingang vom Eingang oder Ausgang der weiteren Schaltung ableitet und deren Ausgang mit der Vereinigungsschaltung gekoppelt ist. Die weitere Schaltung weist einen Begrenzer (selbstwirkend oder gesteuert) auf, und das begrenzte Signal der weiteren Schaltung hebt das Signal des Hauptweges in der Vereinigungsschaltung im Falle der Kompression an, wirkt jedoch im Falle der Expansion dem Signal des Hauptweges entgegen. Im oberen Teil des Eingangs-Dynamikbereiches ist das begrenzte Signal des weiteren Weges kleiner als das Hauptwegsignal. Der Hauptweg und die weiteren Schaltungen sind vorzugsweise und am zweckmässigsten getrennt identifizierbare Signalwege.

Solche bekannte Kompressoren und Expander sind besonders vorteilhaft, weil sie es ermöglichen, die gewünschte Art der Übertragungscharakteristik auf eine präzise Weise herzustellen, ohne Probleme der Verzerrung bei hohen Pegeln. Der Niedrigpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung wird dadurch verwirklicht, dass dem weiteren Weg oder der weiteren Schaltung eine Schwelle oberhalb des Rauschpegels gegeben wird; unterhalb dieser Schwelle ist der weitere Weg linear. Der Mittelpegelteil wird durch den Bereich erzeugt, innerhalb dessen die Begrenzungswirkung des weiteren Weges teilweise effektiv wird und der Hochpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung ergibt sich, nachdem der Begrenzer voll wirksam geworden ist, so dass das Signal des weiteren' Weges aufhört, anzusteigen, und verglichen zum Signal des Hauptweges vernachlässigbar wird. Im höchsten Teil des dynamischen Eingangsbereiches ist der Ausgang der ganzen Schaltungsanordnung effektiv nur das Signal, das vom linearen Hauptweg durchgelassen wird, d.h. linear bezüglich des dynamischen Bereiches. In Doppelweg («Dual-Path»)-Audio-Schaltungen sind Vorkehrungen für Unterdrückung von Unterschwingungen speziell einfach.

Beispiele solcher bekannten Schaltungen sind in den US-PS 3 846 719, 3 903 485 und Re 28 426 zu finden. Es sind auch analoge Schaltungen bekannt, die ähnliche Resultate erreichen, bei denen der weitere Weg jedoch Charakteristiken invers zu Begrenzercharakteristiken hat und der Ausgang des weiteren Weges zum Hauptwegsignal zur Kompression entgegenwirkt, und das Hauptwegsignal zur Expansion anhebt (US-PS 3 828 280 und 3 875 537).

Jede dieser bekannten bilinearen Schaltungen kann dementsprechend als erste oder zweite Schaltung der erfindungsgemäs-sen Schaltung verwendet werden, um die inhärenten Vorteile zu erreichen und für eine gute Möglichkeit zu sorgen, den gewünschten Betrag der Staffelung zu erreichen. Zu diesem Zweck werden die Schwellen und die Dynamikbereiche der beiden weiteren Wege entsprechend eingestellt.

Wie bereits erwähnt, ist es nicht notwendig, die gewünschte Form einer bilinearen Charakteristik durch solche «Dual-Path»-Techniken zu erzeugen. Es gibt Alternativen, die jeweils mit einem einzigen Weg arbeiten, wie sie beschrieben sind in den US-PS 3 757 254, 3 967 219, 4 072 914 und 3 909 733 und in der japanischen Patentanmeldung 55529/71, beispielsweise. Mit diesen alternativen Schaltungen können gewöhnlich nicht ebenso gute Resultate erzielt werden wie mit dual path-Schal-tungen, oder sie sind weniger bequem und damit weniger wirtschaftlich, sie können jedoch im allgemeinen äquivalente Resultate ergeben. Dementsprechend können diese bekannten Schaltungen ebenfals als eine oder mehrere der Schaltungen einer er-findungsgemässen Schaltungsanordnung verwendet werden. Ge-wünschtenfalls kann die erste oder die zweite Schaltung eine dual-path-Schaltung sein und die andere eine Einweg-Schaltung.

Die Erfindung wird näher anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen beispielhaften Satz von Kurven für komplementäre, bilineare Kompressions- und Expansionscharakteristiken;

Fig. 2 ein allgemeines Blockschaltbild einer erfindungsge-mässen Anordnung;

Fig. 3 eine grafische Veranschaulichung eines Beispiels für Bereiche der Dynamikwirkung, und wie sie bei in Reihe geschalteten Kompressoren oder Expandern getrennt werden können;

Fig. 4 eine vereinfachte Form der Darstellung in Fig. 3;

Fig. 5 eine Reihe von idealisierten bilinearen Charakteristik-Kurven, die eine allgemeine Technik zur Staffelung der Schwellwerte von in Reihe liegenden Schaltungen illustrieren;

Fig. 6 ein Schaltbild eines bekannten sliding band-Kompres-sors;

Fig. 7 ein Schaltbild eines bekannten sliding-band-Expan-ders;

Fig. 8 ein Schaltbild einer Modifikation für Fig. 6 bzw. 7;

Fig. 9 eine Blattschreiberaufzeichnung des Frequenzgangs unterhalb der Kompressionsschwelle von zwei Kompressoren bzw. Expandern in Reihe gemäss einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 eine Blattschreiberaufzeichnung des Frequenzgangs unterhalb der Kompressionsschwelle eines bekannten Kompressors und Expanders nach Fig. 6, 7 und 8;

Fig. 11 eine Blattschreiberaufzeichnung des Eingang-Ausgang-Frequenzgangs eines Kompressors mit Reihenschaltung von Geräten gemäss einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 eine Blattschreiberaufzeichnung des Eingangs-Aus-gangs-Frequenzgangs eines bekannten Kompressors mit einem einzelnen Gerät;

Fig. 13 bis 15 Reihen von Suchton-Kurven, die die sliding band-Wirkung einer Ausführungsform der Erfindung und der Schaltung nach Fig. 6 und 8 illustrieren;

Fig. 16 Kennlinien unterhalb der Kompressionsschwelle einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 17 charakteristische Kurven ähnlicher Art wie in Fig. 11, jedoch für eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 18 charakteristische Kurven ähnlich denen der Fig. 11 und 17, jedoch mit Illustration übertriebener Bündelung.

Beispiele für bilineare, komplementäre Kompressions- und Expansions-Übertragungs-Charakteristiken (bei einer bestimmten Frequenz) sind in Fig. 1 dargestellt, wobei für die Kompressionscharakteristik der iSliedrigpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung, die Schwelle, der Teil, in dem die Dynamikwirkung stattfindet, der Endpunkt und der Hochpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung bezeichnet sind.

Fig. 2 zeigt die Erfindung in ihrer allgemeinsten Form: Ein erster bilinearer Kompressor 2 nimmt die Eingangsinformation auf und legt seinen Ausgang an einen zweiten bilinearen Kompressor 4, der in Reihe geschaltet ist, und dessen Ausgang an einen rauschbehafteten Informationsübertragungskanal N gelegt wird. Zwei in Reihe geschaltete bilineare Expander 6 und 8 empfangen den Eingang vom Kanal N im Expander 6 und liefern am Ausgang des Expanders 8 den Ausgang des Geräuschminderungssystems. Die Bereiche der Dynamikwirkung der in Reihe geschalteten Geräte sind getrennt oder gestaffelt in bezug aufeinander innerhalb des Frequenzbereiches, der den Geräten gemeinsam ist. Wenn auch die Figur zwei Geräte auf jeder Seite des Informationskanals N zeigt, so können doch zwei oder mehr verwendet werden. Die Erfindung zieht zwei oder mehr in Reihe geschaltete bilineare Kompressoren oder Expander in Betracht. Wenn das Ganze als komplementäres Geräuschminde5

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rungssystem konfiguriert ist, werden gleiche Anzahlen von in Reihe geschalteten bilinearen Kompressoren und Expandern vorgesehen.

Die Reihenfolge der Stufen mit bestimmten Charakteristiken im Kompressor ist im Expander umgekehrt. Beispielsweise ist die letzte Stufe des Expanders komplementär zur ersten Stufe des Kompressors in jeder Hinsicht — statisches Verhalten und zeitabhängiges dynamisches Verhalten (Frequenz-, Phasen-und Sprungverhalten unter allen Bedingungen von Signalpegeln und Dynamik).

Ein Beispiel für die Trennung oder Staffelung von zwei bilinearen Geräten ist in Fig. 3 grafisch veranschaulicht, wobei das Kompressionsverhältnis über dem Eingangsamplitudenpegel (horizontale Achse) für einen Kompressor oder Expander, der bei einer bestimmten Frequenz arbeitet, aufgetragen ist. Der Klarheit halber sind die Kurven in idealisierter Form dargestellt; in der Praxis sind die Kurven etwas asymmetrisch in praktischen Ausführungen von Geräuschminderungssystem vom Typ A bzw. B gemäss US-PS 3 846 719 bzw. US-PS Re 28 426. Kurve 12 bezieht sich auf die Dynamikwirkung eines Kompressors oder Expanders (Hochpegelstufe). Kurve 10 ist die eines weiteren Kompressors oder Expanders (Niedrigpegelstufe) mit einem getrennten Bereich der Dynamikwirkung. Wenn die Hochpegelstufe die erste in der Reihe von Kompressoren (zweite in der Reihe von Expandern) ist, repräsentiert die Kurve 12 die Variationen des Kompressionsverhältnisses der ersten (Kompressor) Stufe in Abhängigkeit vom Eingangspegel zur ersten Stufe, und Kurve 10 die Variation des Kompressionsverhältnisses der zweiten (Kompressor) Stufe als Funktion des Eingangspegels zur ersten Stufe. Die oberen Kurven sind diejenigen von Kompressoren, die unteren Kurven diejenigen von Expandern. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wirkungsbereiche in Antwort auf Eingangsamplitudenpegel derart getrennt, dass das Produkt der beiden Kurven in einer Gesamtcharakteristik resultiert, die ein Kompressions- oder Expansionsverhältnis hat, das zwischen den Punkten 10a und 12a (10b und 12b) maximaler Kompression der beiden Geräte 2:1 (1:2) nicht überschreitet.

Selbst mit den beiden Geräten in Reihe bleiben also die Betriebsendbereiche weiterhin fest, das maximale Kompressionsverhältnis und das maximale Expansionsverhältnis werden nicht über die eines einzelnen Gerätes erhöht und die Vorteile einzelner bilinearer Einrichtungen werden beibehalten. Dementsprechend sollten irgendwelche Fehler, die innerhalb des Bereiches der Dynamikwirkung durch die Geräte in Reihe verursacht werden, nicht diejenigen eines Einzelgerätes übersteigen.

Die meisten bilinearen Einrichtungen legen die festen Endbereiche konstanter Verstärkung mittels fixierter, voreingestellter Schaltungselemente, wie Widerstände und Kondensatoren, fest, die ihrer Natur nach stabil sind und keine Dynamikfehler, Spannungsverlaufverzerrungen und dgl. einführen können.

Dementsprechend können nur in einem Übergangsbereich des Betriebes, zwischen den linearen Bereichen mit konstanter Verstärkung irgendwelche dynamisch aktiven Teile der Schaltungen Signalfehler einführen.

Es ist zu beachten, dass in der Darstellung der Fig. 2 der Dynamikbereich eines konventionellen logarithmischen Kompressors oder Expanders eine horizontale Linie wird; Linie 11 ist beispielsweise die Kennlinie eines 2:1 Kompressors, Linie 13 die eines 1:2 Expanders. Es ist klar, dass in dieser Analyse keine Gelegenheit zur Trennung oder Staffelung der Wirkung solcher Einrichtungen vorhanden ist.

Zur Analyse und um eine erste Näherung für den notwendigen Schwellwertpegel zur Erzielung einer optimalen Staffelung nach der Erfindung zu erhalten, ist es nützlich, Fig. 3 noch weiter zu idealisieren. Es soll deshalb angenommen werden, dass jeder Kompressor (und Expander) an einem Schwellwertpegel sofort sein maximales Kompressionsverhältnis erreicht und dieses Verhältnis beibehält, bis er einen Endpunkt an einem höheren Pegel erreicht, wo die Dynamikwirkung abrupt aufhört. Dann erscheint eine Reihe von Kompressoren und Expandern in der Darstellungsweise der Fig. 3 als eine Folge von aneinander -schliessenden rechteckigen Kurven, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. Als Beispiel sind hier drei Kompressoren und Expander mit bilinearer Charakteristik in Reihe geschaltet. Die Niedrigpegeleinrichtung, bei der es sich vorzugsweise um den dritten Kompressor (erster Expander) handelt, hat die niedrigste Schwelle (T3), die bei -62 dB dargestellt ist, mit dem Endpunkt (F3) bei -46 dB, wo die Schwelle (T2) der Mittelpegelstufe liegt. Die Mittelpegelstufe hat ihren Endpunkt (F2) bei -30 dB, der Schwelle (T1) der Hochpegelstufe. Die Hochpegelstufe hat ihren Endpunkt (Fi) bei -14 dB. Alle Pegel beziehen sich auf den Ge-samt-Eingang. Es wird ferner angenommen, dass jede Stufe eine Verstärkung von 8 dB hat und ein maximales Kompressionsverhältnis von 2:1.

Fig. 5 zeigt idealisierte Charakteristik-Kurven (Über-Alles-Eingang gegenüber -Ausgang) für die Kompression beruhend auf dem Beispiel der Fig. 4 (die spiegelbildlichen Expansionskurven sind der Klarheit halber weggelassen worden). Die Zeichnung zeigt, wie die Dynamikwirkung jeder Stufe im An-schluss an die der benachbarten Stufe auftritt, so dass sich ein Gesamt-Kompressionsverhältnis 2:1 ergibt, während 24 dB Kompression erhalten werden.

Aufgrund der Beobachtungen in Fig. 4 und 5 gibt eine einzige Gleichung die Beziehung zwischen Schwellwertpegeln (T), Endpunkt (F), maximales Kompressionsverhältnis (C) und Verstärkung (G) irgendeiner bestimmten Stufe an:

CG

T = F- .

C-l

Unter Verwendung dieser Gleichung können die Schwellwertpegel für jede Stufe in einem iterativen Prozess zu einer vernünftig engen Näherung bestimmt werden. Wenn beispielsweise ein Gesamt-Endpunkt (Fi) von -14 dB mit einer Stufenverstärkung von 8 dB und einem maximalen Kompressionsverhältnis von 2 gewünscht wird, zeigt die Gleichung, dass die Hochpegelschwelle (Ti) bei -30 dB liegen soll. Dieser Wert wird dann als Endpunkt (F2) der Mittelpegelstufe verwendet, um zu bestimmen, dass deren Schwelle bei -46 dB liegen soll und so fort. Auf diese Weise wird jede Stufe auf das Resultat der vorangegangenen Stufe in dieser Analyse bezogen.

Die berechnete Schwelle ist jedoch die Gesamtschwelle, bezogen auf den Eingang der Reihenschaltung. Um die Schwelle einer speziellen Schaltung zu erhalten, bezogen auf ihren eigenen Eingang, wird die kumulative Signalverstärkung bis zu diesem Punkt berücksichtigt. Beispielsweise beträgt die Schwelle der Niedrigstpegelstufe in Fig. 5 -46 dB bezogen auf den Eingang dieser Stufe.

Die Gleichung kann auch für den Endpunkt F, das Kompressionsverhältnis C, oder die Verstärkung G gelöst werden. Der Konstrukteur kann also seine Schaltungsparameter auf der Basis seiner Konstruktionsziele festlegen. Solche Ziele können beispielsweise sein, dass die niedrigstpegelige Schwelle oberhalb des Grundrauschens liegt, dass der höchstpegelige Endpunkt niedrig genug liegt, um die Verwendung eines Überschwingungsschutzes zu erlauben, und dass das maximale Gesamt-Kompressionsverhältnis nicht einen bestimmten Wert übersteigt.

In praktischen Schaltungen sind, wie einleitend bereits erwähnt, die Schwelle und der Endpunkt nicht immer gut definierte Punkte, als die sie in dieser Analyse behandelt werden. Die Bereiche, in denen der Mittelpegelbereich in den Niedrigbzw. Hochpegelbereich übergeht, können gleitend oder abrupt zulaufen, je nach der Kennlinie der Schaltung, die die Dynamikwirkung steuert. In der Praxis überlappt deshalb der Schwellwertbereich der einen Schaltung den Endpunktbereich einer anderen Schaltung.

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Eine Betrachtung der obigen Gleichung in Fig. 5 zeigt, dass für den speziellen Fall eines Kompressionsverhältnisses 2:1 die Hälfte der Schwellenstaffelung durch die Signalverstärkungen der Stufen erreicht wird und dass die andere Hälfte durch eine geänderte Vorspannung des Steuerelementes und/oder eine geänderte Steuerverstärker-Verstärkung (höhere Verstärkung für niedrigere Schwelle) erzielt werden muss. In ähnlicher Weise wird für Kompressionsverhältnisse 1,5:1 oder 3:1 1/3 bzw. 2/3 der Staffelung durch die Stufenverstärkungen eingestellt und 2/3 bzw. 1/3 der Staffelung muss durch die Steuerschaltung bewirkt werden.

In Fig. 1 und 5 ist 0 dB ein Nenn-Maximum oder Bezugspegel. In Praxis ist noch ein Freiraum von einigen 10 dB bis 20 dB oberhalb des 0 dB-Pegels vorgesehen.

Wie bereits erwähnt ist es gewöhnlich vorzuziehen, dass die Hochpegelstufe die erste in einer Kompressorreihe ist und die Niedrigpegelstufe die letzte. Eine umgekehrte Anordnung ist jedoch auch möglich. Im Umkehrungsfall braucht der Steuerverstärker der ersten Stufe eine hohe Verstärkung, um die erforderliche niedrige Schwelle zu erreichen. Diese niedrige Schwelle gilt dann auch in der Gegenwart von hochpegeligen Signalen, was im Falle der bekannten sliding band-Systeme gewöhnlich zu einem schlechten Rauchmodulationsverhalten des Gestamtsystems führt. In dieser Umkehranordnung muss jede Stufe ausreichend Steuerverstärker-Verstärkung aufweisen, um die für diese Stufe erforderliche Schwelle zu erreichen. Darüber hinaus ist jede Schwelle im wesentlichen fixiert und unabhängig vom Betrieb der anderen Stufen. Dies ist die Konsequenz der Tatsache, dass die Signalverstärkung jeder früheren Stufe im wesentlichen auf Eins gefallen sind, wenn die Schwelle für die entsprechende folgende Stufe erreicht wird. Die Berechnung der Schwellen, die für die optimale Staffelung im umgekehrten Falle erforderlich sind, ist die gleiche wie die im bevorzugten Falle. Die Schwelle jeder Stufe, bezogen auf ihren Eingang, wird jedoch die gleiche wie die Gesamt-Schwelle.

Im Gegensatz zur Umkehrsituation liegt in der bevorzugten Anordnung (bei der die Hochpegelstufe die erste in der Kompressorkette ist und die Niedrigpegelstufe die letzte) eine nützliche Wechselwirkung zwischen den Stufenverstärkungen und den Schwellen vor. Die Schwellen der stromabwärtigen Stufen werden teilweise durch die Signalverstärkungen der vorangegangenen Stufen bestimmt. In einem zweistufigen System mit 10 dB Niedrigpegelverstärkung pro Stufe wird die erforderliche Verstärkung des Steuerverstärkers der zweiten Stufe um 10 dB reduziert, dank der Niedrigpegel-Signalverstärkung der ersten Stufe. Wenn ein hochpegeliges Signal erscheint, werden die 10 dB Verstärkung der ersten Stufe eliminiert und die Schwelle der Niedrigpegelstufe wird effektiv um 10 dB erhöht. Mit sliding band-Compandern verbessert das das Rauschmodulationsverhalten der Geräuschminderungswirkung.

Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärkungen aller vorangegangenen Stufen bis zu der Schwelle irgendeiner folgenden Stufe voll wirksam. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen System mit umgekehrter Ordnung nutzt die bevorzugte Anordnung am besten die vorherrschenden Signalverstärkungen der einzelnen Stufen aus, nämlich:

1. Bei sehr niedrigpegeligen Signalen (unter der Schwelle) ist die erforderliche Verstärkung des Steuerverstärkers jeder Stufe um einen Betrag reduziert, der gleich der kumulativen Signalverstärkung aller vorangegangenen Stufen ist. Beim Beispiel der Fig. 5 ist die erforderliche Verstärkung für den Steuerverstärker der niedrigstpegeligen Stufe zur Erreichung einer Schwelle von -62 dB auf diese Weise um 16 dB relativ zu der reduziert, die erforderlich wäre, wenn diese Stufe unabhängig oder in der oben beschriebenen umgekehrten Konfiguration arbeiten würde. In ähnlicher Weise ist die Verstärkung des Steuerverstärkers der Mittelpegelstufe um 8 dB reduziert, führt also zu der wirtschaftlichsten Schaltung.

2. Ein signalabhängiger variabler Schwellwerteffekt wird erreicht, so dass bei sliding band-Stufen Rauschmodulationseffekte reduziert werden. Die effektiven Schwellwerte der Niedrigpegelstufen werden progressiv mit steigendem Signalpegel bei einer bestimmten Frequenz angehoben. Bei hohen Signalpegeln (am linearen Hochpegelteil der Übertragungscharakteristik)

wird die effektive Schwelle der niedrigstpegeligen Stufe um einen Pegel angehoben, der gleich ist der Niedrigpegel-(unter-schwelligen) Stufenverstärkungen bis zu diesem Punkt. Im Beispiel der Fig. 5 ist die Schwelle der niedrigstpegeligen Stufe, normalerweise -62 dB bei niedrigpegeligen Signalen, auf diese Weise um 16 dB auf -26 dB bei hohen Signalpegeln angehoben. In ähnlicher Weise wird die Schwelle der Mittelpegelstufe auf -38 dB angehoben.

In einer ersten praktischen Ausführungsform der Erfindung, bei der sliding band-Einrichtungen in Reihe verwendet werden, sind der Kompressor 2 und der Expander 8 gemäss Fig. 2 grundsätzlich übliche sliding band-Schaltungen gemäss US-PS Re 28 426, die üblicherweise als «Typ B» bezeichnet werden, während der Kompressor 4 und der Expander 6 eine modifizierte Charakteristik haben. Es wurde festgestellt, dass, bezogen auf das von Kassettenbändern erzeugte Rauschen, ein arbeitsfähiges Resultat erreicht wird, wenn die zweite Einrichtung (im Kompressionsbetrieb) nicht nur ein gestaffeltes Eingangsampli-tuden-Pegel-Ansprechverhalten hat, sondern auch eine Grenzfrequenz, die so etwa um zwei bis drei Oktaven niedriger liegt als die einer normalen Einrichtung vom Typ B. Genauer gesagt, die Schwellwertpegel der zweiten Einrichtung werden gesenkt, sowohl der syllabischen Filter/Begrenzer als auch des Über-schwingungs-Unterdrückungs-Begrenzers, um die Staffelung zu bewirken, und die Grenzfrequenz des festen Filters wird um zwei bis drei Oktaven abgesenkt.

Details der B-Schaltungen sind in Fig. 6, 7 und 8 dargestellt, bei denen es sich um die Fig. 4, 5 bzw. 10 der US-PS Re 28 426 handelt, und nähere Einzelheiten dieser Schaltungen, deren Betrieb und Theorie sind dort beschrieben. Die folgende Beschreibung der Fig. 6, 7 und 8 ist von der US-PS Re 28 426 übernommen.

Die Schaltung nach Fig. 6 ist speziell für den Einbau in den Aufzeichnungskanal eines Heim-Bandgerätes ausgelegt, wobei für ein Stereo-Bandgerät zwei dieser Schaltungen erforderlich sind. Das Eingangssignal wird am Anschluss 10 an eine Emitterfolgerstufe 12 gelegt, die ein nieder-ohmiges Signal liefert. Dieses Signal wird zunächst durch einen Geradeaus-Hauptka-nal, der aus einem Widerstand 14 besteht, an einen Ausgangs-anschluss 16 gelegt, und zweitens über einen weiteren Weg, dessen letztes Element ein Widerstand 18 ist, ebenfalls mit dem Anschluss 16 verbunden. Die Widerstände 14 und 18 addieren die Ausgänge des Haupt- und weiteren Weges, um das geforderte Kompressionsgesetz zu verwirklichen.

Der weitere Weg besteht aus einem festen Filter 20, einem Filter 22 mit variabler Grenzfrequenz, das einen FET 24 enthält (diese bilden die Filter/Begrenzer), und einem Verstärker 26, dessen Ausgang mit einem Doppeldioden-Begrenzer oder Clipper 28 und dem Widerstand 18 verbunden ist. Der nicht-lineare Begrenzer unterdrückt Überschwingungen des Ausgangssignals mit abrupt steigenden Eingangssignalen.

Der Verstärker 26 hebt das Signal im weiteren Weg auf einen Pegel derart, dass das Knie der Charakteristik des Begrenzers oder Überschwingungsunterdrückers 28, der aus Silizium-Dioden aufgebaut ist, am entsprechenden Signalpegel unter Sprungbedingungen wirksam ist. Die wirksame Schwelle des Überschwingungsunterdrückers liegt etwas oberhalb der des syllabischen Filter/Begrenzers. Die Widerstände 14 und 18 sind so proportioniert, dass der erforderliche Kompensationsgrad der Dämpfung dann für das Signal im weiteren Weg erhalten wird.

Der Ausgang des Verstärkers 26 ist ebenfalls mit einem Verstärker 30 gekoppelt, dessen Ausgang über eine Germaniumdi-

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ode 31 gleichgerichtet wird und mit einem Glättungsfilter 32 integriert wird, um die Steuerspannung für die FET 24 zu erhalten.

Zwei einfache RC-Filter werden verwendet, wenn auch äquivalente LC- oder LCR-Filter verwendet werden könnten. Das feste Filter 20 sorgt für eine Grenzfrequenz von 1700 Hz, unterhalb derer eine verminderte Kompression stattfindet. Das Filter 22 besteht aus einem Reihenkondensator 34 und einem Nebenanschlusswiderstand 36, denen ein Reihenwiderstand 38 und der FET 24 folgt, wobei dessen Source-Drain-Weg als Nebenanschlusswiderstand geschaltet ist. Im Ruhezustand, mit Signal Null am Gate des FET 24, ist der FET gesperrt und bietet im wesentlichen unendlich grossen Widerstand; das Vorhandensein des Widerstandes 38 kann dann ignoriert werden. Die Grenzfrequenz des Filters 22 ist damit 800 Hz, was ersichtlich erheblich unterhalb der Grenzfrequenz des festen Filters 20 ist.

Wenn das Signal am Gate ausreichend ansteigt, damit der Widerstand des FET auf weniger als sagen wir 1 Kiloohm fällt, überbrückt der Widerstand 38 effektiv den Widerstand 36, und die Grenzfrequenz steigt, wobei das Durchlassband des Filters merklich verringert wird. Der Anstieg der Grenzfrequenz ist selbstverständlich progressiv.

Die Verwendung eines FET ist zweckmässig, weil innerhalb eines in geeigneter Weise beschränkten Bereiches von Signalamplituden eine solche Einrichtung im wesentlichen als linearer Widerstand (für jede Signalpolarität) wirkt, dessen Wert durch die Steuerspannung am Gate bestimmt ist.

Der Widerstand 36 und der FET sind an einen einstellbaren Abgriff 46 in einem Spannungsteiler zurückgeführt, der eine Temperaturkompensations-Germaniumdiode 48 enthält. Der Abgriff 46 ermöglicht es, die Kompressionsschwelle des Filters 22 einzustellen.

Der Verstärker 26 weist komplementäre Transistoren auf, die hohe Eingangsimpedanz und niedrige Ausgangsimpedanz ergeben. Da der Verstärker den Diodenbegrenzer 28 treibt, ist eine endliche Ausgangsimpedanz erforderlich und wird durch einen Koppelwiderstand 50 bereitgestellt. Die Dioden 28 sind, wie bereits erwähnt, Siliziumdioden und haben ein scharfes Knie in der Gegend von 1/2 Volt.

Das Signal auf dem Verstärker und damit auf dem Widerstand 18 kann mit einem Schalter 52 nach Masse kurzgeschlossen werden, wenn es erforderlich ist, den Kompressor ausser Betrieb zu schalten.

Der Verstärker 30 ist ein NPN-Transistor mit einem Emitter-Zeitkonstanten-Netzwerk 52, das höhere Verstärkung bei hohen Frequenzen ergibt. Starke hohe Frequenzen (beispielsweise ein Becken-Schlag) führt deshalb zu einem schnellen Verengen des Bandes, innerhalb dessen Kompression stattfindet, so dass eine Signalverzerrung vermieden wird.

Der Verstärker ist mit dem Glättungsfilter 32 über die Gleichrichterdiode 31 verbunden. Der Filter weist einen Reihenwiderstand 54 und einen Nebenanschlusskondensator 56 auf. Der Widerstand 54 ist durch eine Siliziumdiode 58 überbrückt, die ein schnelles Laden des Kondensators 56 für einen schnellen Anstieg erlaubt, gekoppelt mit einer guten Glättung im eingeschwungenen Zustand. Die Spannung über dem Kondensator 56 liegt direkt am Gate des FET 24.

Eine vollständige Schaltung des komplementären Expanders ist in Fig. 7 dargestellt, eine volle Beschreibung ist jedoch nicht erforderlich, weil im wesentlichen die Schaltung identisch Fig. 6 ist; Werte der Bauteile sind deshalb grösstenteils in Fig. 7 nicht dargestellt.

Die Unterschiede zwischen Fig. 6 und 7 sind wie folgt:

In Fig. 6 leitet der weitere Weg seinen Eingang vom Aus-gangsanschluss 16a ab, der Verstärker 26a ist invertierend, und die von den Widerständen 14 und 18 kombinierten Signale werden dem Eingang (Basis) des Emitterfolgers 12 zugeführt, dessen Ausgang (Emitter) mit dem Anschluss 16a gekoppelt ist.

Um eine niedrige Treibimpedanz zu gewährleisten, ist der Ein-gangsanschluss 10a mit dem Widerstand 14 über einen Emitter-folger 60 gekoppelt. Geeignete Massnahmen müssen getroffen werden, um Vorspannungen daran zu hindern, in den Expander einzutreten.

Der Verstärker 26a wird dadurch invertierend gemacht, dass der Ausgang vom Emitter, statt vom Kollektor, des zweiten (PNP) Transistors genommen wird. Diese Änderung schliesst ein eine Verlagerung des 10 Kiloohm-Widerstandes 62 (Fig. 6) vom Kollektor zum Emitter (Fig. 6), was automatisch für eine geeignete Ausgangsimpedanz zum Antreiben des Begrenzers sorgt. Der Widerstand 50 ist deshalb in Fig. 7 weggelassen.

Es ist zu erwähnen, dass es beim Abgleichen eines vollständigen Geräuschminderungssystems wichtig ist, gleiche Signalpegel an den Emittern der Transistoren 12 sowohl im Kompressor als auch im Expander zu haben. Messanschlüsse M sind deshalb als Anschluss an diese Emitter dargestellt.

Fig. 8 zeigt eine bevorzugte Schaltung zum Ersatz der Schaltung zwischen den Punkten A, B und C in Fig. 6 und 7. Wenn der FET 24 gesperrt ist, ist das zweite RC-Netzwerk 22 ausser Betrieb und das erste RC-Netzwerk 20 bestimmt dann das Verhalten des weiteren Weges. Die verbesserte Schaltung kombiniert die Phasenvorteile, die dadurch erreicht werden, dass im Ruhezustand nur eine einzige RC-Sektion vorhanden ist, während bei Vorliegen von Signal die Dämpfungscharakteristik eines RC-Filters mit zwei Abschnitten mit 12 dB pro Oktave vorhanden ist.

In der praktischen Schaltung ist bei Verwendung von MPF 104 FET's der 39 Kiloohm-Widerstand 36a notwendig, um für eine endliche Source-Impedanz zu schaffen, in die der FET arbeiten kann. Auf diese Weise wird das Kompressionsverhältnis bei allen Frequenzen und Pegeln auf einem Maximum von etwa 2 gehalten. Der 39 Kiloohm-Widerstand 36a erfüllt die gleiche Funktion einer Begrenzung des Kompressionsverhältnisses in der verbesserten Schaltung wie der Widerstand 36 in der Schaltung nach Fig. 6 oder 7. Zusätzlich liefert dieser Widerstand einen Niederfrequenzweg für das Signal.

Modifikationen der Fig. 6, 7 und 8

Wie bereits erwähnt, verwenden bei der ersten praktischen Ausführungsform der Erfindung der Kompressor 4 und der Expander 6 gemäss Fig. 2 Geräte der in Fig. 6, 7 und 8 gezeigten Art mit modifizierten Charakteristiken. Die geänderte Grenzfrequenz und erniedrigte Schwelle werden durch Modifikation der Charakteristiken des festen Filters (festes Filter 20 nach Fig. 6) und auch der Verstärkung des Steuerverstärkers durch Änderung seiner Preemphasis-Charakteristik (Emitter-Zeitkonstan-ten-Netzwerk 52 des Verstärkers 30 in besagter Fig.6) erreicht. Die Schwelle des Überschwingungsunterdrückers wird durch das Einspeisen einer geeigneten Gleich-Vorspannung (in Vorwärtsrichtung) in die Dioden 28 abgesenkt. Die Impedanzen der variablen Filter (variable Filter 22 in Fig. 6 und 8) werden unverändert gelassen, um eine geeignete Anpassung an die Charakteristiken vorhandener spannungssteuerbarer variabler Schaltungselemente beizubehalten. Geeignete Modifikationen der sliding band-Schaltung vom Typ B gemäss Fig. 6, 7 und 8 bestehen darin, den Wert des 3,3 Kiloohm-Widerstandes im festen Filter 20 auf einen Wert von 18 Kiloohm zu ändern, um dessen Grenzfrequenz um zwei bis drei Oktaven zu erniedrigen. Zur Erhöhung der Verstärkung des Steuerverstärkers wird der Wert des Kondensators im Emitter-Zeitkonstanten-Netzwerk 52 des Verstärkers 30 von 0,15 auf 0,60 |if (oder von 0,1 auf 0,4 Hf, wenn der vorgeschlagene Wert von 0,1 (if verwendet wird ) erhöht. Vorspannungen von etwa plus und minus 1/4 Volt in Vorwärtsrichtung werden an die Siliziumdioden 28 gelegt, wodurch der Überschwingungs-Unterdrückungspegel um mehrere Dezibel abgesenkt wird.

Das variable Filter 22 hat eine AIlpass-Frequenz-Charakteri-

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stik, wenn die Ruhesteuerspannung anliegt, und damit wird die Gesamt-Filtergrenzfrequenz um zwei bis drei Oktaven abgesenkt.

Bei Erhöhung des Kondensatorwertes im Emitternetzwerk des Steuerverstärkers 30 erhöht die Verstärkung des Verstärkers bei jeder gegebenen Frequenz. Wie oben und in der US-PS Re 28 426 erläutert, steigt die Grenzfrequenz des variablen RC-Fil-ters 22, wenn die Steuerspannung (vom Verstärker 30, Gleichrichter 31 und Glättungsfilter 32) steigt. Mit grösseren Werten der Kapazität im Netzwerk 52 wandert das variable Filter fre-quenzmässig von seinem Ruhewert bei Vorliegen niedrigpegeli-ger Signale aufwärts, so dass das Pegelansprechen oder die Schwelle gegenüber der in der unmodifizierten Schaltung vom Typ B gestaffelt wird.

Das Pegelansprechen kann auf verschiedene Weise gestaffelt werden, zusätzlich zur Änderung des Emitternetzwerkes des Steuerverstärkers. Andere Möglichkeiten sind beispielsweise Änderung der Vorspannung des Steuerelementes, ferner Änderung der Verstärkung des Steuerverstärkers, Änderung der relativen Signalpegel zwischen dem Filterweg und dem Steuersignal-Ableitweg und so fort.

Gewisse Details der Schaltung nach Fig. 6, 7 und 8 haben sich im Laufe der Jahre entwickelt und modernere Formen der Schaltung sind plubliziert. worden und allgemein bekannt. Die Bezugnahme auf die spezielle Schaltung gemäss der US-PS Re 28 426 erfolgt wegen der Bequemlichkeit der Darstellung.

Fig. 9 zeigt eine tatsächliche Blattschreiberaufzeichnung des Ansprechverhaltens unterhalb der Kompressionsschwelle der beiden in Reihe geschalteten Kompressoren, von denen der erste in der oben beschriebenen Weise modifiziert ist; das Verhalten des Expanders ist ebenfalls dargestellt. Diese Figur ist mit Fig. 10 (die Fig. 12 der US-PS Re 28 426) zu vergleichen, die eine tatsächliche Blattschreiberaufzeichnung des Ansprechverhaltens unterhalb des Kompressionsschwellwertes eines einzelnen Kompressors oder Expanders gemäss Fig. 6, 7 und 8 zeigt.

Fig. 11 ist eine Blattschreiberaufzeichnung des Eingangs-Ausgangs-Verhaltens der in Reihe geschalteten Kompressoren in Abhängigkeit von der Frequenz. Eine Betrachtung der Kurven zeigt die beiden Dynamikbereiche für die Kurven, die die beiden gestaffelten Wirkungsbereiche angeben. Die Beobachtungsmöglichkeit für die Dynamikbereiche in diesen Kurven ist zwar nützlich, um die gestaffelte Wirkung der Einrichtungen zu demonstrieren, in der Praxis wird jedoch bevorzugt, dass die Kurven so glatt wie möglich sind, ohne unterscheidbare Dynamikbereiche oder «Höcker». Parallele Linien A und B sind durch Schwellwertbereiche gezogen: Linie A bezieht sich auf die Standardschaltung und Linie B auf die modifizierte Schaltung. Die Kurven sind mit Fig. 12 (entsprechend US-PS Re 28 426) zu vergleichen, die ähnliche Ansprechkurven für einen einzelnen, unmodifizierten sliding band-Kompressor Typ B zeigt. Fig. 11 zeigt, dass der aus in Reihe geschalteten Einrichtungen bestehende Kompressor im wesentlichen doppelt so viel Kompression liefert, die über einen grösseren Frequenz und Pegelbereich verteilt ist.

Die «variable Band»-Wirkung der in Reihe geschalteten Einrichtungen mit gestaffelter Wirkung ist in Fig. 13 und 14 zu erkennen, die jeweils eine Blattschreiber-Suchton-Aufzeichnung des Verhaltens der in Reihe geschalteten Kompressoren zeigen. Sie sind mit Fig. 15 (bei der es hier um Fig. 15 der US-PS Re 28 426 handelt) zu vergleichen, bei der es sich um eine tatsächliche Blattschreiberaufzeichnung handelt, die mit der Schaltung nach Fig. 6 unter Einschluss von Fig. 8 erhalten worden ist. Die «variable Band»-Wirkung ist dadurch aufgezeichnet, dass der Frequenzgang des Kompressors mittels eines niedrigpegeligen Suchtones (dessen Pegel unterhalb der Kompressorschwelle liegt) in Gegenwart eines hochpegeligen Signals aufgetragen ist; der Suchton wird am Kompressorausgang mittels eines Nachlauffilters detektiert. Das hochpegelige Signal sorgt dafür, dass die Kompressorschaltung arbeitet; die Grafik zeigt die Wirkung auf die Übergangsfrequenz des Filters.

Fig. 13 zeigt die Antwort auf einen Suchton beim -65 dB und 200 Hz Signaltöne auf Pegeln zwischen -28 dB und darunter bis +10 dB. Fig. 14 gilt für einen 500 Hz Signalton bei Pegeln zwischen -34 dB und darunter bis +10 dB.

Bei einer weiteren praktischen Ausführungsform der Erfindung mit verbessertem Betriebsverhalten sind der Kompressor 2 und der Expander 8 gemäss Fig. 2 beide Modifikationen üblicher Einrichtungen vom Typ B. Bei beiden in Reihe geschalteten Einrichtungen sind die Grenzfrequenzen um zwei Oktaven abgesenkt, um eine steil ansteigende Niedrigpegel-Ansprechcharakteristik zu erhalten. Die Staffelung der Dynamikwirkung wird durch Verringerung der Schwellen (sowohl syllabisch als auch Überschwingungs-Unterdrückung) in der zweiten (im Kompressorbetrieb) Einrichtungen erhalten.

Ein Merkmal und ein nützlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Frequenzgänge der einzelnen Schaltungen kombiniert sind. Wenn eine besonders scharf ansteigende Geräuschminderungscharakteristik erwünscht ist, wird das durch die Verwendung von Schaltungen erreicht, die die gleiche Niedrigpegel-(Ruhe)Frequenzgangcharakteristik haben.

Dementsprechend resultiert, in einer verbesserten Ausführungsform, die Wahl identischer Filterkennlinien bei etwa zwei Oktaven unterhalb derjenigen einer üblichen Schaltung vom B-Typ in einer Charakteristik, die oberhalb von etwa 300 Hz schnell ansteigt. Das System kommt also in die Lage, eine erhebliche Geräuschminderung im kritischen Bereich von 300 Hz bis 2 kHz zu erreichen, einem Bereich, in dem Bandrauschen merkbar wird, sobald Geräusche oberhalb von 1 kHz vermindert worden sind. Der hörbare Rauschbeitrag vom Band unterhalb etwa 300 Hz ist vernachlässigbar. Wenn nur eine minimale Geräuschminderungswirkung unterhalb von 300 Hz vorgesehen wird, vermeidet das System die Manipulation von Signalgrundfrequenzen und verbessert die Komplementarität des Systems in praktischen Bandgeräten, die beispielsweise Frequenzgangfehler aufgrund von Kopfstörungen (head bumps) und dgl. haben können. Durch die Vermeidung der Kompression von niederfrequenten Signalen wird darüber hinaus die Systemkompatibilität verbessert, weil die Anhebung von niedrigfrequenten Signalen in einer störenden Verstärkung von Rumpeln und Tiefen resultieren würde, wenn kodierte Bänder auf Systemen abgespielt werden, die keine komplementären Expander aufweisen.

Nochmals mit Bezug auf Fig. 6 und 8, in beiden Reihengeräten ist in der besprochenen praktischen Ausführungsform der Widerstand im festen Filter 20 von 3,3 Kiloohm auf 13 Kiloohm geändert worden, wodurch insgesamt die untere Grenzfrequenz der Filter 20 und 22 um etwa 2 Oktaven nach unten auf etwa 375 kHz verschoben wird. In der zweiten Einrichtung ist der Kondensator im Emitternetzwerk 52 des Steuerverstärkers 30 im Wert um einen Faktor von etwa 4 erhöht, wie bei der früher besprochenen Ausführungsform. Dies resultiert in einer Staffelung der Schwellwertpegel von etwa 10 bis 15 dB (je nach Signalpegel und Signalfrequenz).

Eine entsprechende Vorspannung wird in die Diodenbegren-zerschaltung 28 eingeführt, um den Überschwingungs-Unter-drückungspegel zu erniedrigen.

Bei der Modifikation der zuletzt beschriebenen praktischen Ausführungsform kann der Kondensator 34 im Filter 22 im Wert auf 0,01 nf erhöht werden, um die Konsistenz der Charakteristiken unterschiedlicher Einheiten zu fördern, und um die Geräuschmodulationseigenschaften zu verbessern. In jedem Falle ist dank der im wesentlichen gleichen Zeitkonstanten von festem Filter 20 und variablen Filter 22, die Anordnung äquivalent einem einpoligen variablen Filter, und das feste Filter kann eliminiert werden. In diesem Falle wird der Widerstand 36a (der einen Wert von 47 Kiloohm in modernen Formen der Schaltung vom Typ B hat) im Nebenschluss zum Source-Drain-Weg des

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FET 24 gelegt, um eine Ruhe-Grenzfrequenz von etwa 375 Hz zu erhalten. Es ist jedoch erwünscht, das feste Filter in der Hochpegelschaltung beizubehalten, so dass die Schaltung umgeschaltet werden kann, um selbst als übliche B-Typ-Schaltung zu arbeiten.

In praktischer Hinsicht ist ein Heimgerät mit dem soeben beschriebenen verbesserten System kompatibel mit vorhandenen nicht-kodierten und B-Typ-kodierten Programm (beispielsweise Bändern oder FM-Rundfunksendungen). Die verbesserten Systeme weisen eine normale B-Typ-Einrichtung auf und können deshalb zur vollen Kompatibilität umgeschaltet werden, um als B-Typ-Einrichtung zu arbeiten. Auf der anderen Seite, wenn bespielte Bänder verfügbar werden, die mit dem verbesserten System kodiert sind, können vorhandene Heimsysteme vom B-Typ einen übertriebenen Gehalt an hohen Frequenzen oder «Brillanz» ergeben, was dadurch behandelt werden kann, dass die Höhen-Regelung in der gleichen Weise eingestellt wird, wie das derzeit der Fall ist, wenn B-kodierte Programme über Heim-Systeme wiedergegeben werden, die nicht mit einer B-Einrichtung versehen sind.

Die übliche B-Typ-Schaltung gemäss US-PS Re 28 426 hat ein maximales Kompressionsverhältnis von etwa 2:1. Dieses Kompressionsverhältnis hat sich als gute praktische Wahl für Heim-Kassettenband-Kompandersysteme erwiesen. In den Reihenschaltungen gemäss den oben beschriebenen Ausführungsformen behält jede Schaltung ein maximales Kompressionsverhältnis von etwa 2:1, und das maximale Kompressionsverhältnis der Gesamtkombination von Schaltungen in Reihe beträgt etwa 2:1 bei den meisten Eingangspegeln und Frequenzen. In praktischen Ausführungsformen ist es schwierig, etwas grössere Verhältnisse in einem kleinen Bereich von Pegeln und Frequenzen zu vermeiden, beispielsweise 2,5:1. Das kann toleriert werden, wenn das Kompressionsverhältnis nicht grösser ist als 2,5:1 (oder etwa das l,25fache jeder Schaltung) und wenn der Pegel-und Frequenzbereich, in dem das eintritt, nicht gross ist.

Eine weitere spezifische Ausführungsform der Erfindung, die allgemein in Fig. 2 dargestellt ist, besteht darin, einen Kompressor bzw. einen Expander als Gerät mit gespaltenen Frequenzbändern (US-PS 3 846 719; 3 903 485) aufzubauen und den anderen Kompressor bzw. Expander als sliding-band-Gerät. Eine geeignete Einrichtung mit gespaltenem Band (oder Mehrbandeinrichtung) ist beschrieben in Journal of the Audio Engineering Society, Bd. 15, Nr. 4, Oktober 1967, Seiten 383 bis 388. Einrichtungen mit gespaltenem Frequenzband entsprechend dort veröffentlichten Parametern, sind allgemein als Geräte vom A-Typ bekanntgeworden.

Bei einer praktischen Ausführungsform erhält ein Kompressor vom A-Typ ein flaches Eingangssignal und liefert seinen Ausgang in eine speziell darauf abgestimmte sliding band-Ein-richtung. Es ist sehr vorteilhaft, die A-Typ-Einrichtung so anzuordnen, dass sie ein unverarbeitetes Eingangssignal erhält,

weil sie darauf ausgelegt ist, ein flaches Eingangssignal zu verarbeiten. Wenn die sliding band-Einrichtung als erste angeordnet werden würde, ergäbe sich der Nachteil, dass das flache Eingangssignal zu einer Form geändert würde, die weniger für den Eingang für eine A-Typ-Schaltung geeignet ist. Auf der

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Wiedergabeseite empfängt der sliding-band-Expander das Signal vom Kanal N, verarbeitet es und gibt es an den A-Typ-Ex-pander weiter.

Fig. 16 zeigt Kurven ähnlich Fig. 9 für den Niedrigpegel-Si-gnalfrequenzgang eines A-Typ-Kompressors allein, des sliding band-Kompressors allein, und den kombinierten Kompressor-Frequenzgang. Die Expansionsfrequenzgangkurven sind komplementär in der gleichen Weise wie in Fig. 9. Die A-Typ-Ein-richtung ergibt 10 dB Kompression bis hinauf zu etwa 5 kHz, darüber steigt der Pegel allmählich auf 15 dB bei 15 kHz. Dieser steigende Frequenzganz der A-Typ-Charakteristik wird dazu ausgenutzt, die sliding band-Charakteristik bei hohen Frequenzen zu desensibilisieren (vgl. den Hochfrequenzteil der «sliding band»-Kurve in Fig. 16); das ist insoweit vorteilhaft, als die Effekte von Unsicherheiten im Frequenzgang des Kanals im Bereich hoher Frequenzen, die noch näher erläutert werden, herabgesetzt werden. Die kombinierte Frequenzganzkurve steigt allmählich auf 20 dB, wo sie im wesentlichen bis etwa 14 kHz verbleibt, wo sie abfällt. Die sliding band-Einrichtung ist so ausgelegt, dass ihre Betriebsschwellen und resultierenden Bereiche der Dynamikwirkung gut klar von denen der A-Typ-Schal-tung sind.

Fig. 17 zeigt eine Reihe von Frequenzgängen bei unterschiedlichen Pegeln für eine Reihenschaltung von A-Typ- und sliding band-Kompressoren. Diese Kurven bieten die gleiche Art von Information wie Fig. 11. Die schraffierte Fläche C gibt allgemein die Dynamikbereiche an, die von einer Wirkung der A-Typ-Einrichtung herrühren; die schraffierte Fläche D, die von der Wirkung der sliding band-Einrichtung. Diese Anordnung resultiert in einem maximalen Kompressionsverhältnis, das bei irgendeinem Pegel oder irgendeiner Frequenz nicht etwa 2:1 übersteigt und ist deshalb relativ frei von Fehlerverstärkungseffekten in praktischen Bandaufzeichnungskanälen.

Für die Zwecke des Beispiels ist eine übliche A-Typ-Einrich-tung in Reihe mit einer speziellen sliding band-Einrichtung geschaltet worden. Im Prinzip kann jedoch auch die A-Typ-Einrichtung modifiziert werden, um ihre Bereiche der Dynamikwirkung so zu verschieben, dass sich die beste Anpassung an die Wirkungsbereiche der sliding band-Einrichtung ergeben.

Der präzise Betrag der Staffelung oder Verschiebung, die bei dieser und anderen hier erwähnten Konfigurationen notwendig ist, hängt von den Parametern der verwendeten Signalverarbeitungseinrichtung ab. Das Ziel der Staffelung der Bereiche der Dynamikwirkung besteht darin, Bündeleffekte in den Frequenzgangkurven zu minimieren. Die Bündelung ist ein Anzeichen für grosse Kompressions- oder Expansionsverhältnisse. Als Beispiel wird auf Fig. 18 hingewiesen, die eine zu starke Bündelung zeigt; d.h. bei einigen Frequenzen und Pegeln resultiert eine Änderung des Eingangspegels in einer Änderung von 2,5 dB im Ausgang — ein Verhältnis 4:1. Optimalerweise wird mit zweckmässiger Staffelung in einem Kassetten-Kompander-System über den grössten Teil des Pegel- und Frequenzbereiches ein Verhältnis 2:1 niemals wesentlich überschritten. In anderen Arten von Übertragungssystemen können höhere Kompressionsverhältnisse akzeptabel sein.

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8 Blätter Zeichnungen

Claims (26)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Schaltungsanordnung zur Kompression oder zur Expansion des Dynamikbereiches eines Eingangssignals, welche eine erste Schaltung mit einer bilinearen Charakteristik mit einem Niedrigpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung bis hinauf zu einem Schwellwert, einem Mittelpegelteil oberhalb der Schwelle mit sich ändernder Verstärkung, die ein maximales Kompressionsverhältnis oder Expansionsverhältnis ergibt, und einem Hochpegelteil mit im wesentlichen konstanter Verstärkung, die von der des Tiefpegelteils verschieden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Schaltung wenigstens eine zweite Schaltung folgt, die ebenfalls eine bilineare Charakteristik innerhalb des den beiden Schaltungen gemeinsamen Frequenzbereiches hat, wobei die Mittelpegelteile der Charakteristiken der Schaltungen innerhalb eines den Schaltungen gemeinsamen Frequenzbereiches derart gestaffelt sind, dass eine Verstärkungsänderung über einen grösseren Bereich von mittleren Eingangspegeln erhalten wird, als für irgendeine der Schaltungen einzeln, und ein höherer Unterschied zwischen den Verstärkungen bei niedrigen und hohen Eingangspegeln, jedoch mit einem maximalen Kompressions- oder Expansionsverhältnis, das im wesentlichen nicht grösser ist als das einer einzigen Schaltung, und zwar dank der Staffelung.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur Kompression des Dynamikbereiches, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungen Kompressoren sind und die Schwellen auf unterschiedliche Werte eingestellt sind, um die Mittelpegelteile der Charakteristiken der Schaltungen zu staffeln.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur Expansion des Dynamikbereiches, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungen Expander sind und die Schwellen auf unterschiedliche Werte gesetzt sind, um die Mittelpegelteile der Charakteristiken der Schaltungen zu staffeln.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fallende Flanke des Kompressions- oder Expansionsverhältnisses jeder der Schaltungen die steigende Flanke des Kompressions- oder Expansionsverhältnisses einer anderen der Schaltungen in dem Masse überlappt, dass das gesamte Kompressions- oder Expansions-verhältnis im überlappenden Bereich das maximale Kompressions- oder Expansionsverhältnis der benachbarten Schaltungen nicht wesentlich übersteigt.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schaltungen ein maximales Kompressions- oder inverses Expansionsverhältnis von im wesentlichen 2:1 hat und das maximale Verhältnis für die vollständige Schaltungsanordnung 2:1 nicht wesentlich übersteigt.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Schaltungen ein variables Filter aufweist, das für eine Anhebung oder Absenkung in einem hohen oder tiefen Frequenzbereich des Signalbandes sorgt, und auf Signale in diesem Bereich in der Weise anspricht, dass die Filtergrenzfrequenz veranlasst wird, sich in dem Sinne zu verschieben, dass das angehobene oder abgesenkte Frequenzband verschmälert wird.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 für Audio-Signale, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes variable Filter eine Gleichrichter-, Glättungs- und Verstärkungs-Steuerschal-tung aufweist, die ein Steuersignal an eine gesteuerte Impedanzeinrichtung des Filters liefert, um das Verschieben der Filtergrenzfrequenz zu bewirken.
8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaltung ein variables Filter aufweist.
9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung jedes variablen Filters eine unterschiedliche Verstärkung hat, um auf diese Weise die unterschiedlichen Schwellen der Schaltungen einzustellen.
10. 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhe-Grenzfrequenzen der variablen Filter, vor der genannten Verschiebung, im wesentlichen gleich sind.
11. 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, bei der die Anhebung oder Absenkung in einem Hochfrequenzbereich vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhe-Grenzfre-quenzen der variablen Filter im Bereich von 300 bis 400 Hz liegen.
12. 12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Schaltung das variable Filter in Reihe mit einem festen Filter liegt, das ein engeres Durchlassband hat als das variable Filter im Ruhezustand.
13. 13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Schaltungen ein variables Filter in Reihe mit einem festen Filter haben und dass die Grenzfrequenzen der festen Filter im wesentlichen gleich sind.
14. 14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, bei der die Anhebung oder Absenkung in einem Hochfrequenzbereich vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Filter eine Grenzfrequenz im Bereich von 300 bis 400 Hz haben.
15. 15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ungefähre Schwellwertpegel T einer bestimmten Stufe durch folgende Beziehung festgelegt ist wo F der Endpunkt der betreffenden Stufe ist, C das maximale Kompressionsverhältnis dieser Stufe und G die Verstärkung dieser Stufe.
16. 16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für Audio-Signale, bei der jede Schaltung einen Überschwin-gungs-Unterdrücker mit einem Schwellwertpegel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellwertpegel innerhalb der Schaltungen gestaffelt sind, so dass eine Herabsetzung der Überschwingung der Gesamtschaltungsanordnung erhalten wird.
17. 17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei bilineare Schaltungen vorgesehen sind, die jede eine Niedrigpegelverstärkung von im wesentlichen 10 dB haben.
18. 18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, bei der eine der Schaltungen den variablen Filter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Schaltung vorgesehen ist, die eine Anzahl von Bandpassfiltern aufweist, jedes in Kombination mit einer Begrenzungseinrichtung.
19. 19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das maximale Kompressionsverhältnis oder inverse Expansionsverhältnis der gesamten Schaltungsanordnung das l,25fache des maximalen Verhältnisses irgendeiner der Schaltungen nicht übersteigt.
20. 20. Einrichtung zur Geräuschminderung, welche eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle jeder folgenden Kompressorschaltung niedriger liegt als die Schwelle der vorangegangenen Schaltung, und dass die Schwelle jeder folgenden Expanderschaltung höher liegt als die Schwelle der vorangegangenen Schaltung.
21. 21. Einrichtung zur Geräuschminderung, welche eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle jeder folgenden Kompressorschaltung höher ist als die Schwelle der vorangegangenen Schaltung und dass die Schwelle jeder folgenden Expanderschaltung niedriger liegt als die Schwelle der vorangegangenen Schaltung.
22. 22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, bei der wenigstens eine der Schaltungen eine Doppelweg-Schaltung

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    ist, die einen Hauptweg aufweist, der in bezug auf den Dyna-mikbereich linear ist, eine Vereinigungsschaltung im Hauptweg, und einen weiteren Weg, dessen Eingang mit dem Eingang oder Ausgang des weiteren Weges verbunden ist, 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 derart begrenzt ist, dass im oberen Teil des dynamischen Eingangsbereiches das Signal des weiteren Weges kleiner ist als das Hauptwegsignal.
23. 23. Einrichtung nach Anspruch 22, bei der wenigstens eine der Schaltungen eine Doppelweg-Schaltung mit einem variablen Filter im weiteren Weg ist.
24. 24. Einrichtung nach Anspruch 20 für Audiosignale, bei der jede Schaltung einen Überschwingungs-Unterdrücker mit einem Schwellwertpegel aufweist und die Schwellwertpegel innerhalb der Schaltungen gestaffelt sind, so dass eine Herabsetzung der Überschwingungen der Gesamtschaltungsanordnung erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert des Über-schwingungs-Unterdrückers jeder folgenden Kompressorschaltung niedriger liegt als der der vorangegangenen Schaltung und dass der Schwellwert des Überschwingungs-Unterdrückers höher liegt als der der vorangegangenen Schaltung.
25. 25. Einrichtung nach Anspruch 21 für Audiosignale, bei der jede Schaltung einen Überschwingungs-Unterdrücker mit einem Schwellwertpegel aufweist und die Schwellwertpegel innerhalb der Schaltungen gestaffelt sind, so dass eine Herabsetzung der Überschwingungen der Gesamtschaltungsanordnung erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert des Überschwingungs-Unterdrückers in jeder folgenden Kompressorschaltung höher liegt als der der vorangegenen Schaltung und dass der Schwellwert des Überschwingungs-Unterdrückers jeder folgenden Expanderschaltung niedriger liegt als der der vorangegangenen Schaltung.
26. 26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass drei bilineare Kompressor- und drei bilineare Expander-Schaltungen vorgesehen sind, die jede eine Niedrigpegelverstärkung von im wesentlichen 8 dB aufweisen.