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Schaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder- Expansion
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Zusatz zu P 24 06 258.6 Es ist bekannt, die Qualität der Wiedergabe
von Tonfrequenz-Darbietungen durch Vergrößern des Signal-Rausch-Abstandes durch
ein Kompression-Expansion-System (sogenanntes Kompander-System) zu verbessern. Die
Nutzsignale werden vor dem gestörten Übertragungsweg, z.B. Leitung oder Tonband,
in ihrer Amplitude komprimiert und nach der Übertragung expandiert.
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Bei den bekannten Systemen besteht die Schwierigkeit, unter anderem
die folgenden Forderungen möglichst weitgehend zu erfüllen: geringer wirtschaftlicher
Aufwand, sich entsprechende Kennlinien bei 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 Kompander-Systeme erfordern entweder bei guter Qualität einen
relativ großen Aufwand oder sie erfüllen nicht bei einem - insbesondere bei Konsumgeräten
geforderten - geringen Aufwand in ausreichendem Maße die oben genannten Forderungen.
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Diese Schwierigkeiten sind bei der Hauptpatentanmeldung P 24 06 285.6
bei einer Schaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder- Expansion in einem
Nutzsignalweg mit Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes ("Stellglied"), 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 ("Stellglied") im Nutzsignal zugeführt
wird, dadurch behoben, daß die Steuerspannung auch im Zweigweg liegenden Mitteln
zur Änderung des Übertragungsmaßes zugeführt wird und zwar im Sinne einer Gegenregelung
des übertragungsmaßes im Zweigweg.
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Beim Einsatz von Kompander-Systemen zur Verarbeitung von Signalen,
die außer einem Nutzsignal noch ein Hilfssignal wie z.B.
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den Pilotton von 19 kHz beim Stereo-Rundfunk enthalten, besteht die
Forderung, einen unerwünschten Einfluß dieses Hilfssignales auf die Arbeitsweise
des Kompander-Systems zu verhindern.
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Ein solcher Einfluß besteht bei der Kompression z.B. dann, wenn die
Amplitude des Hilfssignals einen nennenswerten Anteil der Amplitude des Eingangssignals
ausmacht. Es findet dann eine Kompression des gesamten Signals und damit auch des
Nutzsignales statt, die sich nicht mehr nur nach der Amplitude des Nutzsignales
richtet. Wird das genannte Hilfssignal nach der Kompression mit übertragen oder
aufgezeichnet, so tritt der beschriebene Einfluß des Hilfssignals auch bei der Expansion
auf. Auf diese Weise wird verhindert, daß die maximal mögliche Verbesserung des
Geräuschspannungsabstandes nicht erreicht werden kann, da auch bei fehlendem Nutzsignal
durch das gleichwohl vorhandene Hilfssignal ein zu bearbeitendes Signal vorgetäuscht
wird.
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Wird das Hilfssignal nach der Kompression nicht oder nur vermindert
übertragen oder aufgezeichnet, so unterscheiden sich die Eingangssignale vom Kompressor
und vom Expander sehr. Dies hat zur Folge, daß sich Kompressor und Expander nicht
mehr komplementär bezüglich ihrer Wirkung auf die Dynamik verhalten.
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Es können dann Fehler in der Amplitude der Nutzsignale sowie im Frequenzgang
auftreten.
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Man könnte daran denken, ein das Hilfssignal unterdrückendes Filter
so bei einem Kompander-System anzuordnen, daß es sowohl beim Kompressions-Betrieb
als auch beim Expansions-Betrieb der Kompander-Schaltung ständig vor dem Eingng
der Schaltung liegt.
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Dies würde zur Folge haben, daß bei der Kompression (z.B. Aufnahme
bei einem Tonbandgerät) zwar das Hilfssignal unterdrückt wird und keinen schädlichen
Einfluß ausüben kann, daß aber andererseits bei der Expansion des so komprimierten
Signales das Nutzsignal wieder das Filter passieren müßte. Dies bedeutet eine unnötige
Beeinflussung des Nutzsignales, weil das Filter in seiner technischen Realisierung
wegen eines nicht vermeidbaren selektiven Verhaltens im Nutzsignal-Frequenzbereich
auch eine gewisse Verfälschung der Frequenzen des Nutzsignalweges bewirkt. Diese
nachteilige Beeinflussung des Nutzsignales bei der Expansion im beschriebenen Fall
läßt sich nur dadurch vermeiden, daß das Filter bei der Expansion ausgeschaltet
ist.
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Dies würde aber einen nachteiligen Aufwand an Schaltern bedingen.
Zum anderen ist man aus Qualitätsgründen grundsätzlich bestrebt, zusätzliche Schaltpunkte,
über die das Nutzsignal geführt werden muß, zu vermeiden.
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Will man deshalb überhaupt einen Eingriff in den Nutzsignalweg vermeiden
und das Filter an eine andere Stelle des Kompanders einschalten, so ist darauf zu
achten, daß durch das Hilfssignal nicht eine Beeinflussung des Kompander-Regelkreises
(z.B. Instabilität) eintritt. Dies ließe sich dadurch erreichen, daß das Filter
bei Expansion zwar nicht in den Nutzsignalweg, dafüraber ständig vor dem die Expansion
steuernden Steuerspannungserzeuger geschaltet würde.
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Ein ständiges Verbleiben des Filters im Nebenzweig vor dem Steuerspannungserzeuger
ist allerdings auch nicht erwünscht, da dann bei Kompression das Hilfssignal im
Nutzsignalweg nicht unterdrückt werden könnte. Eine solche Unterdrückung des Hilfssignales
bei der Kompression ist z.B. erwünscht, um den Aufsprechverstärker eines Tonbandgerkes
nicht mit dem Hilfssignal zu übersteuern.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung für
ein Kompander-System zu schaffen, bei dem ein zur Unterdrückung eines Hilfssignales
erforderliches Filter bei Kompression im Nutzsignalweg und bei Expansion im Nebenzweig
lediglich vor dem Steuerspannungserzeuger liegt, ohne daß Schalter für das Filter
verwendet werden.
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Die Erfindung geht aus von dem durch die Hauptpatentanmeldung P 24
06 258.6 bekannten Kompander-System. Die genannte Aufgabe wird bei einer solchen
Schaltung für ein Kompander-System durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs
wiedergegebenen Maßnahmen gelöst.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung
dargestellt ist, näher erläutert.
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In den Figuren 1 und 2 ist ein Kompander-Sysem gemäß der Hauptpatentanmeldung
dargestellt, wobei Fig. 1 den Kompressions-Betrieb und Fig. 2 den Expansions-Betrieb
wiedergibt, beispielsweise für das Besprechen und Abhören eines Tonbandgerätes.
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Die Schaltung nach Fig. 1 dient zur Kompression eines an der Klemme
1 anliegenden NF-Signales, so daß an der Ausgangsklemme 6 ein gegenüber dem Signal
an der Klemme 1 in seinem Dynamik-Umfang verringertes Signal erscheint. Zu dem genannten
Zweck ist im Nutzsignalweg zwischen den Klemmen 2 und 5ein in seiner Verstärkung
steuerbarer Verstärker 4 angeordent. Der Verstärker 4 besitzt einen Steuereingang
8, über den zwecks Änderung des Übertragungsmaßes sine Verstärkung mittels einer
Steuergleichspannung steuerbar ist.
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Zur Gewinnung der Steuergleichspannung ist ein Zweigweg mit einem
weiteren, über einen Steuereingang 10 in seiner Verstärkung steuerbaren Verstärker
11 vorgesehen, dessen Eingang über eine Klemme 7 an den Ausgang des Verstärkers
4 angeschlossen ist. Der Ausgang des Verstärkers 11 speist einen Steuerspannungserzeuger
12, der zur Erzeugung einer von der Amplitude seiner Eingangswechselspannung abhängigen
Gleichspannung dient.
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Diese Gleichspannung wird als Steuerspannung den Steuereingängen 8
und 10 der Verstärker 4 und 11 zugeführt.
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Die beschriebene Schaltung engt den Dynamik-Umfang des Nutzsignales
ein, weil mit zunehmender Ausgangsspannung des Verstärkers 4 am Ausgang des Steuerspannungserzeugers
11 eine zunehmende Steuergleichspannung erscheint, die die Verstärkung des Verstärkers
4 herunterregelt. Außerdem wird dann auch die Verstärkung des Verstärkers 11 heruntergeregelt,
so daß im Zweigweg eine Gegenregelung stattfindet, die die Regelkennlinie der beschriebenen
Kompressions-Schaltung nahezu linearisiert. Die Steuerspannung ist also in Fig.
1 eine Regelspannung.
In Fig. 2 ist die Anwendung der Kompander-Schaltung
gemäß der Hauptpatentanmeldung bei der Expansion eines NF-Signales dargestellt.
Eine solche Schaltung dient z.B. dazu, die mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltung
komprimierten Signale so zu expandieren, daß die Ausgangssignale an der Klemme 5
wieder den Dynamik-Umfang der Eingangssignale an der Klemme 1 der Schaltung nach
Fig. 1 aufweisen.
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Die Expansions-Schaltungin Fig. 2 enthält zwischen der Eingangsklemme
13 und der Ausgangsklemme 15 einen steuerbaren Verstärker 14. Der Zweigweg, dessen
Eingang in diesem Fall statt an den Ausgang an den Eingang des Verstärkers 14 im
Nutzsignalweg angeschlossen ist, enthält den schon anhand der Fig. 1 beschriebenen
steuerbaren Verstärker 11. Der Steuereingang 8 des Verstärkers 14 sowie der Steuereingang
10 des Verstärkers 11 werden von dem Ausgang des Steuerspannungserzeugers 12 gespeist.
Der Verstärker 14 ist wegen der verlangten Expansion so aufgebaut, daß die Steigung
seiner Steuerkennlinie das umgekehrte Vorzeichen aufweist wie die Steigung der Steuerkennlinie
des Verstärkers 4, während der Verstärker 11 in Fig. 2 mit dem Verstärker 11 in
Fig. 1 übereinstimmt und wie dieser gegengeregelt wird. Wenn die Eingangsspannung
an der Klemme 13 bzw. 2 steigt und damit der Betrag der Steuergleichspannung an
den Steuereingängen 8 und 10 steigt, dann hat dies also zur Folge, daß die Verstärkung
des Verstärkers 14 vergrößert wird, während die Verstärkung des Verstärkers 11 verringert
wird. Dies kann auch dadurch bewirkt werden, daß zwischen dem Steuerspannungserzeuger
12 und dem einen der beiden ansonsten gleich aufgebauten Verstärker 11 und 14 eine
Phasenumkehrschaltung für die Steuergleichspannung liegt.
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Die in Fig. 1 und 2 gestrichelt eingezeichnete Verstärkereinrichtung
3 mit der Eingangsklemme 2, der Ausgangsklemme 5, der Eingangsklemme 9 für die Steuer
spannung sowie der Anschlußklemme 7 für den Anschluß des Einganges des Verstärkers
11 enthält also einen Verstärker 4, der dadurch für Kompressions- und Expansions-Betrieb
verwendbar ist, daß er bezüglich des Vorzeichens der Steigung sainer Steuerkennlinie
umschaltbar ist.
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Die Erfindung geht von der Verstärkereinrichtung 3 aus. In Fig.
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3 ist eine Schaltung für eine solche Verstärkereinrichtung 3 gezeigt,
die zusätzlich ein Filter 18 zur Unterdrückung z.B.
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des 19 kHz Stereo-Pilottones enthält, das entsprechend der der Erfindung
zugrunde liegenden Aufgabe so angeordnet ist, daß es bei Kompression im Nutzsignalweg
und bei Expansion lediglich im Zweigweg für die Gewinnung der Steuer spannung angeordnet
ist.
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Im folgenden wird zunächst der Aufbau und die Wirkungsweise der Verstärkereinrichtung
3 mit dem als Differenzverstärker ausgeführten Verstärker 15 beschrieben.
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Die an der Eingangsklemme 2 anliegenden Eingangssignale, also z.B.
NF-Signale in den IQmpander-Systemen nach den Figuren 1 und 2, werden dem nicht
invertierenden Eingang 16 des Differenzverstärkers 26 zugeführt, dessen Ausgang
in der eingezeichneten Stellung des Schalters 19 mit der Ausgangsklemme 5 verbunden
ist.
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Von dem Ausgang des Differenzverstärkers 26 führt ein Gegenkopplungsweg
mit einer Impedanz 20 auf einen invertierenden Eingang 17 des Differenzverstärkers
26 zurück. In der eingezeichneten
Stellung eines weiteren Schalters
25 liegt parallel zu der Impedanz 20 eine steuerbare weitere Impedanz 21, deren
Impedanzwert über einen Steuereingang 22 mittels einer Steuerspannung (Klemme 9)
steuerbar ist.
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Der invertierende Eingang 17 des Differenzverstärkers 26 ist ferner
über den Schalter 25 unreine dritte Impedanz 23 an Masse anFschlossen, so daß eine
Veränderung des Impedanzwertes 21 die Gegenkopplung und damit die Verstärkung de«Differenzverstärkers
26 beeinflußt. In der eingezeichneten Stellung der Schalter 25 und 19 bewirkt eine
Erhöhung des Impedanzwertes 21 eine Erhöhung der Verstärkung des Differenzverstärkers
26.
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Die komplexe Verstärkung VKOmpr der beschriebenen Schaltung bei Kompression
läßt sich durch die folgende Gleichung dar-
| stellen: |
| (1) VKompr | Z201l Z2 23 |
| Eingang 223 |
Dabei stellen Z20, Z21 und Z23 die Werte der Impedanzen 20,21 und 23 dar. Die Schreibweise
Z20 Z21 bedeutet die Parallelschaltung der Impedanzen 20 und 21.
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Wird die beschriebene Schaltung mittels der Schalter 25 und 19 in
den anderen Betriebszustand umgeschaltet, so stellt der Differenzverstärker 26 einen
Verstärker dar, der wegen der vom Ausgang auf den invertierenden Eingang 17 führenden
Rückkopplung über die Impedanz 20- eine Verstärkung von eins oder nahezu eins aufweist.
Dadurch erscheint am Ausgang des Differenzverstärkers 26 das gleiche Signal bezüglich
der Amplitude wie am nicht invertierenden Eingang 16. Die Schaltung wirkt mithin
so, als ob der Ausgang des Differenzverstärkers 26 und damit die Impedanz 21 elektrisch
direkt an die Eingangsklemme 2 angeschlossen wären. Auf diese Weise gelangt des
Eingangssignal der Eingangsklemme 2 U»r die Parallelschaltung aus einer
weiteren
Impedanz 24 und der Impedanz 21 an die Ausgangsklemme 5, wobei die Impedanz 24 den
eichen Wert wie die Impedanz 20 besitzt. Anders ausgedrückt: die beschriebene Schaltung
wirkt bei umgeschalteten Schaltern 25 und 19 wie ein Spannungsteiler, dessen eine
Teilimpedanz aus der Parallelschaltung der Impedanzen 24 und 21 und dessen andere
Teilimpedanz von der Impedanz 23 gebildet werden. Demnach ergibt sich für die beschriebene
Schaltung für den zweiten Betriebszustand dieser Schaltung bei Expansion eine Verstärkung
VExp nach der folgenden Gleichung:
| (2) VExp. - U5gg = Z23 |
| £Z24 Z2) + Z23 |
In dieser Gleichung (2) bezeichnet Z24 den Wert der Impedanz 24.
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Da diese Impedanz denselben Wert wie die Impedanz 20 besitzt, ergibt
ein Vergleich der beiden Gleichungen (1) und (2), daß die Verstärkung VExp einen
komplementären Verlauf zu der Verstärkung VKOmpr besitzt. Die Impedanzen 20, 23
und 24 bestehen im einfachsten Fall aus ohmschen Widerständen. Die Impedanz 21 ist
bei Kompander-Systemen in der Regel frequenzabhängig ausgebildet.
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Das erwähnte Filter 18 ist bei der beschriebenen Schaltung gemäß der
Erfindung zwischen dem Verbindungspunkt zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers
26 und der Impedanz 20 einerseits und dem Verbindungspunkt zwischen der Anschlußklemme
7 und dem einen Schaltkontakt des Schalters 19 andererseits angeordnet.
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Man erkennt, daß das Filter 18 beim Kompressions-Betrieb (Schalter
25 und 19 in der eingezeichneten Stellung) direkt in dem Nutzsignalweg von der Klemme
2 über den Differenzverstärker 26 zur Ausgangsklemme 5 liegt. Bei Expansions-Betrieb
(Schalter 25 und 19 umgeschaltet) geht der Nutzsignalweg von der Eingangsklemme
2 über die Parallelschaltung aus den Impedanzen 24 und 20
sowie
den unteren Schaltkontakt des Schalters 19 zur Ausgangsklemme 5. Das Filter 18 liegt
dann also nicht im Nutzsignalweg.
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Gleichwohl liegt das Filter 18 in dem vom Ausgang des Differenzverstärkers
26 zur Anschlußklemme 7 führenden Signalweg für die Gewinnung der Steuerspannung.
Die von dem Steuerspannungserzeuger 12 in Fig. 1 und 2 gesteuerten Regelkreise werden
somit nicht von dem durch das Filter 18 unterdrückten Hilfssignal gestört.
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Statt eines im vorliegenden Fall in Serie zum Nutzsignalweg liegenden
Tiefpasses zur Unterdrückung des höherfrequenten Hilfssignales kann selbstverständlich
auch ein einen Kurzschlußweg bildender Hochpaß verwendet werden, der bei Kompression
parallel zum Nutzsignalweg und bei Expansion parallel zum Zweigweg liegt.
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Entscheidend ist lediglich, daß das Hilfssignal bei Kompression im
Nutzsignalweg vor dem Anschluß des Steuerspannungserzeugers und bei Expansion im
Zweigweg unterdrückt wird.