DE2529012C3 - Schaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion - Google Patents

Description

55

Es ist bekannt, die Qualität der Wiedergabe von Tonfrequenzdarbietungen durch Vergrößern des Signal-Rausch-Abstandes durch ein Kompressions-Expansions-System (sogenanntes Kompander-Systcm) zu verbessern. Die Nutzsignale werden vor dem gestörten Übertragungsweg, z. B. Leitung oder Tonband, in ihrer Amplitude komprimiert und nach der Übertragung expandiert.

Bei den bekannten Systemen besieht die Schwierigkeit, unter anderem die folgenden Forderungen ⁶^ möglichst weitgehend zu erfüllen: Geringer wirtschaftlicher Aufwand; sich entsprechende Kennlinien bei der Kompression und Expansion; gute Reproduzierbarkeit der verlangten Werte bei den Geräten z. B. einer Fabrikationsserie und die Ausbaufähigkeit des System-Konzeptes bezüglich der Wahl des Expansions- und Kompressions-Grades. Die bisher bekannten Kompressions-Expansions-SySteme erfordern entweder bei guter Qualität einen relativ großen Aufwand oder sie erfüllen nicht bei einem — insbesondere bei Konsumgeräten erforderte:! — geringen Aufwand in ausreichendem Maße dl·; oben genannten Forderungen,

Der Anmeldungsgegenstand gemäß dem Hauptpatent 24 06 258.6 löst deshalb die Aufgabe, eine Schaltung für ein Kompressions-Expansions-System zu schaffen, die bei vergleichsweise geringem Aufwand ermöglicht: Eine gute Qualität bezüglich der sinngemäßen (komplementären) Übereinstimmung der Kennlinien bei Kompression und Expansion, eine geringe Temperaturabhängigkeit, eine gute Reproduzierbarkeit der verlangten Werte bei Geräten einer oder verschiedener Fabrikationsserien ohne die Arbeit des Abgleichens und einer Erweiterung des Systems zu sehr hohen Kompressions- und Expansions-Graden hin.

Der Gegenstand des Hauptpatents bezieht sich auf eine Schaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder Expansion in einem Nutzsignalweg mit Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes, bei der vom Ausgang bzw. Eingang des Nutzsignalweges ein Weg abgezweigt ist, auf dem aus dem Nutzsignalweg in einem Steuerspannunpserzeuger eine Steuerspannung gewonnen wird, die den Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes im Nutzsignalweg zugeführt wird. Die genannte Aufgabe wird bei dem Hauptpatent dadurch gelöst, daß die Steuerspannung auch im Zweigweg liegenden Mitteln zur Änderung des Übertragungsmaßes zugeführt wird und zwar im Sinne einer Gegenreglung des Übertragungsmaßes im Zweigweg.

Durch diese Gegenregelung (Patentanspruch 1 der Hauptpatentanmeldung) wird zunächst erreicht, daß die Steuerkennlinien (Abhängigkeit der Ausgangssignale Ui von den Eingangssignalen U\ vergleiche Fig. 1), für die Kompression und Expansion (nachfolgend kurz als Kennlinien bezeichnet) in logarithmischer Darstellung annähernd linear sind, wodurch ihre Reproduzierbarkeit in den Geräten z. B. einer Fabrikationsserie erleichtert wird. Die normalen Streuungen der Eigenschaften der Bauelemente haben hierauf einen wesentlichen Einfluß.

Die mit der beschriebenen Schaltung erzielbaren Kennlinien weisen entsprechend der Fig. 1 einen ersten, linearen Teil 1 mit einer einer linearen Dynamik entsprechenden Steigung bei geringen Eingangspegeln auf sowie einen zweiten, ebenfalls linearen Teil 2 mit einer gegenüber dem ersten Kennlinienteil 1 verringer ten und einer Dynamik-Kompression entsprechenden Steigung. Beim Erreichen eines bestimmten Pegelwer tes. z. B. beim Erreichen des sogenannten Nenn- oder Bezugspegels bei Tonstudio-Anlagen geht die Kennlinie in einen dritten linearen Teil 3 über, der wieder einem linearen Dynamikverlauf entspricht.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mil dem Kurvenverlauf an der Knickstelle 4 zwischen den Kennlinienteilen 2 und 3. Es hat sich nämlich gezeigt, daß der exakte Knick 4 (z. B. bei Nennpegel) zwar leicht und gut auch bei unterschiedlichen Fertigüngsserien reproduzierbar ist, daß aber — abrupt mit dem Knickpunkt beginnend — oberhalb dieses Punktes 4 keine Dynamikkompression bzw, -Expansion mehr stattfindet. Dies kann z. B, dazu führen, daß auch noch bei der Verwendung einer frequenzabhärlgigen Gegen*

kopplung bei den im Nutzsignalweg und im Zweigweg liegenden Mitteln zur Änderung des Übertragungsmaßes eine Modulation von unverdecktem Rauschen im Rhythmus von niederfrequenten Nutztönen eintritt.

Dieser Effekt wäre unterdrückt, wenn die Kennlinie bei der erwähnten Unstetigkeitsstelle 2 stetig bezüglich des D'ifferentialquotienten, also gekrümmt verlaufen würde. Da aber die allgemeine Aufgabe besteht, eine reproduzierbare Kennlinie zu erzeugen und da der erwähnte Kennlinienknick gerade zur Vermeidung einer beliebig und unkontrollierbar gekrümmten Kennlinie vorgesehen ist, liegt der Erfindung die spezielle Aufgabe zugrunde, den erwähnten Kennlinienknick durch einen stetigen, leicht reproduzierbaren Kennlinienverlauf zu ersetzen.

Die Erfindung bezieht sich auf die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannte Schaltung. Die gestellte Aufgabe wird dabei durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 wiedergegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß bei Nutzsignalen relativ tiefer Frequenz auch dann noch eine K' mpression bzw. Expansion von Signalkomponenten höherer Frequenz beibehalten wird, wenn der Signalpegel einem Wert oberhalb des Knickpunktes 4 entspricht Dadurch ist eine Rauschunterdrückung auch in diesen Fällen gewährleistet.

Die Erfindung wird anhand von mehreren Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Kennlinien-Diagramm für die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung und

F i g. 2 bis F i g. 5 je ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schaltung.

In Fig. 2 ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung bei der Kompression von Wechselspannungssignalen als Blockschaltbild dargestellt. Eine solche Schaltung kann z. B. beim Bespielen eines Tonbandgerätes verwendet werden.

Es ist beab ichtigt, die an der Eingangsklemme 7 anliegenden Eingangssignale U\ mit einem bestimmten Dynamik-Umfang in Signalen Lk umzuwandeln, die an der Ausgangsklemme 10 abgreifbar sind und einen kleineren Dynamikumfang aufweisen. Zu dem beschriebenen Zweck ist im Nutzsignalweg zwischen den Klemmen 7 und 50 ein in seiner Verstärkung steuerbarer Verstärker 8 angeordnet. Der Verstärker 8 besitzt einen Steuereingang 9, über den zwecks Änderung des Übertragungsmaßes seine Verstärkung mittels einer Steuergleichspünnung steuerbar ist

Zur Gewinnung der Steuergleichspannung ist ein Zweigweg mi*, einem weiteren Verstärker 11 vorgesehen, dessen Eingang an den Ausgang des Verstärkers 8 angeschlossen ist. Der Ausgang des Verstärkers 10 speist über eine Vereinigungsschaltung 14 einen Steuerspannungserzeuger 13. der zur Erzeugung einer von der Amplitude der Eingangswechselspannung abhängigen Gleichspannung an seinem Ausgang dient. Diese Gleichspannung wird als Steuerspannung den Steuereingängen 9 und 12 der Verstärker 8 und 11 zugeführt. Über den Steuereingang 12 ist der Verstärker 11 ebenso wie der Verstärker 8 über den Steuereingang 9 in seiner Verstärkung beeinflußbar.

Die beschriebene Schaltung engt den Dynamikumfang des Nutzsi^nals ein, weil mit zunehmender Ausgangsspannung des Verstärkers 8 am Ausgang des Steuerspannüngsefzeugers 13 eine Steuergleichspannung erscheint, die die Verstärkung des Verstärkers 8 herunterregelt. Außerdem wird dann auch die Verstärkung des Verstärkers 11 heruntergeregelt, so daß im Zweigweg eine Gegenreglung stattfindet, die die logarithmisch dargestellte Regelkennlinie der Kompressionsschaltung nahezu linearisiert. Die Steuerspannung ist also in F i g. 2 eine Regelspannung. Anhand der F i g. 1 wird diese Wirkung erläutert, wobei die Vereinigungsschaltung 14 zunächst außer Betracht gelassen wird.

In Fig. 1 ist ein Pegeldiagramm in üblicher Darstellung wiedergegeben. Da oberhalb des Nennpegels von 0 dB keine Kompression stattfindet, werden im folgenden nur die Nutzsignale U\ zwischen —75 dB (angenommene Schwelle des Rauschens der Quelle) und dem beispielsweise bei OdB liegenden Nennpegel betrachteL Der absolute Wert der Eingangsspannung steigt auf der Abszisse von links nach rechts bis zum Nennpegel an. Die Ausgangspegel Lk bei Kompression liegen im hier dargestellten Fall zwischen —45 dB und OdB. Der absolute Wert der Ausganp^pannung steigt auf der Ordinate von unten nach oben bis zum Nennpegel an. Bei exakter Expansion liegen die Ausgangssignale wieder zwischen den genannten Werten von-75 dB und OdB.

Die Kurve 1, 2, 3 für die Abhängigkeit des Ausgangspegels U₂ von U\ stellt die Kennlinie der Kompressionsschaltung nach F i g. 2 dar. Zwischen — 75 dB und 6OdB für U\ liegt eine konstante Verstärkung von 3OdB vor (Neigung des Kennlinienteils 1 von 45°), so daß bei gleich angenommener Maximal-Verstärkung der Verstärker 8 und 11 in F i g. 2 am Ausgang des Verstärkers 11 eine Verstärkung von 60 dB gegenüber der Eingangsspannung an der Eingangsklemme 7 vorliegt. Erst bei einem Eingangspegel U\ von —60 dB (am Knien der Kennlinie 1, 2), dem wegen der Verstärkung von 60 dB ein Pegel von 0 dB am Ausgang des Verstärkers 11 entspricht, setzt im dargestellten Beispiel die Regelwirkung (Kompression)

■to ein, weil dort die Schwelle des Steuerspannungserzeugers (13) in Fig.2) überschritten wird. Von dem Wert lh = -6OdB an nimmt die Verstärkung laufend ab und hat bei einem Eingangspegel von OdB den Wert OdB, also die Verstärkung 1. Oberhalb des Knickes 4 verläuft die Kurve 2,3 mit dem Verstärkungswert 1 weiter. Man erkennt, daß der Dynumik-Umfang von —75 dB bis OdB der Eingangssignale U\ auf einen Umfang von —45 dB bis OdB der Ausgangssignale U] verringert wird. Entsprechend der Kompression verläuft im beschriebenen Fall auch die Expansion.

Zur Vermeidung des Knickes 4 der Kennlinie 2, 3 in Fig. I ist die Schaltung nach Fig. 2 zusätzlich zu den beschriebenen Schaltungsgruppen mit einer Vereinigungsschaltung 14 versehen, die zwei Eingänge 15 und 16 besitzt sowie einen Ausgang, der mit dem Eingang des Regelspannungserzeugers 13 verbunden irt.

Die Vereinigungsschaltung 14 ist so aufgebaut, daß an ihrem Ausgang ein Signal erscheint, das gleich der Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen ist, wobei der Signalv jrt am Eingang 16 von dem Signalwert am Eingang 15 abgezogen wird. In der dargestellten Schaltung wird dem Eingang 16 der Vereinigungsschaltung 14 die gesamte Ein£jangsspannung Ui des von der Eingangsklemme 7 über den Verstärker 8 zur Ausgarigskleriime 10 führenden Nutzsignalweges zugeiü.hrt. Ec ist jedoch auch möglich, zwischen dem Nutzsignalweg und dem Eingang 16 der Vereinigungsschaltung 14 z, B. ein Däaip&ingsgjied oder

ein Verstärkungsglied einzuschalten, um nur einen geringen oder gar verstärkten Anteil der Nutzsignale in der Vereinigungsschaltung 14 zu verarbeiten.

Die beschriebene Zuschaltung der Vereinigungsschaltung 14 hat die Wirkung, daß sich für die dargestellte Schaltung eine Kennlinie gemäß der Kennlinie 6 in F i g. 1 ergibt. Anstelle des Kennlinienknickes 4 weist die Kennlinie 6 am Punkt 5 bei einem Eingangspegel von 0 dB für U\ einen bestimmten Wert (von z. B. 3 dB) auf. Unterhalb und oberhalb des Punktes 5 schmiegt sich die Kennlinie 6 asymptotisch an die Kennlinienteile 2 und 3 an. Die in Fi g. 1 wiedergegebenen Kurven zeigen zwar nur die prinzipielle Wirkungsweise der Vereinigungsschaltung 14; man erkennt aber, daß die Kennlinie 6 im Bereich des Nennpegels um 0 dB bezüglich ihres Differentialquotienten stetig verläuft. Da der Schnittpunkt 5 der Kennlinie 6 mit der Ordinate exakt und ohne Abgleich auch bei Schaltungen aus unterschiedlichen Fertiglingsserien reproduzierbar ist, erfüllt die beschriebene Schaltung mit der Kennlinie 6 die eingangs genannten Forderungen.

In Fig. 3 ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung bei der Expansion von Wechselspannungssignalen dargestellt. Eine solche Schaltung dient z. B. dazu, die mit der in Fi g. 2 dargestellten Schaltung von U\ auf Ui komprimierten Signale so zu expandieren, daß die Ausgangssignale Ui wieder den Dynamikumfang der Eingangssignale U\ der Schaltung nach Fig.2 aufweisen.

Die Expansionsschaltung nach Fig. 2 enthält zwischen der Eingangsklemme 18 und der Ausgangsklemme 20 einen steuerbaren Verstärker 19. Der Zweigweg, dessen Eingang in diesem Fall statt an den Ausgang an den Eingang des Verstärkers 19 im Nutzsignalweg angeschlossen ist, enthält den schon anhand der Fig. 2 beschriebenen steuerbaren Verstärker 11. Der Steuereingang 21 des Verstärkers 19 sowie der Steuereingang 12 des Verstärkers U werden von dem Ausgang des Steuerspannungserzeugers 13 gespeist. Der Verstärker 19 ist wegen der verlangten Expansion so aufgebaut, daß die Steigung seiner Kennlinie das umgekehrte Vorzeichen aufweist wie die Steigung der Steuerkennli-

Mic ucs Vcisiäikcis S aus F i g. 2. während uei

Verstärker 11 in F i g. 3 mit dem Verstärker 11 in F i g. 2 übereinstimmt und wie dieser gegengeregelt wird. Wenn die Eingangsspannung U₂ steigt und damit der Betrag der Steuergleichspannung an den Steuereingängen 21 und 12 steigt, dann hat dies also zur Folge, daß die Verstärkung des Verstärkers 19 vergrößert wird, während die Verstärkung des Verstärkers 11 verringert wird. Dies kann auch dadurch bewirkt werden, daß zwischen dem Steuerspannungserzeuger 13 und dem einen der beiden ansonsten gleich aufgebauten Verstärker 11 und 19 eine Phasenumkehrschaltung für die 'Steuergleichspannung liegt- Gleich aufgebaute Verstärker können auch dann verwendet werden, wenn die Verstärker jeweils durch einen Gegenkopplungs-Spannungsteiler bestimmt wird. Die für beide Verstärker gleiche Steuergleichspannung steuert dann in bekannter Weise (DE-OS 22 18 823) bei Kompression deii einen Spannungsteilerwiderstand und bei Expansion den anderen Spannungsteilerwiderstand.

Wie bei der Schaltung nach Fig.2 ist bei der beschriebenen Schaltung nach Fig.3 zwischen dem Ausgang des Verstärkers 11 und dem Eingang des Regelsparinungserzeugers 13 eine Vereinigungsschaltung 14 eingefügt, die der Vereinigungsschaltung 14 in Fig.2 entspricht Und genauso aufgebaut ist. Da es sich bei der Schaltung nach Fig.3 jedoch um eine Expansionsschaltung handelt, ist der Eingang 16 der Vereinigungsschaltung 14 nicht an den Eingang des Verstärkers 19 sondern an dessen Ausgang angeschlossen.

!5 Die Wirkung der Zuschaltung der Vcrcinigungsschaltung 14 bei der Expansionsschaltung nach F i g. 3 ist entsprechend komplementär zu der Wirkung der Kompressionsschaltung nach Fig.2. Es ergibt sich somit für die Expansionsschaltung die in F i g. I gestrichelt eingezeichnete Kennlinie 6' mit dem dem Punkt 5 entsprechenden Punkt 5' als Schnittpunkt mit der Ordinate für einen Eingangspegel Ui von 0 d B.

In Fig.4 ist eine Kompressionsschaltung dargestellt, die sich von der Kompressionsschaltung nach F i g. 2

lediglich dadurch unterscheidet, daß der Eingang 16 der Vereinigungsschaltung 14 statt an den Eingang des Verstärkers 8 an dessen Ausgang angeschlossen ist. Diese Schaltung arbeilet ähnlich wie die Schaltung nach F i g. 2. Als Kennlinie ergibt sich ein Kurvenverlauf, der ebenfalls asymptotisch zu den Kennlinienteilen 2 und 3 verläuft. Es stellt sich lediglich ein etwas größerer Wert für den Schnittpunkt 5 mit der Ordinate (Eingangspegel OdB) ein. Auch bei dieser Schaltung ist es möglich, zwischen dem Nutzsignalweg und dem Eingang 16 z. B.

ein Dämpfungsglied oder ein Verstärkungsglied einzuschalten.

Für die Expansion der mit der Schaltung nach F i g. 2 erzeugten Ausgangssignale /'- ist die in F i g. 5 wiedergegebene Schaltung vorgesehen, die in ihrer Wirkung der Schaltung nach F i g. 3 entspricht.

Wenn bei den bisher beschriebenen Schaltungen jeweils nicht die gesamte am Nutzsignalweg abgegriffene OpÜftriÜilg UClVl 1_,ΐΓΐ£αΐ*1{£ IO UCI TCI CtIlIgUlIgSSt-UcIl- tung 14 zugeführt wird, sondern ein geringerer Spannungsteil, dann ergeben sich als Kennlinien Kurven, die im unteren Kennlinienteil zwar asymptotisch bzw. parallel zu dem Kennlinienteil 2 verlaufen, die jedoch oberhalb des Nennpegels von OdB in den Kennlinienteil 3 mit einem Knick einmünden. Diese so Kennlinien sind gegenüber dem Kurvenverlauf der Kennlinie 2, 3 nicht ganz so vorteilhaft w^;% der tatsächlich stetige Verlauf entsprechend der Kurve 6, sie ergeben aber immerhin noch eine Verbesserung gegenüber der Kennlinie mit dem Knick 4. Für den Fall, daß eine gegenüber dem Nutzsighal verstärkte Spannung dem Eingang 16 der Vereinigungsschaltung 14 zugeführt wird, ergeben sich Kurvenverläufe, die sich oberhalb des Nennpegels weniger dicht an den Kennlinienteil anschmiegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche·.

1. Schaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion in einem Nutzsignalweg mit Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes, bei der vom Ausgang bzw. Eingang des Nutzsignalweges ein Weg abgezweigt ist, auf dem aus dem Nutzsignal in einem Steuerspannungserzeuger eine Steuerspannung gewonnen wird, die den Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes im Nutzsignalweg zugeführt wird, und bei der die Steuerspannung auch im Zweigweg liegenden Mitteln zur Änderung des Übertragungsmaßes zugeführt wird und zwar im Sinne einer Gegenregelung des Übertragungsmaßes im Zweigweg, nach Patent 24 06 258, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Eingang des Steuerspannungserzeugers (13) zugeführte Signal einer Vereinigungsschaltung (14) entnommen ist, der einerseits das Ausgangssignal der im Zweigweg liegenden Mittel (11) zur Änderung des Übertragungsmaßes und andererseits ein von dem Nutzsignalweg abgezweigten Zusatzsignal zugeführt ist und daß am Ausgang der Vereinigungsschaltung (14) eine von der Differenz zwischen dem Ausgangssignal der im Zweigweg liegenders Mittel (11) zur Änderung des Übertragungsmaßes einerseits und dem Zusatzsignal andererseits abhängiges Signal abgreifbar ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vereinigungsschaltung (14) so aufgebaut ist, daß in ihr die Differenz zwischen dem Ausgangssigna¹ der im Zweigweg liegenden Mittel (11) zur Änderung des Übertragungsmaßes einerseits und dem Zusatzsignal at.Jererseits gebildet wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1, jadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzsignal bei Kompression am Eingang (7) und bei Expansion am Ausgang (20) der Schaltung abgegriffen wird.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzsignal bei Kompression am Ausgang (10) und bei Expansion am Eingang (18) der Schaltung abgegriffen wird.

5. Schaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Änderung des *5 Übertragungsmaßes im Nutzweg und im Zweigweg bezüglich ihrer Verstärkungs-Steuerkennlinie bei Kompression in gleicher Weise und bei Expansion komplementär zueinander aufgebaut sind und daß das Zusatzsignal den gleichen Wert wie das Nutzsignal an der Entnahmestelle aufweist.