DE1487276C3

DE1487276C3 - Baustein für eine Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der Dynamik von Audiosignalen durch Kompression bzw. Expansion zur Störgeräuschvermittlung

Info

Publication number: DE1487276C3
Application number: DE19661487276
Authority: DE
Inventors: Ray Milton San Francisco Calif. Dolby
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1965-08-11
Filing date: 1966-08-10
Publication date: 1982-01-07
Also published as: CH467560A; DE1487276B2; DE1487276A1; JPS5026887B1; JPS5114842B1; NL6611156A; GB1120541A; NL147297B; JPS4841044B1; JPS4842361B1; BE712376A

Description

Die Erfindung betrifft einen Baustein für eine Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der Dynamik von Audiosignalen durch Kompression bzw. Expansion zur Störgeräusch verminderung., v..

Die Beeinflussung der Dynamik von Audiosignalen ist zu verschiedenen Zwecken üblich. Zur physiologischen Lautstärkeregelung wird die Dynamik der Höhen und Tiefen zur Anpassung an die Ohrempfindlichkeitskurve eingeengt, wenn die Wiedergabelautstärke von der Lautstärke des ursprünglichen Schallereignisses abweicht; zur Verminderung von Störgeräuschen, die durch einen Übertragungskanal, beispielsweise eine Aufzeichnung, eingeführt werden, wird auf der Senden seite die Dynamik eingeengt (komprimiert) und/oder auf der Empfangs- oder Wiedergabeseite die Dynamik gedehnt (expandiert). Die Originaldynamik des ursprünglichen Schallereignisses kann bei der Wiedergabe dabei nur wieder hergestellt werden, wenn auf der Sendeseite komprimiert und auf der Wiedergabeseite

expandiert wird, wobei die Kennlinien der Kompression und Expansion zueinander komplementär sein müssen (vgl. beispielsweise Vilbig »Lehrbuch der Hochfrequenztechnik« Bd. II, Frankfurt am Main 1958, S. 700/701; DE-AS 10 48 950).

Zur Kompression stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung, es werden entweder die Passagen mit niedrigem Lautstärkepegel angehoben und die Passagen mit hohem Lautstärkepegel unverändert gelassen, oder es werden die Passagen mit niedrigem Lautstärkepegel unverändert gelassen, während die Passagen mit hohem Lautstärkepegel im Verhältnis zu den niedrigpegeligen Passagen weniger verstärkt werden. Eine komplementäre Kennlinie für die Expansion erfordert in dem ersten Fall eine Dämpfung der Passagen mit niedrigem Lautstärkepegel im Verhältnis zu den lauten Passagen, im zweiten Fall eine höhere Verstärkung der lauten Passagen als die der leisen Passagen. In diesen beiden Fällen muß im Bereich hoher Signalpegel die Kennlinie des komplementären Expanders steil verlaufen, d. h. der Verstärkungsgrad muß mit zunehmendem Eingangssignalpegel größer werden. Eine Pegelschwankung (oder ein Pegelfehler) im Übertragungskanal wird durch diese Expander-Kennlinie verstärkt, beispielsweise bei einem Expansionsverhältnis 1 :2 verdoppelt (DE-AS 10 48 950, Sp. 3, Z. 21-26). Die dazu komplementäre Kompressorkennlinie, gemäß der der Verstärkungsgrad immer geringer wird, je stärker das Eingangssignal ist, bringt nichtlineare Verzerrungen des Signals mit sich. Aus diesem Grunde wurden für qualitativ hochwertige Tonaufnahme- und Wiedergabeverfahren Schaltungsanordnungen zur Beeinflussung der Dynamik von Audiosignalen durch Kompression bzw. Expansion nicht verwendet.

Im Fernsprechverkehr, wo der Störspannungsabstand wesentlich geringer ist als in üblichen Tonaufnahme- und Wiedergabetechniken, wurden dagegen Kompressions- und/oder Expansionstechniken seit langem verwendet, da bei reiner Sprachübertragung Verzerrungen und übertriebene Pegelschwankungen in erheblich größerem Ausmaß toleriert werden können als etwa bei der Wiedergabe von klassischer Musik. In der Fernsprechtechnik konnten deshalb zur Herabsetzung von Geräuschen sogar Pegelschwellen verwendet werden, die alle unter ihrem Schwellwert liegenden Empfangsspannungen unterdrücken oder zumindest stark dämpfen. Arbeitet eine solche PegelschweHe trägheitslos, so entstehen große nichtlineare Verzerrungen, die sogar die Verständlichkeit der Sprache herabsetzen. Um diese Störung klein genug zu halten, wird der Schwellwert sehr tief gelegt, dann wird aber nur eine Geräuschunterdrückung für sehr kleine Geräusche erhalten (DE-AS 10 48 950, Sp. 3, Z. 27—39). Eine demgegenüber bessere Geräuschunterdrückung erzielt man durch sogenannte »Geräuschminderer«, bei denen die dehnende Wirkung allein auf die Geräusche beschränkt ist, die in den Gesprächspausen aufgenommen werden und das Ohr in den Pausen zwischen den Silben und Worten vorbelasten. Im Sprachvolumenbereich erfolgt keine Veränderung, in den Sprachpausen werden jedoch Geräusche, die zum Beispiel 4,5 N Abstand haben, um weitere 2,5 N zusätzlich verringert; bei diesen Zahlenwerten ergibt sich im Mittel eine Verbesserung entsprechend einer Erhöhung des Geräuschabstandes um 0,3 ... 0,4 N (Vilbig a. a. O., Seite 701).

Eine komplementäre Kompression auf der Sendeseite ist nicht vorgesehen.

Es ist ferner eine Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der Dynamik von Audiosignalen durch Kompression bzw. Expansion in wenigstens einem Frequenzband bekanntgeworden, bei der die Signaldynamik in mehrere Komponenten unterteilt ist, mit einer ersten Schaltung, welche die erste Komponente im Verhältnis zu den Eingangssignalen mit linearer Dynamik in voller Bandbreite überträgt, und mindestens einer weiteren Schaltung, die ein frequenzselektives Filter aufweist und

ίο Vorrichtungen enthält, welche die Amplitude des Audiosignals beeinflussen, ohne dessen Verlauf zu verzerren, und die eine Regelstufe mit einer solchen Kennlinie aufweisen, daß bei Kompressorbetrieb unterhalb eines niedrigen Schwellwertes des Audiosignals keine Verminderung des Verstärkungsgrades eintritt, während oberhalb des niedrigen Schwellwertes der Verstärkungsfaktor mit steigendem Signalpegel abnimmt, so daß das Signal am Ausgang der weiteren Schaltung oberhalb des niedrigen Schwellwertes auf einen Wert begrenzt wird, der mindestens um eine Größenordnung kleiner ist als das maximale Ausgangssignal der ersten Schaltung, wobei in jedem Betriebsfall die Regelstufe eine Regelschaltung aufweist, die Mittel zum Gleichrichten und Glätten des Audiosignals enthält und deren Ausgang das Übertragungsmaß der Regelstufe ändert, und einer Vereinigungsvorrichtung für die Ausgangssignale der ersten und jeder weiteren Schaltung, wobei bei Kompressionsbetrieb die Vereinigungsvorrichtung addiert und das Eingangssignal der bzw. jeder weiteren Schaltung von dem Eingangssignal der Vereinigungsvorrichtung abgeleitet ist (ELECTRONICS, Juli 1946, S. 142—148). Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung weisen die Vorrichtungen, welche die Amplitude des Audiosignals beeinflussen, einen Kanal mit linearer Verstärkung auf und einen dagegen um 180° phasenverschobenen Kanal mit variabler Verstärkung; das Ausgangssignal dieser Vorrichtungen ist die Differenz der Ausgangssignale dieser beiden Kanäle.

Nach Auffassung des Erfinders weist jede Schaltung, die eine Differenz zwischen zwei Signalen bildet, von denen eines linear und das andere mit abweichender Kennlinie verstärkt wird, zwei Äste auf, wie in F i g. 6 dargestellt. Ein Ast (+) steigt zunächst mit wachsendem Pegel des Eingangssignals Ue und fällt dann, wobei er sich in der üblichen logarithmischen Darstellung in Dezibel asymptotisch dem Wert minus Unendlich nähert, wobei die Asymptote der Wert der Eingangsspannung Ue ist, bei dem die Werte des linear

so verstärkten Signals und des mit abweichender Kennlinie verstärkten Signals gleich sind. Der zweite Ast ( —) beginnt an dieser Asymptote bei minus Unendlich und steigt mit steigendem Eingangssignal mit allmählich kleiner werdender Steigung an. Die Phase dieses in Fig.6 rechts dargestellten Astes ( —) der Kurve ist infolge der Differenzbildung entgegengesetzt zur Phase des in Fig.6 links dargestellten,_:Astes ( + ) der Kurve. Grundsätzlich gilt diese Kennlinie nach Auffassung des Erfinders auch für die Vorrichtungen des bekannten Bausteins.

Zur Kompression ist bei einer solchen Differenzbildungsschaltung nur der in F i g. 6 links dargestellte Ast der Kurve geeignet, wo die Steigung der Kurve kleiner ist als die in unterbrochener Linie dargestellte Kennlinie eines linearen Verstärkers. Für die physiologische Lautstärkeregelung wird das diesem linken Ast der in F i g. 6 dargestellten Kennlinie folgende Ausgangssignal zum Ausgangssignal der ersten Schaltung addiert, so

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daß sich der oben besprochene Fall eines Kompressors ergibt, bei dem die niedrigpegeligen Eingangssignale angehoben werden, wobei sich der Wert der Anhebung durch die Verstärkung des mit linearer Verstärkung übertragenden Kanals ergibt, der das Ausgangssignal der Vorrichtungen zur Beeinflussung der Amplitude des Audiosignals im wesentlichen allein bestimmt, bis der Kanal mit variabler Verstärkung ein genügend hohes Signal liefert, um das Ausgangssignal der Vorrichtungen und damit der weiteren Schaltung merklich zu beeinflussen; durch die Differenzbildung wird dieses Signal bei steigendem Eingangspegel dann immer kleiner, wie sich aus dem linken Ast der Kurve nach Fig.6 ergibt, so daß bei der Einstellung dieser Schaltungsanordnung zur physiologischen Lautstärkeregelung in der Weise, daß bei sehr hohen Eingangspegeln das Ausgangssignal der weiteren Schaltung zu Null wird, bei eben diesen hohen Eingangspegeln praktisch die erste Schaltung, die mit linearer Dynamik überträgt, allein das Ausgangssignal der gesamten Schaltungsanordnung liefert (ELECTRONICS a. a. O., Seite 143).

Die bekannte Schaltungsanordnung kann auch als Kompressor zur Schallplattenaufzeichnung verwendet werden, in diesem Falle werden jedoch die in der weiteren Schaltung verarbeiteten Frequenzen aus der ersten Schaltung eliminiert. Im betreffenden Frequenzband wird also das Ausgangssignal der gesamten Schaltungsanordnung allein von der das betreffende Frequenzband verarbeitenden weiteren Schaltung geliefert. Zu diesem Zweck werden die beiden Kanäle der die Amplitude des Audiosignals beeinflussenden Vorrichtungen so eingestellt, daß bei einem geeignet gewähltem Eingangssignalpegel der Ausgang des mit linearer Verstärkung übertragenden Kanals ausreichend größere Amplitude hat als der Ausgang des mit variabler Verstärkung übertragenden Kanals, mit anderen Worten der Arbeitspunkt der weiteren Schaltung wird in der Kurvendarstellung in F i g. 6 weiter nach links verlegt, so daß der nach unten führende Teil des linken Astes der Kennlinie nach F i g. 6 vermieden wird, gleichzeitig ergibt sich damit aber auch ersichtlich der oben besprochene zweite Fall eines Kompressors, nämlich eine Dämpfung bei hohen Eingangspegeln bei mehr oder weniger linearer Übertragung niedrigerer Eingangspegel. Die Eliminierung des in der weiteren Schaltung verarbeiteten Frequenzbandes aus der ersten Schaltung ist bei der beschriebenen Kompression an sich nicht erforderlich, wohl aber bei der Expansion. Zur Expansion ist nur der rechte Ast der in F i g. 6 dargestellten Kennlinie geeignet, der eine größere Steigung hat als die als unterbrochene Linie dargestellte Kennlinie eines linearen Verstärkers. Wie oben erläutert, hat dieser Ast jedoch entgegengesetzte Phase, würde also bei der Addition zu einem in der ersten Schaltung übertragenen Signal zu einer Verkleinerung dieses Signals führen, was ja gerade das Gegenteil von dem ist, was mit Expansion angestrebt wird. Führt dagegen die erste Schaltung kein Signal, so wird das Ausgangssignal der gesamten Schaltungsanordnung allein durch die betreffende weitere Schaltung bestimmt, und da das menschliche Ohr gegen Phasendrehungen relativ unempfindlich ist, ergibt sich eine Expansion (ELECTRONICS a.a.O., Seite 144). Die Kurve in Fig.6 ist zwar nur rein schematisch dargestellt, und je nach Wahl der Arbeitspunkte, Verstärkungsfaktoren etc. kann die Kennlinie im gewissen Umfang an den gewünschten Verlauf angepaßt werden, da die beiden Äste aber zwangsläufig ihren grundsätzlichen Verlauf beibehalten müssen, d. h. sich von minus Unendlich herkommend nach beiden Seiten von der Asymptote entfernen, läßt sich prinzipiell mit dieser bekannten Schaltungsanordnung keine Komplementärst von Kompressor- und Expander-Kennlinie erreichen, wie sie zur Wiedergewinnung der Originaldynamik des ursprünglichen Schallereignisses nach Verarbeitung des Signals durch einen Kompressor und anschließender Behandlung

ίο durch einen Expander erforderlich ist. Diese bekannte Schaltung hat noch weitere Nachteile, auf diese.wird jedoch der Übersichtlichkeit halber erst später eingegangen.

Aus der US-PS 29 25 529 ist es bekannt, eine Kompressions- bzw. Expansions-Kennlinie dadurch zu erhalten, daß zwei Signale addiert bzw. voneinander subtrahiert werden, die von zwei Kanälen geliefert werden, von denen einer eher als der andere im Übersteuerungsbereich arbeitet. Auch auf diese Weise kann jedoch prinzipiell keine Komplementarität von Kompressions- und Expansions-Kennlinie erreicht werden, wie sich einfach aus folgender Überlegung ergibt: Bezeichnet man das Eingangssignal des Kompressors mit x, das Ausgangssignal des Kompressors = Eingangssignal des Expanders mit yund das Ausgangssignal des Expanders mit z, und bezeichnet man die Übertragungskennlinien eines nichtlinear übertragenden Kanals mit Fi bzw. F₂ für den Kompressions- bzw. Expansionsfall, so gilt:

-x

und

ζ = (1"F₂) -3'·

Daraus folgt durch Einsetzen:
ζ = (1+F₁) · (1-F₂) -Jf.

Wenn die Übertragungskennlinien F\ und F₂ gleich sind, kann sich danach prinzipiell keine Komplementarität von Kompressor und Expander ergeben. _v

Also auch wenn der Gedanke, zwecks Expansion das aus einem nichtlinear übertragenden Kanal kommende Signal von einem anderen Signal zu subtrahieren, bei der bekannten Schaltungsanordnung angewandt wird, läßt sich auf keinen Fall eine Komplementarität von Kompressions- und Expansions-Kennlinie erreichen, sofern im großen und ganzen die gleichen Bauteile

so verwendet werden sollen, und schon gar nicht, wenn, wie bekannt, die gleiche Baueinheit durch Umschalten von Kompressionsverhalten auf Expansionsverhalten umgestellt werden soll.

Gegenüber dem bekannten Stand der Technik ist also die Aufgabe zu lösen, einen Baustein für eine Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der Dynamik von Audiosignalen durch Kompression bzw. Expansion zur Störgeräuschverminderung verfügbar zu machen^ dessen Verbindungen ohne Änderung der Übertragungseigenschaften der weiteren Schaltung umgeschaltet oder umgestöpselt werden können, um die Einheit entweder als Kompressor oder als Expander arbeiten zu lassen.
Ausgehend von einem Baustein nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Baustein

bei Expansionsbetrieb das Eingangssignal der oder jeder weiteren Schaltung von dem Ausgangssignal der Vereinigungsvorrichtung abgeleitet wird, statt daß, wie bei der Schaltungsanordnung nach der US-PS 29 25 529, das Eingangssignal beider Kanäle vom Eingang der gesamten Schaltungsanordnung abgeleitet wird, gilt:

ν = (1+F,) ·λ-

ζ = y- F₂

1+F₂

Daraus folgt wieder durch Einsetzen:
\+F,

-F,

• χ.

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Wenn in diesem Falle die Übertragungskennlinien der mit nichtlinearer Kennlinie übertragenden Schaltung Fi und F₂ gleich sind, ergibt sich z=x, d.h. gerade dann, wenn die Übertragungskennlinien der weiteren Schaltung im Expansions- und im Kompressionsbetrieb gleich sind, erhalten wir die gewünschte Komplementarität.

Dieses Ergebnis erhält man, ohne daß eine hohe Verstärkung im Expander erforderlich ist, wie dies bei üblichen Expandern mit Rückführung erforderlich ist, jo bei denen der gesamte Kompressor in einem Rückführkreis enthalten ist.

Es wurde bereits oben erwähnt, daß der bekannte Baustein weitere Nachteile hat. Bei dem bekannten Baustein wurde das Eingangssignal der Regelschaltung vom Eingangssignal des gesamten Bausteins abgeleitet. Damit wurden die Übertragungseigenschaften der weiteren Schaltung auch von Signalen beeinflußt, die außerhalb des in der betreffenden weiteren Schaltung übertragenen Frequenzbandes auftraten, so daß sich störende Modulationen des betreffenden Signals und des Geräusches ergaben. Beim erfindungsgemäßen Baustein wird dagegen das Eingangssignal der Regelschaltung vom Ausgang der Regelstufe abgeleitet, die Regelschaltung wird also nur von Signalen beeinflußt, die innerhalb des in der betreffenden weiteren Schaltung verarbeiteten Frequenzbandes auftreten, so daß diese störende Modulation des Signals und der Geräusche vermieden wird.

Weiter ist bei dem bekannten Baustein die Begrenzung durch die Differenzbildung nur bei sich langsam ändernden Signalpegeln wirksam, bei plötzlichen Änderungen des Signalpegels, beispielsweise bei_: einem Paukenschlag nach einer Pause, spricht zwar der mit linearer Verstärkung übertragende Kanal sofort an, nicht dagegen der Kanal mit variabler Verstärkung, so daß sich Überschwingungen ergeben, die störend wahrnehmbar werden und, im Kompressorfall, den angeschlossenen Informatibnskanal überlasten können. Dadurch, daß beim erfindungsgemäßen Baustein der t>o Regelstufe ein nichtlinearer Begrenzer nachgeschaltet ist, werden solche Überschwingungen vernachlässigbar klein gehalten.

Bei dem bekannten Baustein sind, wie bereits erwähnt, zwei Kanäle in der weiteren Schaltung vorgesehen, denen beiden die volle Dynamik des Nutzsignals zugeführt wird und von denen einer variable Verstärkung hat. Allein durch die Beeinflussung der Dynamik des vollen Nutzsignals im letztgenannten Kanal der weiteren Schaltung entstehen störende Verzerrungen, gerade bei mittleren und höheren Pegeln, ganz abgesehen davon, daß allein durch die Differenzbildung zwischen zwei großen Signalen infolge des unvermeidlichen Signalrauschens das Differenzsignal unverhältnismäßig stark rauscht und entsprechende Verzerrungen eintreten. Alle diese Fehler werden bei dem erfindungsgemäßen Baustein dadurch vermieden, daß die Regelstufe einen Begrenzungswiderstand enthält, so daß die Differenzbildung überflüssig ist.

Wie oben dargelegt, ist es durch die Erfindung möglich geworden, eine zu der beschriebenen Kompressions-Kennlinie des bekannten Bausteins voll komplementäre Expansions-Kennlinie mit Hilfe einer identischen weiteren Schaltung zu realisieren. Dadurch ergibt sich gegenüber allen bekannten Systemen der Vorteil, daß Gleichlaufgenauigkeitsprobleme zwischen Kompression und Expansion praktisch beseitigt werden, da das Kompressions- bzw. Expansionsverhältnis weitgehend von leicht steuerbaren Faktoren, dem Begrenzungsschwellwert und den Additionsanteilen der Komponenten, bestimmt wird. So ergibt sich als besonderer Vorteil der Erfindung eine relative Unempfindlichkeit gegen Fehler im Pegel zwischen Kompression und Expansion.

Durch die Unterteilung der Signaldynamik in zwei Komponenten, von denen die erste mit linearer Dynamik in ihrer vollen Bandbreite übertragen wird und die andere einerseits durch das frequenzselektive Filter auf einen bestimmten Frequenzbereich und andererseits bei mittleren und höheren Nutzsignalpegeln auf einen niedrigen Pegel begrenzt wird, wird erreicht, daß auch bei höheren Nutzsignalpegeln Verzerrungen, die sich durch die Dynamikbeeinflussung ergeben, sowohl kleine Werte haben als auch durch das unverzerrte Nutzsignal verdeckt werden. Bei niedrigen Nutzsignalpegeln liegt lineares Verhalten auf bei Kompression angehobenem bzw. bei Expansion abgesenktem Pegel vor, also einerseits die erwünschte Kompression durch Anheben der leisen Passagen und die dazu komplementäre Expansion durch Absenken der leisen Passagen (statt Dämpfen bzw. Anheben der lauten Passagen mit den entsprechenden nichtlinearen Verzerrungen) und andererseits ein lineares Verhalten auch im Bereich niedriger Pegel, d. h. gerade im durch Rauschen, Pegelfehler etc. leicht störbaren Bereich liegen kontrollierte Verhältnisse vor, was speziell für die Expansion sehr wichtig ist, wie oben bereits erwähnt.

Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Audiokompressors; »■ '■

Fig.2 ist das Schaltbild eines im Kompressor von Fig. 1 verwendeten Begrenzers;

F i g. 3 zeigt eine Abwandlung der F i g. 1;

F i g. 4 zeigt eine weitere Abwandlung von F i g.< 1;

Fig. 5 zeigt zur Erläuterung Kennlinienkurven, die sich der Reihe nach von a bis c auf Kompressoren, Kompressoren mit Dämpfung und Expander beziehen und

Fig.6 die Kennlinie der weiteren Schaltung des bekannten Bausteins.

Audiosignale benötigen eine lineare Begrenzung, da in Audioinformationskanälen die Phasenlage nicht erhalten bleibt. Eine Entstörung ist in einem hohen Frequenzband, z. B. von 5 bis 20 kHz, und gewöhnlich in einem niedrigen Frequenzband, z.B. von 30 bis 150

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Hertz, erforderlich. Bei einer hochwertigen Einrichtung werden vorzugsweise weitere Schaltungen für den Bereich von 150 Hertz bis 1,5 kHz und von 1,5 bis 5 kHz vorgesehen. Die sich ergebende Kompressorschaltung ist in F i g. 1 dargestellt. Sie enthält einen Geradeauskanal 64, einen Addierer 84, Verstärker 74 in allen vier weiteren Schaltungen, hinter jedem ein Dämpfungsglied 86, Filter 66, 68, 70 und 72 für die vier Bänder, getrennte lineare Begrenzer 76, 78, 80 und 82 und eine die durch die weiteren Schaltungen gebildeten Kanäle kombinierende Vorrichtung 85. Für die Kanäle werden folgende Verstärkungen vorgeschlagen:

Kanal 1 30 Hz bis 150 Hz; 10 dB

Kanal2 150 Hzbis 1,5 kHz; 10 dB

Kanal3 1,5 kHz bis 5 kHz; 1OdB

Kanal 4 5 kHz bis 20 kHz; 15 dB

Diese Verstärkungen sind allerdings nur bis zu Pegeln wirksam, die durch die Begrenzer 76 usw. bestimmt werden.

Der entsprechende Expander ist nicht dargestellt. Er unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, daß das Ausgangssignal der Regelstufe vom Ausgangssignal der ersten Schaltung subtrahiert wird und das Eingangssignal jeder weiteren Schaltung von dem Ausgangssignal der Vereinigungsvorrichtung abgeleitet wird. Praktisch isi es möglich, eine einzige Einheit zu bauen, deren Verbindungen umgeschaltet oder umgestöpselt werden können, um die Einheit entweder als Kompressor oder als Expander arbeiten zu lassen. Die im Expander erforderliche Rückführverbindung schließt die Verwendung von Filtern mit schnellen Änderungen der Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz aus. Die Filter 66 usw. können in an sich bekannter Weise ausgebildet sein.

Jeder Begrenzer kann bei etwa -4OdB beginnen einzugreifen und bei etwa -30 dB voll wirksam werden, so daß die Wirkung irgendeines Entstörungskanals bei hohem Signalpegel vernachlässigbar ist und keine Verzerrungen oder starke Überschwingungen bei sich sprunghaft ändernden Nutzsignalen hervorruft. Vorzugsweise kann jedoch dafür gesorgt werden, daß das Ausgangssignal des Begrenzers bei Ansteigen des Pegels über.-3OdB abnimmt, wie noch beschrieben wird. Dieses Merkmal ist in Kanal 4 wünschenswert, in dem die Verstärkung 15 dB beträgt, und kann auch in anderen Kanälen vorgesehen sein, wenn ein ebener Frequenzgang bei hohen Signalpegeln gefordert wird.

Fig. 5a zeigt Kompressorübertragungskennlinien. Die Kurve A ist die Kennlinie eines herkömmlichen Kompressors, der mit vollem Signal arbeitet. Kurve D stellt die ungeänderte Komponente des Geradeauskanals der Erfindung dar und Kurve £~die Differenzkomponente mit niedrigem Pegel aus einer als Regelstufe wirkenden Begrenzerschaltung. Die Kennlinien D und E ergeben die Gesamtkompressionskennlinie B.

Fig. 2 zeigt eine geeignete Begrenzerschaltung. Die angegebenen Werte der Bauelemente gelten für Kanal 1, d. h. den Begrenzer 76.

Die exponentielle Stromspannungskennlinie einer Halbleiterdiode auszunützen, ist eine bequeme oder einfache Art einen veränderbaren Widerstand zu schaffen, der leicht durch einen Gleichvorstrom gesteuert werden kann. Da die erfindungsgemäßen Begrenzer nur niedrige Signale durchlassen, ist die durch die Dioden hervorgerufene Verzerrung vernachlässigbar.

Bei der in F i g. 2 gezeigten Schaltung werden die dynamischen oder differentiellen Widerstünde der Dioden D\ und D₂ (dies können Dioden sein, deren Kennlinien eine hohe Steigung und niedrige Sättigungs- > spannung aufweist, ζ. B. Germanium-Dioden vom Typ OA 81) von dem durch Siliciumtransistoren Q\ und Q₂ (die geringe Restströme und aneinander angepaßte Betas haben sollten) fließenden Strom gesteuert. Ohmsche Spannungsteiler werden aus R^ und D\ und aus

ίο R* und D₂ gebildet, wobei sich die vom Steuerstrom erzeugten Signale in abgeglichenem Zustand der Schaltung gegenseitig aufheben. Wenn Q] und Q₂ gesperrt sind, wird das Eingangssignal weitgehend ungeändert zum Ausgang durchgelassen, während, wenn Qi eine Steuerspannung zugeführt wird, der dynamische Widerstand der Dioden verringert und das Ausgangssignal gedämpft wird.

Die Kondensatoren Ci, C2, C3 und C₅ dienen lediglich als Koppelkondensatoren und haben keinen Einfluß auf den Frequenzgang oder die Zeitkonstanten. Die Widerstände R\ und R₂ verbinden die Ausgänge der Kondensatoren jeweils fest mit der Speisespannung und Masse. Die Kondensatoren Q und Q addieren die Ausgangsspannungen der beiden Dämpfungskreise, während die Kondensatoren C₄ und C₆ so abgeglichen sind, daß das Regelsignal Null wird. Der Verstärker 94 speist die Vollweg-Gleichrichterschaltung Ti, Dz und D₄, an die ein Glättungskondensator Q angeschlossen ist. Der Widerstand R₇ und der Kondensator C₇ haben zusammen eine Zeitkonstante von 1 sek, die sich als günstig für die den Niederfrequenzkanal passierenden Kanäle erwiesen hat.

Bei der dargestellten Schaltung setzt die Begrenzungswirkung sprungartig ein. Durch Verwendung einer einfachen Diodenwiderstan'dsschaltung zwischen den Emittern von Q\ und Q₂ kann man erreichen, daß der Begrenzungsvorgang allmählich einsetzt, was für einen guten Gleichlauf zwischen den Aufzeichnungs- und Wiedergabeschaltungen im Bereich des Begrenzungsschwellwertes vorteilhaft ist.

Das wesentliche Eingangssignal des Verstärkers 94 ist das über die Rückführverbindung 93 zugeführte. Die Vorwärtsverbindung 95 kann nach Belieben vorgesehen werden und sorgt für ein Drosseln oder Sperren des Ausgangssignals bei ungefähr - 10 dB.

Um zu gewährleisten, daß die Kompressionskennlinie in einem vorbestimmten Band nur von den Frequenzen dieses Bandes bestimmt wird, ist es möglich, in jedem Regelverstärker 94 Bandpaßfilter einzusetzen. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn die vor die Eingänge der Begrenzer geschalteten Filter 66 usw. nicht hinreichend sperren,·da schärfere Filter hierfinfolge der Rückführung im Expander nicht verwendet werden können.

Wichtig ist, daß die Verwendung getrennter Schaltungen für die vier verschiedenen Frequenzbänder nicht nur eine vom Signalpegel in einem Band unabhängige Entstörung im anderen Band ermöglicht, sondern auch die Kennlinien oder Frequenzgänge aller Entstörungskanäle für die von ihnen verarbeitenden Frequenzen geeignet sein können. Der Kanal 4 kann beispielsweise eine Auslöse-, Ansprech- oder Anstiegszeitkonstante von nur etwa 2 msek haben (im Vergleich zu Zeitkonstanten in der Größenordnung von 0,3 bis 7 sek, die üblicherweise mit einer Kompression oder Begrenzung verbunden ist). Wenn jede Zeitkonstante an den zugehörigen Frequenzbereich angepaßt ist, tritt das übliche Zischen oder Pfeifen nicht auf.

Der einfache Gläuungskondensator C- von 1- i g. 2 erfordert die Entladung vieler Schwingungen des Eingangssignals und macht den Begrenzer träge hinsichtlich seiner Ansprechgeschwindigkeit. Wenn die Zeitkonstante verringert wird, um diesen Nachteil zu beseitigen, wird die Regelspannung wellig und verzerrt das komprimierte Signal.

Um dieses Problem zu lösen, kann der Kondensator Q und der Widerstand R₁ in F i g. 2 durch die in F i g. 3 gezeigte Schaltung ersetzt werden.

Eine geeignete RC- Abkling- oder Abfallzeitkonstante (Rs ■ Cj) wird gewählt und der Kondensator Ci in zwei Kondensatoren C_1A und Cw unterteilt, die über zwei Widerstände ^₅, gespeist werden. Die Widerstände sind so ausgewählt, daß mit diesen Kondensatoren die Welligkeit auf den gewünschten Wert reduziert wird. Unglücklicherweise hat die Schaltung eine viel zu große Anstiegszeit. Wenn jedoch den Widerständen R_s Dioden Ds und A parallel geschaltet werden, wird die kurze Anstiegszeit wieder hergestellt, ohne daß die Abfallzeit beeinflußt wird. Die Dioden Ds und A sind so ausgewählt, daß sie Stromspannungskennlinien haben, die ein wirksames Ausfiltern der Welligkeitskomponente ermöglichen, und daß sie bei großen Amplituden gut leiten.

Der oben beschriebene nichtlineare Integrator ist hinsichtlich seiner Filterfähigkeit bei gegebener Abfallzeit beschränkt. Unter diesen einschränkenden Bedingungen steigt die Welligkeit, wenn die Abfallzeit verringert wird. Um die Abfallzeit verringern zu können, ist eine weitere Verbesserung vorgesehen (Fig.4). Ein Vorintegrator, bestehend aus einem Widerstand Rg und einem Kondensator Cs, ist so ausgelegt, daß er die gewünschte Abfallzejtkonstante Rg · Cs hat; der Vorintegrator kann jedoch auch wie der in Fig. 2 gezeigte ausgebildet sein, der ohne Nachteil eine glattere Ausgangsspannung erzeugt. Der Ausgang des Vorintegrators speist einen Emitterfolger 96, der als niederohmige Treiberstufe für eine weitere Integrierschaltung dient. Infolge der Dioden D₁ und D_s folgt die Ladung des Kondensators Q sehr schnell den Schwingungen des Eingangssignals bei großen Amplituden. Mithin bleibt eine kurze Anstiegszeit erhalten, während die Abfallzeit zwangsläufig der des Vorintegrators folgt. In ausgeglichenem Zustand oder Gleichgewichtszustand sind die Dioden jedoch nahezu gesperrt, so daß der Integrator R_w ■ Q die Schwingung in jedem gewünschten Maße glättet.

Ein Nachteil, sehr kurze Anstiegszeiten vorzusehen, besteht darin, daß der Kompressionsvorgang von sehr kurzen Übergängen und nicht von längeren, stärker hörbaren Komponenten des Signals gesteuert wird. Bei der erfindungsgemäßen 'Einrichtung ist es jedoch möglich, eine Ansprechzeit von mindestens einer msek zu verwenden, wenn sich an den linearen Begrenzer ein herkömmlicher, nichtlinearer Begrenzer anschließt. Ein derartiger nichtlinearer Begrenzer ist bei der dargestellten Ausführungsform im Kanal 4 vorgesehen. Er dient dazu, das Ausgangssignal des linearen Begrenzers 82 symmetrisch zu begrenzen, wenn ein großes, plötzlich zugeführtes Signal dort durchgeht, infolge der verhältnismäßig langen Ansprechzeit. Ein Überschwingen wird dadurch selbst bei voller Amplitude des Nutzsignals auf etwa 1 oder 2 dB begrenzt, so daß der nichtlineare Begrenzer, selbst bei schwierigsten Programmarten, z. B. bei Klavierspiel, keine Störungen verursacht, da das Begrenzerausgangssignal im Vergleich zum Nutzsignal im Hauptkanal klein und die Störung nur sehr kurz ist.

Wenn derartig lange Ansprechzeiten zulässig sind, ist es möglich, weniger kostspielige Steuerbauelemente, z. B. Elektro-Optische-Vorrichtungen, zu verwenden.

Die oben beschriebenen Audio-Kompressoren und j -Expander können in zahlreichen Einrichtungen verwendet werden, z. B. in Bandaufzeichnungseinrichtungen, Plattenaufzeichnungseinrichtungen, Tonaufzeichnungseinrichtungen für Bewegungsbilder, Funkrelaiseinrichtungen und Fernsprechnetzen. Insbesondere

ίο können Meisterbänder mit selbst nach wiederholtem Abspielen hohem Störabstand (Verhältnis vom Nutzsignal zum Störsignal) hergestellt und entweder die Kosten der Meisterbänder oder von voraufgezeichneten Bändern verringert werden, indem es ermöglicht wird, eine höhere Packungsdichte zu verwenden. Eine mit dem Kompressor von F i g. 1 ausgerüstete Einrichtung wurde zusammen mit dem entsprechenden Expander unter den schwierigsten Bedingungen getestet. Dabei zeigte sich keine merkliche Verschlechterung, selbst bei Programmaterial schwierigster Art.

Zusammenhängende Vorrichtungen oder auf den Prinzipien der Erfindung beruhende Einrichtungen seien ebenfalls noch erwähnt.
Wenn nicht der gesamte Hörfrequenzbereich entstört zu werden braucht, kann ein einziger Kanal mit einem entsprechenden Filter verwendet werden, um zum Beispiel das Zischen oder Rumpeln zu beseitigen. Ein schmalbandiges Filter kann zur Unterdrückung einer speziellen Frequenz verwendet werden, z. B. zur

JO Unterdrückung von Brumm- oder Pfeifgeräuschen, und das Filter kann abstimmbar ausgeführt werden. Ein derart schmalbandiger Kanal kann neben den Kanälen verwendet werden, die zur Entstörung des gesamten Bandes vorgesehen sind, wie in F i g. 1. Der schmalbandige Kanal kann auch dann wirksam werden, wenn der Breitbandkanal, der den schmalbandigen Kanal enthält, durch Signale mic hohem Pegel gesperrt ist. Wenn der Störpegel hoch- und breitbandiger Natur ist, kann es notwendig sein, eine große Anzahl schmalbandiger Kanäle zu verwenden.

Die Verwendung getrennter Informationskanäle für das direkte Signal und die Signale aus den Entstörungskanälen bzw. dem Entstörungskanal wurde bereits erwähnt. Bei Fig. 1 bedeutet dies praktisch die Entfernung der Addierschaltung 84 vom Kompressor zum Expander. Dies ist schematisch durch einen Schalter 83 zum Verbinden des Ausgangs des Addierers 85 mit einem Hilfsausgang zum Übertragen oder Aufzeichnen in einem zum Geradeaus-Kanal parallelen Kanal angedeutet. Dies wird bei kompatiblen VHF-Übertragungen, kompatiblen Monophonen-Plattenauf-"'zeichnungen (die beiden Kanäle werden ,nach in der Stereo-Technik üblichen Verfahren getrennt aufgezeichnet) und bei kompatiblen Bandaufzeichnungen angewandt. Der Entstörungskanal kann dann mit einem höheren Pegel auf einer schmaleren Spur außerhalb des Bereiches des normalen Kopfes aufgezeichnet werden, der nur das direkte Signal reproduziert. Zur Störsignalunterdrückung oder Entstörung tastet ein zusätzlicher Kopf die schmale Spur oder ein besonders breiter Kopf sowohl diese als auch die Direktsignalspur ab. In unkritischen Fällen braucht das übertragene oder aufgezeichnete Signal jedoch nicht kompatibel zu sein. Es ist möglich, ohne Expander auszukommen, vorausgesetzt, daß ein einfaches, passives Netzwerk zum Korrigieren der vom Kompressor verursachten Verstärkung der Tiefen und Höhen vorgesehen wird. Für die in der erfindungsgemäßen Einrichtung vorkommen-

den Parameter bewirkt das Netzwerk einen Abfall von 6 dB pro Oktave beginnend bei 100 Hz für die Tiefen und bei 3 kHz für die Höhen.

Die Erfindung ermöglicht ferner die Verringerung einer Verzerrung (des Klirrfaktors) insbesondere einer Hochfrequenzveri-errung bei Plattenaufzeichnungen, und zwar dadurch, daß ein niedriger Aufzeichnungspegel verwendet werden kann, ohne den Störabstand zu verschlechtern, wobei entsprechend der in Fig. 5b gezeigten Kurve G aufgezeichnet wird. Selbst bei niedrigen Frequenzen kann es vorteilhaft sein, die Erfindung anzuwenden, um einen niedrigeren Aufzeichnungspegel und mithin eine höhere Informationsdichte zu ermöglichen, wie z. B. durch einen kleineren Rillenoder Spurabstand bei Plattenaufzeichnungen.

Um das Verkehrs- oder Plattentellerrumpeln zu verringern, kann ein Expander verwendet werden, der einen einzigen Störsignalunterdrückungskanal mit einem Tiefpaßfilter (80 Hz) und sowohl linearen als auch nichtlinearen Begrenzern, wie in Fig. 1 gezeigt, enthält. Es wird jedoch eine steilere Expansionskennlinie verwendet, als die in Fig. 5c gezeigte, zu B komplementäre Kurve //, nach Kurve /von F i g. 5c.

Wenn keine Niederfrequenzsignale auftreten, ergibt die Einrichtung einen gedämpften Frequenzgang bei niedrigen Frequenzen, wobei der Begrenzungsschwell-") wert auf einen Wert eingestellt wird, der etwas höher als die Ruinpelamplitude liegt. Wenn überhaupt Niederfrequenzkomponenten vorhanden sind, sind ihre Amplituden wesentlich größer als der Begrenzungsschwellwert, so daß nur geringfügig oder gar nicht gedämpft

ίο durchgelassen werden. '

Obwohl der Rumpelunterdrückungsexpander nicht die Verwendung eines Kompressors zur Voraussetzung hat, ist die zu /gehörige Kompressionskennlinie C in Fig. 5a dargestellt. Man erhält sie durch Addition einer

i> Störsignalunterdrückungskennlinie F zur Geradeauskennlinie D. Die Kennlinie F resultiert aus einer höheren Kreisverstärkung und einem schärferen Begrenzungsschwellwert als im Falle der Kurve £ die für die in Fig. 2 gezeigte Schaltung geeignet ist. Das Abfallen der Kurve £bei höheren Signalpegeln ist eine Folge der Steuerung (feed forward control), bei der in F i g. 2 gezeigten Schaltung.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Baustein für eine Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der Dynamik von Audiosignalen durch Kompression bzw. Expansion zur Störgeräuschverminderung in wenigstens einem Frequenzband, bei der die Signaldynamik in mehrere Komponenten unterteilt ist, mit einer ersten Schaltung, welche die erste Komponente im Verhältnis zu den Eingangssignalen mit linearer Dynamik in voller Bandbreite überträgt, und mindestens einer weiteren Schaltung, die ein frequenzselektives Filter aufweist und Vorrichtungen enthält, welche die Amplitude des Audiosignals beeinflussen, ohne dessen Verlauf zu verzerren, und die eine Regelstufe mit einer solchen Kennlinie aufweisen, daß bei Kompressorbetrieb unterhalb eines niedrigen Schwellwertes des Audiosignals keine Verminderung des Verstärkungsgrades eintritt, während oberhalb des niedrigen Schwellwertes der Verstärkungsfaktor mit steigendem Signalpegel abnimmt, so daß das Signal am Ausgang der weiteren Schaltung oberhalb des niedrigen Schwellwertes auf einen Wert begrenzt wird, der mindestens um eine Größenordnung kleiner ist als das maximale Ausgangssignal der ersten Schaltung, wobei in jedem Betriebsfall die Regelstufe eine Regelschaltung aufweist, die Mittel zum Gleichrichten und Glätten des Audiosignals enthält und deren Ausgang das Übertragungsmaß der Regelstufe ändert, und einer Vereinigungsvorrichtung für die Ausgangssignale der ersten und jeder weiteren Schaltung, wobei bei Kompressionsbetrieb die Vereinigungsvorrichtung addiert und das Eingangssignal der bzw. jeder weiteren Schaltung von dem Eingangssignal des Bausteins abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstufe (Fig.2) einen Begrenzungswiderstand (Du D₂) und eine Regelschaltung (Di, Da; Q; Qu Qt) enthält, die in Abhängigkeit von dem Audiosignal die Impedanz des Begrenzungswiderstandes ändert, derart, daß die Summe der Ausgangssignale der Regelstufen (Fig. 2) oberhalb des niedrigen Schwellwertes auch bei Expansionsbetrieb auf einen Wert begrenzt wird, der mindestens um eine Größenordnung kleiner ist als das maximale Ausgangssignal der ersten Schaltung (64), daß das Eingangssignal der Regelschaltung (D₃, Da; Q, Ä7, Qu Qi sowie F i g. 3; F i g. 4) in an sich bekannter Weise vom Ausgang der Regelstufe abgeleitet ist (F i g. 2), daß wenigstens einer Regelstufe (82) ein nichtlinearer Begrenzer (87) nachgeschaltet ist (Fig. 1), daß auch bei Expansionsbetrieb die erste Schaltung die erste Komponente in ihrer vollen Bandbreite überträgt, während nur bei Expansionsbetrieb die Vereinigungsvorrichtung das Ausgangssignal der Regelstufe vom Ausgangssignal der ersten Schaltung subtrahiert und das Eingangssignal der oder jeder weiteren Schaltung von dem Ausgangssignal der Vereinigungsvorrichtung abgeleitet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungswiderstand eine Diode (D\, D2) enthält und daß die Regelschaltung (Di, Da; Q; Qu Qt) den dynamischen oder differentiellen Widerstand der Diode ändert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungswiderstand einen spannungsgesteuerten ohmschen Widerstand enthält, dessen Widerstandswert durch die Regelschaltung geändert wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsmittel der Regelschaltung zwei Kondensatoren (Qa, Qb) enthalten, die über vorgeschaltete ohmsche Widerstände (R_s) gespeist werden, und daß zu jedem Widerstand (R_s) eine Diode (Ds, D₆) parallel geschaltet ist, die eine schnelle Aufladung der Kondensatoren gestattet.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsmittel eine erste Glättungsschaltung (Rs, C₈) enthalten, die eine zweite Glättungsschaltung mit einem Reihenwiderstand (Rio) und einen Kondensator (Q) speist, und daß parallel zu diesem Reihenwiderstand (Rio) zwei entgegengesetzt gepolte Dioden (Di, Db) geschaltet sind.

6. Schaltungsanordnung zur Störgeräuschverminderung mit einem Baustein nach Anspruch 1 zur Kompression und einem Baustein nach Anspruch 1 zur Expansion, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Baustein zur Kompression die Vereinigungsvorrichtung weggelassen ist, die Ausgangssignale der ersten und der weiteren Schaltungen dem Expander getrennt zugeführt werden und daß der Baustein zur Expansion an seinem Eingang eine Vereinigungsvorrichtung zur additiven Überlagerung der von der Kompressionsanordnung übertragenen Signale aufweist.

7. Schaltungsanordnung zur Störgeräuschverminderung mit einem Baustein nach Anspruch 1 zur Kompression und einem Baustein nach Anspruch 1 zur Expansion, bei der der Baustein zur Kompression ein Aufzeichnungsgerät oder Übertragungsmittel speist, während das Aufzeichnungsgerät oder Übertragungsmittel den Baustein zur Expansion mit dem Signal nach der Aufzeichnung und Wiedergabe oder nach der Übertragung speist, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Schaltungen der beiden Bausteine im wesentlichen gleich sind und daß ein und dieselbe Schaltung während der Aufzeichnung im Kompressionsbaustein und während der Wiedergabe im Expansionsbaustein verwendbar ist.