DE2211347B2 - Schaltungsanordnung zur Veränderung des dynamischen Bereiches von Signalen - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Veränderung des dynamischen Bereiches von SignalenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanordnungen, die dazu dienen, den dynamischen Bereich eines
Eingangssignals zu verändern, d. h. auf Kompressoren, welche eine Kompression des dynamischen Bereiches
hervorrufen und auf Expander, welche eine Expansion des dynamischen Bereiches bewirken. Kompressoren
und Expander sollen manchmal unabhängig voneinander arbeiten, häufig jedoch wird verlangt, daß der
Kompressor den dynamischen Bereich eines Eingangssignals verändert, bevor das Signal übertragen oder
aufgezeichnet wird und daß ein komplementärer Expander den dynamischen Bereich des aufgenommenen
oder wiedergegebenen Signals expandiert, d. h. daß der Expander die lineare Kennlinie für das Eingangssignal
wiederherstellt Störgeräusche, die während der Übertragung oder bei der Aufzeichnung bzw. der
Wiedergabe auftreten, werden dadurch wesentlich vermindert und die Kombination aus Kompressor und
Expander wirkt daher als Anordnung zur Geräuschverminderung.
Eine Schwierigkeit, die bei vielen Schaltungsanordnungen
zur Veränderung des dynamischen Bereiches
is zwecks Geräuschverminderung besteht, ist die, daß
d:ese Anordnungen Pegelfehler oder Verzerrungen bei hohen Signalpegeln hervorrufen. Bei einer Anordnung
zur Störverminderung ist es nicht notwendig, die Signale mit Jiohem Pegel zu verändern, da die
Störgeräusche gewöhnlich einen niedrigen Wert im Verhältnis zum maximalen Signalpegel aufweisen. Die
Kompressoren und Expander soüten daher so ausgebildet
sein, daß eine Veränderung der Signaldynamik bei hohen Pegeln vermieden wird und nur bei niedrigen
Signalpegetn durchgeführt wird. Dies kann durch Verwendung einer allgemeinen Gruppe von Schaltungen
erreicht werden, die ein Ausgangssignal in einem festgelegten Frequenzband in Abhängigkeit von einem
Eingangssignal innerhalb dieses Bandes erzeugen und
jo für jede innerhalb des Bandes liegende Frequenz eine
Eingangs/Ausgang^übertragungscharakteristik aufweisen,
die in zwei Bereiche geteilt ist, weiche hohe und niedrige Pegel enthalten, wobei mindestens der Bereich
mit dem hohen Pegel eine Übertragungscharakteristik
r, aufweist die nur durch feste Schaltelemente bestimmt wird, welche eine im wesentlichen geradlinig verlaufende
Übertragungscharakteristik haben, die in einem Dezibeldiagramm parallel in einem Abstand von
derjenigen des Bereichs der niedrigen Signalpegel
verläuft wobei der Übergang vor· dem Bereich der niedrigen Pegel zu dem der hohen Pegel durch
veränderliche Schaltelemente bewirkt wird, deren Parameter in Abhängigkeit von den Pegeln eines oder
mehrerer Signale, die in der Schaltungsanordnung
v, auftreten, veränderlich ist und wobei diese Parameter
beim Übergang von dem Bereich der niedrigen Pegel zu dem Bereich der hohen Pegel einen Extremwert
annehmen, wodurch in dem Bereich der hohen Signalpegel Veränderungen und Mangel der Parameter
V) nur einen unbedeutenden Einfluß auf die Übertragungscharakteristik
und das Ausgangssignal haben.
Beide Bereiche, sowohl der mit niedrigem Pegel als auch der mit hohem Pegel haben Übertragungscharakteristiken,
die nur durch feste Schaltelemente
γ, bestimmt sind; die genannten Parameter verändern sich
von einem Extremwert zu einem anderen entgegengesetzten Extremwert beim Übergang von dem Bereich
niedrigen Pegels zu dem Bereich hohen Pegels, wodurch diese Parameter nur in einem Zwischenpegelbereich
bo einen nennenswerten Einfluß auf die Übertragungscharakteristik
und das Ausgangssignal haben, während bei den beiden Extrem- oder Endzuständen irgcnclvelehc
Veränderungen oder Beeinträchtigungen der Parameter nur einen unbedeutenden Einfluß auf die Übertraft
ί gungscharaktcristikcn und das Alisgangssignal haben.
I Im die Beschreibung im weiteren zu erleichtern, wird
die Übertragungscharakteristik mit hohem Sign.ilpegcl
als normale Kennlinie bezeichnet und die llberira-
gungscharakteristik bei niedrigem Pegel als angehobene
Kennlinie im Fall eines Kompressors und als gedämpfte oder geschwächte Kennlinie im Fall eines
Expanders. Die beiden Möglichkeiten einer angehobenen Kennlinie oder einer geschwächten Kennlinie
werden allgemein als abgeänderte Kennlinie oder Charakteristik bezeichnet
Wenn Kompressoren und komplementäre Expander in Anlagen zur Geräuschvenninderung benutzt werden,
ist es wichtig, daß signalmodulierte Geräuschkompo- ι ο
nenten vermieden werden. Dies läßt sich am besten dadurch sicherstellen, daß die verschiedenen Abschnitte
des Frequenzspektrums möglichst unabhängig voneinander
komprimiert oder expandiert werden. Der Grad der Kompression oder Expansion (d.h. die Geräuschverminderung),
die z.B. bei den extrem hohen Hörfrequenzen auftritt, sollte to wenig wie möglich
durch die Signale bei niedrigen oder mittleren Frequenzen beeinflußt werden.
Kompressoren oder Expander, die nach diesem >o
Prinzip arbeiten, enthalten gewöhnlich frequenzselektive Kreise, welche die Änderung der Kennlinie auf
bestimmte begrenzte Bereiche des Freqi-^nzbandes
beschränken, das einen Teil des Gesamtfrequenzbandes bildet. Wenn eine Frequenzkomponente innerhalb des 2=s
begrenzten Bandes einen hohen Signalpegel hat, spricht die Schaltungsanordnung darauf an und bewirkt, daß
das begrenzte Band so weit eingeengt wird, daß diese Frequenz ausgeschlossen wird, so daß bei dieser
Frequenz die normale Kennlinie wirksam ist. Die jo abgeänderte Kennlinie ist innerhalb des nunmehr
eingeengten Frequenzbandes wirksam, so daß die Kompressor- bzw. Expanderwirkung und dadurch die
Geräuschverminderung innerhalb dieses begrenzten Bandes wirksam wird. Man kann dieses Prinzip als ein η
Bandeinengungsprinzip bezeichnen, da das Frequenzband eine Einengung erfährt, um die Kompression, die
Expansion und die Geräuschverminderung auf Frequenzen
zu beschränken, innerhalb deren nur Signale mit niedrigem Pegel vorhanden sind. Auf diese Weise läßt w
sich eine Starke Kompression und Expansion bei
Frequenzen aufrechterhalten, die von den Signalfrequenzen mit hohem Pegel einen gewissen Abstand
haben, so daß sich eine günstige Geräuschverminderung unter Vermeidung von signalmodulierten Geräuschen
ergibt
Beispiele für derartige Bandbegrenzungsschaltungen sind in der britischen Patentschrift Nr. 11 20 541 und
12 53 031 angegeben. Bei diesen Beispielen wird die Übertragungskennlinie mit Hilfe von zwei Kanälen -,0
erreicht, deren Ausgänge kombiniert werden und die die normale Kennlinie bei hohen Pegeln und die abgeänderte
Kennlinie bei niedrigen Pegeln verwirklichen.
Es sind schon Schaltungsanordnungen zur Änderung des dynamischen Bereiches bekannt, in denen Reihen- ■-,->
schaltungen von Impedanznetzwerken verwendet werden, wobei eines der Netzwerke einen veränderbaren
(steuerbaren) Widerstand als Komponente enthält. Diese Schaltungsanordnungen sind jedoch entweder
nicht frequenzselektiv (wie im Fall der in der «>
US-Patentschrift 32 81706 beschriebenen Schaltung) oder sie sind zwar frequenzselektiv, nrbciten jedoch
nicht nach dem Bandeinengungsprinzip.
Beispiele von frcqiienzsclektiven Schaltungsanordnungcn
sind in der britischen Patentschrift 11 52 435 und .,-,
in den US-Pattnlvhriftcn 34 49 518 und 34 97 621
angegeben. In diesen Schaltungen wird ein veränderbarer
Widerstand in "einem Wert so vermindert, daß die
frequenzbestimmende Komponente eines der in Reihe geschalteten Impedanznetzwerke vermindert wird, um
den Betrag um den der Signalpegel in dam begrenzten Frequenzband, das durch die frequenzbestimmenden
Komponenten gegeben ist, angehoben oder vermindert wird, zu reduzieren. Bei diesen Verfahren ist das
beschränkte Frequenzband entweder gar nicht beeinflußt oder es wird bei dem Vorgang verbreitert und
nicht eingeengt
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, bei der nur ein
einziger Übertragungskanal erforderlich ist, bei der auch eine bandeinengende Wirkung erreicht wird und
bei der eine Reihenschaltung von Impedanznetzwerken verwendet wird, um die gewünschten Übertragungskennlinien zu erzeugen.
Ausgehend von einer Schaltungsanordnung zur Änderung des dynamischen Bereiches eines Nachrichtensignals
bei der eine Anzahl von Impedanznetzwerken in Reihenschaltung mit den Eingangsklemmen
verbunden sind und bei der Ausgangsklemmen an einem oder mehreren der Netzwerken vorgesehen sind, von
denen mindestens eines ein frequenzselektives Netzwerk ist, das ein begrenztes Frequenzband bestimmt,
innerhalb dessen die Änderung des dynamischen Bereichs stattfindet und das veränderbare Schaltelemente
aufweist, die auf den Pegel der innerhalb des Bandes liegenden Signalkomponenten ansprechen und
das Ausmaß der Dynamikänderung vermindern, wenn der Pegel der Signalkomponente zrmimmt, wird die
genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die veränderbaren Schaltelemente das Band
verengen, wenn der Pegel der Signalkomponente innerhalb des Bandes zunimmt und auf diese Weise
diese Signalkomponenten von der Dynamikbereichsänderung ausnehmen.
Eine Einengung des Bandes ohne Abflachung der Kennlinie (wie in V i g. 2) läßt sich dadurch erreichen,
daß man ein veränderbares reaktives Schaltelement in dem veränderbaren Impedanznetzwerk verwendet; es
ist jedoch auch möglich, die gewünschte Wirkung mit entsprechend geschalteten veränderbaren Widerständen
zu erreichen. Die Impedanznetzwerke können in verschiedener Weise ausgebildet sein, wobsi es möglich
ist, ein angehobenes Ausgangssignal in dem eingeschränkten Band für den Kompressor oder ein
abgeschwächtes Ausgangssignal in dem beschränkten Band bei niedrigen Signalpegeln zu erreichen. Das
veränderbare Netzwerk kann lediglich aus einem veränderbaren Schaltelement bestehen oder es kann
auch feste Schaltelemente in verschiedenen Reihen- und Parallelschaltungen enthalten. Ob es notwendig ist, den
Wert der veränderbaren Impedanz bei einer Erhöhung des Signalpegels innerhalb des Bandes anzuheben oder
zu vermindern, hängt davon ab, wie die veränderbare Impedanz das Anheben oder Vermindern bewirkt und
auch von der Richtung, in der die Grenze oder die Grenzen des Frequenzbandes verschoben werden
müssen, um das 8and einzuengen.
Eine Verminderung der Impedanz des veränderbaren
Schaltelcmcntes ergibt gewöhnlich eine Abnahme der Impedanz des veränderbaren Netzwerkes. Gs kann
jedoch auch der umgekehrte Vorgang eiitretcn, z. B. im
!•"alle eines Parallelresonanzkreises, bei dem ein
veränderbarer Widerstand in dem Schwingkreis den Wen Q ändert und daher die Impedanz des Kreises in
der entgegengesetzten Richtung ändert, wie die Änderung des Widerstandes vor sich geht.
Die Netzwerke worden von einer Stromquelle gespeist und die Ausgangsspannung kann an den in
Reihe geschalteten Elementen des Netzwerkes abgenommen werden. Eine komplementäre Kompressor-Expanderwirkung,
die umschaltbar ist, kann nötigenfalls -, dadurch erhalten werden, daß die gleiche Reihenkombinationsschaltung
von einer Spannlingsquelle mit konstanter Spannung gespeist wird. Als Ausgangsgröße
dient dann der Strom, der durch die Reihenschaltung fließt. Wenn eines der Netzwerke als ohmscher n>
Widerstand ausgebildet ist, dann kann die Ausgangsspannung direkt an dem Widerstand abgenommen
werden.
Wenn die veränderbare Impedanz als veränderbare Reaktanz ausgebildet ist, ist es meist am günstigsten, η
veränderbare Widerstände zu benutzen, um die veränderbare Reaktanz zu erzeugen. Durch Verwendung
einer veränderbaren Verstärkung und Ausnutzung des Miller-fcffektes ist es z. H. möglich, eine veränderbare
Kapazität darzustellen.
Wenn das zu verarbeitende Signal ein Trägerfrequenzsignal ist, dann wird der Kompressor so
eingerichtet, daß er die Trägerfrequenz und die Seitenbänder bearbeiten kann. Hierbei ist es gewöhnlich
notwendig, das Frequenzband symmetrisch zu verengen r> oder zu erweitern, jedoch ist es auch möglich, die
Steuerung der Bandbreite unsymmetrisch durchzuführen, um ein Seitenbandsignal oder Signale mit
begrenzten Seitenbändern zu verarbeiten.
Wie oben erwähnt ist es möglich, abgestimmte Kreise mit veränderbarer Bandbreite durch Verwendung
veränderbarer Widerstände aufzubauen. Es ist auch möglich, die Bandbreite durch ein veränderbares
/yC-Verhältnis zu beeinflussen. In beiden Fällen wird
die Steuerung so vorgenommen, daß die Resonanzfre- r< quenz konstant gehalten wird, jedoch verändert das
veränderbare L/C-Verhältnis die Impedanz des Kreises
außerhalb der Resonanz und ruft daher die notwendige Bandverengung hervor.
Bei Schaltungen zur Geräuschverminderung ist es -»n
gewöhnlich ausreichend, nur den Teil des dynamischen Bereiches mit niedrigem Pegel — z. B. Pegel von
weniger als - 20 dB, - 40 dB oder selbst - 60 dB — mit Bezug auf den maximalen Arbeitspegel (ein, zwei oder
drei Größenordnungen niedriger) zu verarbeiten. Störungen, die durch den Betrieb mit veränderlicher
Impedanz eingeführt werden, sind daher auf verhältnismäßig niedrige Pegel beschränkt, bei denen sie nicht
auffallen. Bei sehr niedrigen und bei sehr hohen Pegeln wird eine Verzerrung vermieden, weil die Eigenschaften 3η
der Schaltungsanordnung nur durch die festen Schaltelemente beeinflußt werden, so daß im Bereich dieser
Pegel ein lineares Arbeiten gewährleistet ist.
Die Kompressoren und Expander gemäß der Erfindung werden im folgenden im einzelnen und
getrennt beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, durch Verwendung eines Verstärkers mit negativer Rückkopplung
eine andere Arbeitsweise zu erreichen, wobei ein Kompressor oder Expander in der Rückkopplungsschleife angeordnet ist, um die Expander- oder w>
Kompressorwirkung hervorzurufen.
Bei Anwendungen wie z. B. beim Fernsehen, bei dem nichtlineare Verzerrungen, die durch den Kompressor
eingeführt werden, mit Hilfe des Expanders kompensiert werden können, ist es auch möglich, nichtlineare
Impedanzen, ζ. B. Schaltelemente mit Sättigungseigenschaften,
zu benutzen, um die veränderliche Bandbreite hervorzurufen.
Wenn jedoch eine nichtlinearc Verzerrung nicht zulässig ist, wie z. B. bei Audioübertragungen, können
die veränderlichen Impedanzen in Abhängigkeit von gleichgerichteten und geglätteten Signalen gesteuert
werden, wodurch eine lineare oder syllabische Wirkung erreichbar ist. Das Steuersignal kann an verschiedenen
Stellen der Schaltung abgenommen werden, z. B. als Eingangs- oder Ausgangssignal. Es ist jedoch besonders
vorteilhaft, das Signal von dem Strom oder der Spannung abzuleiten, der durch das veränderliche
Element der veränderlichen Impedanz fließt oder an ihr abgenommen wird, d. h. von Teilen der Schaltung, in
denen der Strom oder die Spannung auf einen kleinen Wert bei hohen Eingangssignalpegeln beschränkt ist. Es
kann erforderlich sein, in diesem Fall einen Differenzverstärker zu verwenden und dies hat den Vorteil, daß
die Steuerspannung nicht auf extrem hohe Werte bei hohen Signalpegeln ansteigt.
Durch Verwendung einer zweistufigen integrationsschaltung
ist es möglich, die Ansprechzeit der Anordnung kurz zu halten, während gleichzeitig die
Signalverzerrung und die Erzeugung von Modulationsprodukten auf einem Minimum gehalten wird. Die erste
Stufe sollte eine kurze Zeitkonstante aufweisen. Die zweite Stufe, die eine längere Zeitkonstante hat, ist mit
der ersten Stufe nichtlinear gekoppelt, z. B. über eine Dioden-Widerstandskombination, wobei die zweite
Stufe «.ine zusätzliche Glättung bei verhältnismäßig
gleichförmigen Signalen hervorruft. Bei plötzlichen Änderungen der Signalamplitude wird die nichtlineare
Schaltung leitend und bewirkt, daß die Zeitkonstante der zweiten Schaltung vermindert wird.
Während der Ansprechzeit können Übersteuerungen oder Untersteuerungen auftreten. Es ist möglich, diese
auf kleine Amplituden zu begrenzen, wenn man entsprechend geschaltete nichtlineare Elemente, ?.. B.
Dioden, benutzt.
Die Dioden sollten mit der veränderbaren Impedanz so verbunden sein, daß die auftretende Spannung selbst
bei extremen Störwellen kleine Werte nicht überschreitet. Auch Dioden mit konstantem Strom können in
ähnlicher Weise verwendet werden, wenn der Strom der veränderbaren Impedanz und nicht die Spannung
auf einen kleinen Wert bei hohen Eingangssignalpegeln beschränkt wird.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt Kennliniendiagramme, die die Bandverengung
darstellen;
■ F i g. 2 zeigt vergleichbare Kennlinien, die sich beim
Betrieb bekannter Schaltungen ergeben;
F i g. 3 zeigt einen Kompressor gemäß der Erfindung; F i g. 4 zeigt einen Expander gemäß der Erfindung;
Fig.5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines
Kompressors gemäß der Erfindung;
Fig.6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines
Expanders gemäß der Erfindung, und
F i g. 7 zeigt eine Steuerschaltung zur Verwendung in einer Schaltung nach F i g. 4 bis 6.
Zur Vereinfachung ist in der folgenden Beschreibung nur der Fall dargestellt, bei dem das eingeengte Band
den oberen Teil des Gesamtbandes bildet und bei dem veränderbare Reaktanzen benutzt werden, um die
Einengung des Bandes hervorzurufen, obwohl es möglich ist, auch veränderbare Widerstände, niederfrequente
Bänder, enge Bänder und Trägerfrequenzen sowie Seitenbänder in die Beschreibung einzubeziehen.
Die Erfindung ist auch anwendbar bei einem begrenzten
Band, das am unteren Ende des Gesamtbereiches liegt und es können auch Schaltungen gebaut werden, um
zwei oder mehrere begrenzte Bänder, z. B. eins am oberen Ende und eins am unteren Ende zu verarbeiten.
In ähnlicher Weise könner auch mehrere Bänder -, vorhanden sein, um alle wichtigen Frequenzen mit
möglichst geringer gegenseitiger Beeinflussung zu verübelten. Dabei brauchen auch ein oder mehrere der
Bänder keine Einengung der Bandbreite zu erfahren.
Die dargestellten Schaltungen können dazu verwen- m det werden, um bei Audiogeräten ,'lochfrequente
Geräuschkomponenten zu vermindern, z. B. die hohen Frequenzen des Bandgeräusches, jedoch können die
Schaltungen auch zur Verarbeitung irgendwelcher anderer Informationssignale bei entsprechender Wahl |-,
der die Frequenz bestimmenden Komponenten benutzt werden. Wie schon erwähnt, Ikann das begrenzte Band
auch so ausgebildet sein, daß es Trägerfrequenzsignale linrt ihr*» QpifpnkänHpr 7 R hoi Miiltirvlnvtrtnilkortroausgezogenen
Linien 10a und 11a hervorgehl. Diese Seitenbandsignale entsprechen den Signalen im Frequenzbereich
/i bis fs nach Fig. la. Wenn nun ein
starkes Signal bei den Werten des Seitenbandes f2 und
f{ auftritt, dann nimmt die Breite des Bandes, innerhalb
dessen die Unterdrückung stattfindet, zu und dies ist äquivalent einer Verengung der Bandbreite, in der die
Kompression oder Expansion stattfindet. Die geänderte Frequenzkennlinie schließt aus, daß Seitenbandsignale
mit starkem Pegel verarbeitet werden, wie die gestrichelten Kennlinien 106und 11 Verkennen lassen.
Dieses Verhalten kann in Gegensatz gestellt werden zu dem Verhalten von bekannten Frequenzselektiven
Kompressoren und Expandern, die in Reihe geschaltete Impedanznetzwerke verwenden. Die Kennlinien derartiger
Schaltungen sind in den F i g. 2a, 2b und 2c dargestellt. Fig. 2a zeigt die Kompressor- und Expanderkennlinien
12a und 13a, die auftreten, wenn nur
ill i
onübsrirs- SiCTn2!kornnonsnisn kleinen PcCTe!s zwischen
gung sowie Farbfernsehsignal«; verarbeitet.
F i g. I a zeigt eine Kompressorkennlinie 10a und eine Expanderkennlinie Ha in voll ausgezogenen Linien, die
über ein Gesamtfrequenzband sich erstrecken, das zwischen den Frequenzen Jo und /3 liegt. In dem
Diagramm ist die Verstärkung in Abhängigkeit von der 1%
Frequenz aufgetragen und man erkennt, daß unterhalb einer Frequenz f\ die Verstärkung einen normalen Wert
hat, der gleich 1 sein kann. Zwischen /i und Z3 liegt ein
begrenztes Band, innerhalb dessen die Verstärkung verändert wird, indem sie z. B. im Fall des Kompressors jn
um ^O dB angehoben und im Fall des Expanders um 1OdB vermindert wird. Die dargestellte Kennlinie
zwischen f\ und /3 bezieht sich jedoch nur auf Signale mit
niedrigem Pegel. Fig. la zeigt auch, was eintritt, wenn
eine Komponente mit hohem Pegel bei einer Frequenz η fi auftritt, die zwischen U und /j liegt. Das begrenzte
Band verschiebt sich nach oben, wie die gestrichelten Linien 106 und 116 angeben und wird somit enger, so
daß die normale Verstärkung bei f, vorhanden ist, während zwischen h und /3 die Verstärkungsänderung
stattfindet. Das kräftige Signal mit der Frequenz /j hat
die Kompression und die Expansion zwiscnen f\ und /j
beseitigt, aber nicht zwischen den Frequenzen f2 und /3.
Fig. Ib zeigt den Fall, bei dem ein Frequenzband bei
einem Mehrband-Audiokompressor oder Expander behandelt wird. Die voll ausgezogenen Linien 10a und
11a erstrecken sich von den Frequenzen /i bis zur
Frequenz U. Wenn ein Signal mit hohem Pegel und der Frequenz />
auftritt dann wird die Bandbreite beschränkt so daß h, wie aus den gestrichelten Linien 106
und 116 hervorgeht, außerhalb des Bandes liegt Selbst wenn jedoch ein so starkes Signal mit der Frequenz /2
vorhanden ist werden die Frequenzen zwischen /2 und /3
komprimiert oder expandiert
Fig. Ic zeigt das Verhalten bezüglich eines Trägerfrequenzsignals
mit Seitenbändern. Bei einem Trägerfrequenzsystem mit unterdrücktem Träger fehlt die
Trägerfrequenz. Wenn der Träger nicht unterdrückt wird, dann ist es notwendig, daß der Kompressor oder
Expander den Träger während der Verarbeitung des ω Signals unterdrückt Die Frequenzkennlinie der Fi g. Ic
bezieht sich auf einen Kompressor und einen Expander, bei dem die Trägerfrequenz fc unterdrückt ist und bei
dem die Seitenbänder mit niedrigem Pegel komprimiert oder expandiert werden.
In Abwesenheit eines Signals mit hohem Pegel erstreckt sich die Seitenbandbeeinfiussung von der
Frequenz /i bis /3 und von f\ bis /3', wie aus den voll
Frequenzen /i und /3 auftreten. F i g. 2a zeigt auch, was
eintritt, wenn eine Komponente mit starkem Pegel bei Z2
auftritt. Die Kennlinien 126und 136 werden flacher oder niedriger und verhindern jegliche Kompression und
Expansion. Es ist klar, daß in diesem Falle keine Möglichkeit besteht, noch eine Kompression oder
Expansion oberhalb der Frequenz /j zu bewirken. Es ist
daher auch zu erwarten, daß signalmodulierte Störgeräusche auftreten, wenn man nicht eine große Zahl von
Frequenzbändern benutzt
F i g. 2b zeigt den Fall, bei dem ein Frequenzband bearbeitet wird, das mit demjenigen der Fig. Ib
vergleichbar ist. Die Frequenzen mit niedrigem Pegel sind mit f\ bis /4 bezeichnet und die Kennlinien 12a und
13a sind voll ausgezogen. Wenn ein Signal mit starkem Pegel bei der Frequenz Z2 auftritt, wird die Kompression
oder Expansion, wie aus den gestrichelten Linien 126 und 136 hervorgeht, vermindert. Die Kompression oder
Expansion wird jedoch nicht nur bei der Frequenz /j vermindert, sondern bei allen Frequenzen die oberhalb
von /2 liegen. Dies ist aber bezüglich der Geräuschmodulation
weniger wünschenswert als die Einengung des Bandes nach Fig. Ib.
Das Gegenstück der bekannten Schaltung mit Trägerfrequenz und Seitenbändern ist in Fig.2c
dargestellt. Die Kennlinien bei niedrigem Signalpegel sind durch die Kurven 12a und 13a dargestellt die eine
Verarbeitung der Frequenzen oberhalb von f\ und unterhalb von Z1' gestatten. Wenn Seitenbandsignale bei
h und /2' auftreten, ergeben sich die Kennlinien 126 und
136, die erkennen lassen, daß der Grad der Kompression und Expansion über die ganze Bandbreite
vermindert worden ist im Gegensatz zu der Kennlinienverschiebung, die eine Einengung des Bandes nach
Fig. leergibt
Die Schaltungen der Fig.3 bis 6 sind Beispiele für
Kompressoren und Expander, die in der Lage sind, die Kennlinien zu erzeugen, die in F i g. 1 beschrieben
wurden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 werden drei in Reihe geschaltete Impedanz-Netzwerke verwendet,
und zwar 1. ein Widerstand 20, der den Eingangswiderstand bilden kann, 2. ein Widerstand 21 und 3. eine
veränderbare Induktivität 22, die parallel zu einem Widerstand 23 liegt Die drei Netzwerke liegen in Reihe
zwischen den Eingangsklemmen 24a und 246. Die Ausgangsklemmen 25a und 236 liegen an der aus dem
zweiten und dritten Netzwerk gebildeten Schaltungskombination.
Die an dem dritten Netzwerk auftretende Spannung wird mit Hilfe einer Steuerschaltung 26 abgegriffen,
welche diese Spannung gleichrichtet und glättet, und zwar gegebenenfalls nach einer Verstärkung, so daß
sich ein Steuersignal auf der Leitung 27 ergibt. Die Anordnung ist so getroffen, daß bei einer Zunahme des
Steuersignals der Wert der Induktivität 22 abnimmt.
Die Arbeits\ eise dieser Schaltung ist folgende: Wenn die Induktivität 22 ihren maximalen Wert annimmt,
bedingt sie in Verbindung mit dem Widerstand 23 eine Grenzfrequenz Λ (Fig. I)1 die die untere Grenze des
begrenzten Frequenzbandes bildet. Unterhalb dieser Frequenz ist die normale Kennlinie wirksam. Oberhalb
dieser Frequenz, und zwar bei niedrigem Signalpegel, hebt die Induktivität 22 die Ausgangsspannung an der
Klemme 25 an, wobei die Ausgangsspannung durch den Wert
ι κ,
+ R
2J
Γ>
.'0
gegeben ist, wobei /der Strom in der Schaltung bei der Winkelgeschwindigkeit ω und L22. Λ21 und R23 die Werte
der Induktivität 22 und der Widerstände 21 und 23 sind. ?-,
Wenn eine starke Signalkomponente innerhalb des begrenzten Bandes auftritt, nimmt der Wert von L ab,
wodurch die Grenzfrequenz z. B. von /i nach /2 (F i g. 1)
verschoben wird, so daß die normale Kennlinie bis zur Frequenz ft reicht und die angehobene Kennlinie nur j0
oberhalb von h wirksam ist. Bei sehr starken hochfrequenten Signalen wird die Induktivität so weit
vermindert, daß das Ausgangssignal praktisch nur durch den Spannungsabfall am Widerstand /?2i bedingt ist.
F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Expanders, r>
der vier Impedanznetzwerke in Reihe zwischen der Eingangsklemme 24a und 246 aufweist, nämlich einen
Widerstand 20, der den Eingangswiderstand enthalten kann, ferner einen Widerstand 30, ferner als drittes
Netzwerk die Parallelschaltung einer Induktivität 22 und eines WiderstamJes 23 und als viertes Netzwerk ein
Widerstand 31. Die Ausgangsgröße wird an dem Widerstand 31 abgegriffen, der einen sehr kleinen Wert
hat, so daß die Ausgangsspannung proportional dem Strom durch die ersten beiden Netzwerke ist, ohne daß 4-,
dieser Strom nennenswert beeinflußt wird. Bei einer praktisch ausgeführten Schaltung verwendet man
zweckmäßig eine Strom-Spannungsumwandlung, indem z. B. der Strom dem Eingang eines Verstärkers mit
negativer Rückkopplung zugeführt wird oder dem Emitter eines Transistors mit geerdeter Basis, während
die Ausgangsspannung an dem Kollektor entnommen wird.
Wenn bei der Schaltung nach F i g. 4 die Induktivität
£.22 einen großen Wert annimmt, wird der Strom durch «
die Netzwerke und infolgedessen die Ausgangsspannung bei Signalfrequenzen oberhalb der Grenzfrequenz
vermindert (d. h. der dynamische Bereich wird ausgedehnt). Wenn eine Signalkomponente mit hohem Pegel
vorhanden ist nimmt der Wert von Ln ab, so daß der eo
Strom bis zu einer solchen Frequenz ansteigt, daß das Signal mit hohem Pegel nicht der Verminderung des
Pegels unterworfen wird. Oberhalb dieser Frequenz tritt die Pegelverminderung noch auf. Wenn sehr starke
Signale bei hohen Frequenzen auftreten, wird die 6* Ausgangsspannung durch die nicht variablen Impedanz-Netzwerke
bestimmt, wobei die Induktivität der veränderbaren Impedanz bei allen Frequenzwerten so
klein ist, daß keine nennenswerte Expansion des Ausgangssignal·, erzeugt wird.
F i g. 5 zeigt eine Kompressorschaltung als Beispiel,
bei der drei Netzwerke zwischen den F.ingangsklemmen 24a und 24b liegen, während die Ausgangsklemmen 25a
und 25b mit dem dritten Netzwerk verbunden sind. Das erste Netzwerk besteht aus dem Widerstand 20, der den
Eingangswiderstand enthalten kann. Das zweite Netzwerk besteht aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes
33 und einer Reihenschaltung eines veränderlichen Kondensators 32 und eines Widerstandes 35. Das
dritte Netzwerk besteht aus einem sehr kleinen Widerstand 34, der ein Ausgangssigr.al erzeugt, das
proportional dem durch dieses Netzwerk fließenden Strom ist. Wie schon oben erwähnt, können auch
kompliziertere Schaltungen zur Umwandlung des Stromes in eine Spannung benutzt werden. Der
Widerstand 35 erzeugt eine Spannung, die proportionul dem kapazitiven Strom ist. Diese Spannung wird in der
Schaltung 26 gleichgerichtet und geglättet, so daß eine Steuerspannung auf der Leitung 27 erzeugt wird, die den
Kondensator 32 steuert.
Bei sehr niedrigen Signalpegeln und hohen Frequenzen hat die Größe MvtCyi eine kleine Impedanz und der
Kondensator Cn trägt zu dem Strom, der den Widerstand 34 durchfließt, wesentlich bei, so daß das
Ausgangssignal durch ihn bestimmt wird. Wenn ein Signal mit hohem Pegel und hoher Frequenz auftritt und
die Kapazität 32 vermindert wird, nimmt der Wert MmCyt zu und der kapazitäte Strom nimmt ab. Bei sehr
hohen Signalpegeln wird der Strom durch den Widerstand 34 fast ausschließlich durch den Strom
durch den Widerstand 33 bedingt, so daß sich eine normale nicht angehobene Kennlinie ergibt.
Bei dem Expander in dem Ausführungsbeispiel der Fig.6 ist ein Widerstand 35 vorgesehen, der das erste
Netzwerk bildet und den Eingangswiderstand enthalten kann. Ausgangssignal ist die Spannung an dem zweiten
Netzwerk, welches einen Kondensator 32, einen Widerstand 33 und einen Widerstand 35 enthält. Die
Steuerschaltung spricht auf die Spannung an dem Kondensator 32 an.
Bei niedrigen Signalpegeln und hohen Frequenzen hat der Kondensator eine hohe Kapazität und bildet
eine niedrige Impedanz, wodurch das Ausgangssignal oberhalb der Grenzfrequenz, die durch das Netzwerk
gegeben ist, vermindert wird. Wenn der Pegel bei hohen Frequenzen zunimmt, wird der Wert der Kapazität
vermindert, so daß ihr Widerstand zunimmt und die Nebenschlußwirkung des Kondensators bis zu der
Frequenz beseitigt wird, bei der Signalkomponenten mit starkem Pegel vorhanden sind. Die Grenzfrequenz wird
daher nach oben verschoben und das Band, innerhalb dessen die Expanderwirkung eintritt, eingeengt
In der Einleitung der Beschreibung wurde erwähnt daß es bei Kompressoren und Expandern zur Verwendung
in Geräuschminderungsschaltungen erwünscht ist daß die Gesamtkennlinie mit Ausnahme des Obergangsbereiches
bei mittleren Pegelwerten im wesentlichen unabhängig von den veränderlichen Schaltelementen
ist die sich an den beiden Enden des dynamischen Bereiches in dem einen Extremzustand oder dem
entgegengesetzten Extremzustand befinden sollten. Um die Wirkung von Änderungen oder Ungenauigkeiten in
den Werten der veränderlichen Schaltelemente bei ihren Extremimpedanzwerten auf ein Minimum zu
bringen, können feste Impedanzen in Reihe oder parallel oder in Kombination mit den veränderbaren
Impedanzen angeordnet werden, wodurch sich die
Vermeidung von Fehlern bei den Impcdanzcxtremwcrten ergib! Die veränderbaren Impedan/.werte brauchen
daher nur in den dazwischenliegenden Abschnitten hohe Genauigkeit aufzuweisen.
Bei der Schaltung nach F i g. 3 kann eine feste Induktivität 22a parallel zu der veränderbaren Induktivität
22 vorgesehen sein. Wenn der Wert der veränderbaren Induktivität bei niedrigen Signalpegein
sehr viel größer als derjenige der festen Induktivität ist, dann steuert die feste Induktivität zusammen mit den
anderen festen Schaltelementen die Kennlinie bei niedrigen Signalpegeln mit großer Genauigkeit.
In Fig.4 kann eine ähnliche Verbesserung dadurch
herbeigefiihrl werden, daß eine feste Induktivität 22a
parallel zu der veränderbaren Induktivität 22 angeordnet wird. In ähnlicher Weise kann bei Impedanznetz
werken mit veränderbaren Kapazitäten, z. B. nach Fig.5 und 6 ein fester Kondensator 32a in Reihe mit
dem veränderbaren Kondensator 32 vorgesehen sein. Bei veränderbaren Widerständen kam ein fester
Widerstand parallel geschaltet werden. Es sei darauf hingewiesen, daß nur die Extremwerte der Impedanz,
die das dynamische Verhalten bei niedrigen Signalpegeln bestimmen, auf diese Weise beeinflußt zu werden
brauchen. Dies ist der Fall, weil bei allen Ausführungsbeispielen die veränderbare Impedanz sich in einer
Gleichspannungsgegenkopplungsschleife im Bereich hoher Signalpegel befindet und die Kennlinie bei hohem
Signalpegel stabilisiert. Bei sehr niedrigen Signalpegeln unterhalb des Steuerungsschwellwertes ist keine derar
tige Stabilisierung vorhanden und es empfiehlt sich daher die Anwendung dieser Technik zur Erzielung
genauer Ergebnisse.
Zur Verwendung in derartigen Schaltungen stehen verschiedene spannungsgesteuerte Kapazitäten und
Induktivitäten zur Verfügung einschließlich von elektromechanisch veränderbaren Vorrichtungen und komplexen Schaltungen, welche eine Kapazität oder Induktivität zwischen zwei Anschlüssen darbieten, deren Wert
durch einen spannungsgesteuerten Widerstand innerhalb der Schaltung bestimmt wird.
Fig.7 zeigt eine Ausführungsform, wie die Steuerschaltung 26 ausgebildet sein kann. Die Eingangsleitungen 38 und 39 sind die entsprechend bezeichneten
Leitungen in Fig.3 bis 6. Die Spannung an diesen Leitungen wird dem Differenzverstärker 40 zugeführt,
in einem Gleichrichter 41, der als Block bezeichnet ist, gleichgerichtet und in einer Schaltung 42 geglättet, so
daß sich ein Ausgangssignal auf der Leitung 27 ergibt.
Die Ausbildung der Glättungsschaltung 42 ist auf dem Audiogebiet anwendbar, bei dem der Kompressor oder
Expander syllabisch arbeiten muß, d. h. so daß er den dynamischen Bereich komprimiert, ohne nichtlineare
Verzerrungen in das Signal einzuführen. Die Glättungsschaltung enthält einen WC-Kreis, der von einum
Widerstand 43 und einem Kondensator 44 mit verhältnismäßig kurzer Zeitkonstante gebildet wird und
der an sich nicht ausreichend ist, um die genügende ·, syllabische Wirkung zu erzielen. Auf diesen ersten
Bestandteil der Schaltung folgt ein zweite. Desiandteil
mit einem Reihenwiderstand 45 und einem Nebenschlußkondensator
46 mit einer längeren Zeitkonstante, die eine ausreichende Glättung des Signals bewirken
in Der Widerstand 45 ist durch eine Diode 47 mit einem
nennenswerten Spannungsabfall überbrückt. Die Diode kann z. B. eine Siliciumdiode sein, so daß kein
Diodenstrom fließt, wenn nicht der Spannungsabfall an dem Widerstand 45 den Wert von etwa 0,6 Volt
r, übersteigt.
Auf diese Weise ist bei kleinen Schwankungen der Steuerspannung in dem ersten Bestandteil der Scnaltung der zweite Bestandteil in der Lage, voll zu arbeiten.
Bei einer starken Zunahme der Signalamplitude jedoch
2» wird die Diode 47 leitend und vermindert die
Zeitkonstante des zweien Bestandteils erheblich. Die Ansprechzeit der Steuerschaltung 26 ist daher kurz,
während gleichzeitig Signalverzerrungen und die Erzeugung von Modulationsprodukten auf einem
>-) Mindestwert gehalten werden.
Fig.4 zeigt eine Weiterbildung, die auch bei Kompressoren oder Expandern anwendbar ist, bei
jo denen die Spannung an der variablen Impedanz auf
einen kleinen Wert bei hohen Eingangspegeln begrenzt ist, z. B. in den Schaltungen nach F i g. 3 und 6. Die
Begrenzerdioden 50 und 51 in Reihe mit geeigneten Vorspannungsquellen 52 (die hier schematisch als
π Batterien angedeutet sind) liegen an der variablen
Impedanz 22. Die Dioden haben die Wirkung zu verhindern, daß die Spannung einen kleinen Wert
übersteigt, der durch die Vorspannung gegeben ist. selbst wenn starke Störspanni'Pgen auftreten. Ohne die Dioden würde die Zeitverzögerung der Steuerschaltung 26 eine beträchtliche Abänderung der Signale mit
hohem Pegel hervorrufen. Die Dioden 51 können auch mit einem Transformator verbunden sein, der ein
entsprechendes Windungsverhältnis aufweist, -vobei die
4> Primärwicklung zwischen den Anschlußpunkten 24 und
25 liegen kann und die Dioden im Sekundärkreis des Transformators angeordnet sind. Ein ähnliches Ergebnis
kann man durch Verwendung eines Differenzverstärkers erzielen, dessen Eingang an der variablen
το Impedanz liegt, während der Ausgang des Verstärkers
über Dioden mit der veränderbaren Impedanz verbunden ist, um die Spannung an dieser zu begrenzen. Bei
Kompressoren oder Expandern, bei denen der Strom und nicht die Spannung auf einen kleinen Wert begrenzt
ist, z. B. nach F i g. 5, kann eine entsprechende Anordnung benutzt werden, in der konstante Stromdioden verwendet sind.
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung zur Änderung des dynamischen Bereichs eines Nachrichtensignals, bei der
eine Anzahl von Impedanznetzwerken in Reihenschaltung mit den Eingangsklemmen verbunden sind
und bei der Ausgangsklemmen an einem oder mehreren der Netzwerke vorgesehen sind, von
denen mindestens eines ein frequenzselektives Netzwerk ist, das ein begrenztes Frequenzband
bestimmt, innerhalb dessen die Änderung des dynamischen Bereichs stattfindet, und das veränderbare
Schaltelemente aufweist, die auf den Pegel der innerhalb des Bandes liegenden Signalkomponenten
ansprechen, und das Ausmaß der Dynamikänderung vermindern, wenn der Pegel der Signalkomponente
zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbaren Schaltelemente (22 oder 32) das
Band einengen, wenn der Pegel der Signalkomponente inneöialb des Bandes zunimmt, und auf diese
Weise diese Signaikomponetuen von der Dynamikbereichsänderung
ausnehmen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbaren Schaltelemente
(22 oder 32) eine reaktive Impedanz aufweisen.
3. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung
(26) vorgesehen ist, die auf die Spannung an den veränderbaren Schaltelementen (22 oder 32) oder
den Strom duuh diese Schaltelemente anspricht, um ihre Impedanz zu ändern.
4. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, •''•aß die Ausgangsanschlüsse
so geschaltet sind, dab sie als Ausgangssignal die Spannung abgeben, die mindestens an dem
frequenzabhängigen Netzwerk (22, 23 oder 32, 33) auftritt.
5. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsanschlüsse
so geschaltet sind, daß sie als Ausgangssignal die Spannung abgeben, die an einem
stromführenden Netzwerk (31 oder 34) auftritt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
frequenzselektiven Netzwerke (22, 23 oder 32, 33) den Pegel des Ausgangssignals innerhalb des
begrenzten Bandes anheben, so daß die Schaltung als Kompressor arbeitet.
1. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
frequenzselektiven Netzwerke (22, 23 oder 32, 33) den Pegel des Ausgangssignals innerhalb des
begrenzten Bandes vermindern, so daß die Schaltung als Expander arbeitet.
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