DE2803751C2

DE2803751C2 - Schaltung zur automatischen Dynamik- Kompression oder -Expansion

Info

Publication number: DE2803751C2
Application number: DE19782803751
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. 3000 Hannover Schröder
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson oHG
Priority date: 1978-01-28
Filing date: 1978-01-28
Publication date: 1982-06-09
Also published as: DE2803751A1; WO1979000560A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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

Bei den bekannten Systemen besteht die Schwierigkeit, unter anderem die folgenden Forderungen 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 Komprcssions-Gndes. Die bisher bekannten Kompressions-Fxpansions-Systeme erfordern entweder bei guter Qualität einen relativ großen Aufwand oder sie erfüllen nicht bei einem — insbesondere bei Konsumgeräten erforderten — geringen Aufwand in ausreichendem Maße die obengenannten Forderungen.

Der Gegenstand des Hauptpatentes 24 06 258 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 Fabrikationsscrien 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

m eine Schaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder Expansion in einem Nutzsigralweg mit Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes, bei der vom Ausgang bzw. Eingang des Nutzsignalweges ein Weg abgezweigt ist, auf dem aus dem Nutzsignal in

'5 einem Steuerspannungserzeuger eine Steuerspannung gewonnen wird, die den Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes im Nutzsignalweg zugeführt wird. Die genannte Aufgabe wird gemäß des Hauptpatents dadurch gelöst, daß die Steuerspannung auch im

M Zweigweg liegenden Mitteln zur Änderung des ÜbertragungsmaBes zugeführt wird, und zwar im Sinne einer Gegenregelung des Übertragungsmaßes im Zweigweg.

Durch diese Gegenregelung wird zunächst erreicht, daß die Steuerkennlinien (Abhängigkeit der Ausgangssignale U₁ von den Eingangssignalen U\, vergleiche Fig. 1) für die Kompression und Expansion (nachfolgend kurz ais 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 keinen 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 verringcr-

w ten und einer Dynamik-Kompression entsprechenden Steigung. Beim Erreichen eines bestimmten Pegelwertes, z. B. beim Erreichen des sogenannten Nenn- und Bezugspegels bei Tonstudio-Anlagen geht die Kennlinie in einen dritten linearen Teil 3 über, der wieder einem linearen Dynamikverlauf entspricht.

Die DE-OS 25 59 012 beschäftigt sich bereits mit dem Kurvenverlauf an der Knickstelle 4 zwischen den Kennlinientcilen 2 und 3. Es hat sich niimlich gezeigt, daß der exakte Knick 4 (z. B. bei Nennpegel) zwar leicht

"><> und gut auch bei unterschiedlichen Fertigungsserien reproduzierbar ist, daß aber — abrupt mit dem Knickpunkt beginnend — oberhalb dieses Punktes 4 keine Dynamik-Kompression bzw. -Expansion mehr stattfindet. Dies kann z. B. dazu führen, daß auch noch

''"' bei der Verwendung einer frequenzabhängigen Gegenkopplung bei den im Nutzsignalweg und im Zweigweg liegenden Mitteln zur Änderung des Übertragungsmaßes eine Modulation von unverdecktem Rauschen im Rhythmus von niederfrequenten Nutztönen eintritt.

hf Dieser Effekt wäre unterdrückt, wenn die Kennlinie bei der erwähnten Unstetigkeitsstelle 2 stetig bezüglich des Differentialquotienten, also gekrümmt, verlaufen würde. Die Schaltung gemäß der DEOS 25 29 012 ermöglicht es, den erwähnten Kennlinienknick durch

b"> einen stetigen, leicht reproduzierbaren Kennlinienverlauf zu ersetzen.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit den Schaltungsmerkmalen, durch die ein gekrümmter

Kennlinienverlauf erzielt wird. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die durch die DE-OS 25 59 012 bekannte Schaltung dahingehend zu vereinfachen, daß die Vereinigungsschallupg entfallen kann. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch

I wiedergegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformer, der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

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

F i g. 2 und F i g. 3 je ein Ausführungsbeispiel für die bekannte Schaltung und

Fig.4 und 5 je ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schaltung.

In Fig. 2 ist eine bekannte Schaltung (DE-OS 25 59 012) zur Kompression von Wechselspannungssignalen als Blockschaltbild dargestellt. Eine solche Schaltung kann z. B. beim Bespielen eines Tonbandgerätes verwendet werden.

Es ist beabsichtig!, die an der Eingangsklemme 7 anliegenden Eingangssignale U\ mit einem bestimmten Dynamikumfang in Signale (Λ 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 10 ein in seiner Verstärkung steuerbarer Verstärker

8 angeordnet. Der Verstärker 8 besitzt einen Steueremgang 9, über den zwecks Änderung des Übertragungsmaßes seine Verstärkung mittels einer Steuergleichspannung steuerbar ist.

Zur Gewinnung der Steuergleichspannung ist ein Zweigweg mit einem weiteren Verstärker 11 vorgesehen, dessen Eingang an den Ausgang des Verstärkers 8 angeschlossen ist. Der Ausgang des Verstärkers 11 speist über eine Vcreinigungsschaltung 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 Steiiereingang 12 ist der Verstärker

I1 ebenso wie der Verstärker 8 über den Steuereingang

9 in seiner Verstärkung beeinflußbar.

Die beschriebene Schaltung engt den Dynamikunifang des Nutzsignals ein, weil mit zunenmender Ausgangsspannung des Verstärkers 8 am Ausgang des Steuerspannungserzeugers 13 eine Steuergleichspannung erscheint, die die Verstärkung des Verstärkers 8 hcrunterregelt. Außerdem wird dann auch die Verstärkung des Verstärkers 11 heruntergeregelt, so daß im Zweigweg eine Gegenregelung stattfindet, die die logarithmisch dargestellte Regelkennünie 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 Nennpegeis von 0 dB keine Kompression stattfindet, werden im folgenden nur die Nutzsignale LA zwischen -75 dB (angenommene Schwelle des Rauschens der Quelle) und dem beispielsweise bei OdB liegenden Nennpegel betrachtet. Der absolute Wert der Eingangsspannung steigt auf der Abszisse von links nach rechts bis zum Nennpegel an. Die Ausgangspegel LA bei Kompression liegen im hier dargestellten Fall zwischen —45 dB und 0 dB. Der absolute Wert der Ausgangsspannung 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 0 dB.

Die Kurve 1, 2, 3 für die Abhängigkeit des

u) Ausgangspegels LA von LA stellt die Kennlinie der Kompressionsschaltung nach F i g. 2 dar. Zwischen — 75 dB und 6OdB für LA liegt eine konstante Verstärkung von 3OdB vor (Neigung des Kennlinienteils 1 von 45°). so daß bei gleich angenommener

) 5 Maximal-Verstärkung der Verstärker 8 und 11 in F i g. 2 am Ausgang des Verstärkers 11 eine Verstärkung von 6OdB gegenüber der Eingangsspannung an der Eingangsklemme 7 vorliegt. Erst bei einem Eingangspegel U] von —60 dB (am Knick der Kennlinie 1, 2), dem wegen dei Verstärkung von 6OdB ein Pegel von OdB am Ausgang des Verstärkers 11 entspricht, set/.t im dargestellten Beispiel die Regelwirkung (Kompression) ein, weil dort die Schwelle des Steuerspannungserzeugers (13 in F i g. 2) überschritten wird. Von dem Wert LA = — 60 dB nimmt die Verstärkung laufend ab und hat bei einem Eingangspegel von OdB den Wert OdB, also die Verstärkung 1. Oberhalb des Knicks 4 verläuft die Kurve 2, 3 mit dem Verstärkungswert 1 weiter. Man erkennt, daß der Dynamikumfang von - 75 dB bis 0 dB

vi der Eingangssignale L'i auf einen Umfang von —45 dB bis OdB der Ausgangssignale LA verringert wird. Entsprechend der Kompression verläuft im beschriebenen Fall auch die Expansion.

Zur Vermeidung des Knicks 4 der Kennlinie 2, 3 in

J-j Fig. I ist die Schaltung nach F i g. 2 zusätzlich zu den beschriebenen Schaltungsgruppen mit einer Vereinigungsschaltung '4 versehen, die zwei Eingänge 15 und 16 besitzt sowie einen Ausgang, der mit dem Eingang des Regelsparnungserzeugers 13 verbunden ist.

Die Vereinigungsschaltung 14 ist so aufgebaut, daß an ihrem Ausgang ein Signal erscheint, das gleich der Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen ist. wobei der Signalwert am Eingang 16 von dem Signalwert am Eingang 15 abgezogen wird. In der

■>·"· dargestellten Schaltung wird dem Eingang 16 der Vereinigungsschaltung 14 die Ausgangsspannung LA des von der Eingangsklemme 7 über den Verstärker 8 zur Ausgangsklemme 10 führenden Nutzsignalwcgcs zugeführt.

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 Kennlinienknicks 4 weist die Kennlinie 6 am Punkt 5 bei einem Eingangspcgel von

« OdB für LA einen bestimmten Wert auf. Unterhalb und oberhalb des Punktes 5 schmiegt sich die Kennlinie 6 asymptotisch an die Kennlinienteile 2 und 3 an. Die in Fig. 1 wiedergegebenen Kurven zeigen zwar nur die prinzipielle Wirkungsweise der Vereinigungsschaltung

M) 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 Fertigungs-

hi serien reproduzierbar ist, erfüllt die beschriebene dem Eingang des ersten Verstärkers und der andere Eingang des Differenzverstärkers mit dem Ausgang des ersten Verstärkers verbunden ist, um den von dem

Differenzverstärker gebildeten Betrag von dem Übertragungsmaß des ersten Verstärkers unterscheidet. Dieser Differenzbeirag des Übcrtragungsniaßes ist nur abhängig von der Beschallung des Differenzversiärkcrs. Er bleibt also konstant, wenn das Übertragungsmaß des ί ersten Verstärkers variiert wird. Von Bedeutung ist der Spczialfall. bei dem der Differenzverstärker in der oben beschriebenen Schaltung so beschältet ist, daß die von ihm gebildete Differenz den Betrag 1 hat. Die gleiche Differenz im Betrag des Überiragungsmaßes besteht auch zwischen der invertierenden und der nichtinverlierenden Beschallung eines Differenzverstärkers, wenn die gleichen Schaltelemente verwendet werden. Daraus folgt, daß die Anordnung aus dem ersten Verstärker und dem Differenzverstärker durch eine Anordnung mit ^|r einem einzigen Verstärker eisel/.i werden kann, wenn von den beiden Alternativen — invertierender Verstärker — nichtinvertierender Verstärker — der zweite Verstärker in der anderen Alternative beschaltet ist wie der erste Verstärker. Die Polarität des Ausgangssignals -'« bleibt bei den obigen Überlegungen unberücksichtigt, da es sich bei den in Frage kommenden Signalen um Wechselspannung handelt.

Eine derartige Anordnung ist für den Fall der Kompression in der F i g. 4 und für den Fall der -"> Expansion in der F i g. 5 dargestellt.

Die Kompressionsschaltung enthält zwischen der Eingangsklemme 7 und der Ausgangsklemme 10 einen in seiner Verstärkung steuerbaren, vorzugsweise als nichtinvertierender Verstärker ausgebildeten Verstär- J" ker 8. Der Verstärker 8 besitzt einen Steuereingang 9. über den zwecks Änderung des Übertragungsmaßes seine Verstärkung mittels einer Steuerspannung steuerbar ist. Zur Gewinnung der Steuerspannung ist ein Zweigweg mit einem weiteren Verstärker 11 vorgesehen, dessen Eingang an den Ausgang des Verstärkers 8 angeschlossen ist. In dem Fall, daß der im Nutzsignalwcg liegende Verstärker 8 als nichtinvertierender Verstärker beschaltet ist, ist der im Zweigweg angeordnete Verstärker 11 als invertierender Verstär- ίο ker beschältet. Der Ausgang des Verstärkers 11 speist 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 zur Beschattung der beiden Verstärker dienenden Impedanzen sind gleich. Dadurch wird erreicht, daß bei jeder möglichen Sieuers^nnur.⁰ an den Sleuerein^an^n 9 und 12 der Verstärker 8 jeweils eine um den Betrag 1 größere Verstärkung aufweist als der Verstärker 11.

Die Expansionsschaltung gemäß der F i g. 5 enthält im Signalweg einen als nichtinvertierender Verstärker beschalteten Verstärker 19. Der Verstärker 19 besitzt einen Steuereingang 21, über den zwecks Änderung des Übertragungsmaßes seine Verstärkung mittels einer Steuergleichspannung steuerbar ist. Zur Gewinnung der Steuergleichspannung ist ein Zweigweg mit einem weiteren Verstärker 11 vorgesehen, dessen Eingang an den Eingang des im Nutzsignalweg angeordneten Verstärkers 19 angeschlossen ist Bei einer angenommenen Beschaltung des im Nutzsignalweg angeordneten Schaltung mit der Kennlinie 6 die eingangs genannten Forderungen.

In F i g. 3 ist die Anwendung der erfindungsgemäßen

Schaltung bei der Expansion von Wcchselspannungssignalen dargestellt, Eine solche Schaltung dient z. B. da'.u, die mit der hin I" i g. 2 dargestellten Schaltung von IJ] auf i/> komprimierten Signale so zu expandieren, daß die Ausgangssignale lh wieder den Dynamikumfang der Eingangssignal Ll\ der Schaltung nach Fig. 2 aufweisen.

Die Expansionsschaltung nach F i g. 3 enthält zwischen der Eingangsklcmme 18 und der Ausgangsklemme 20 einen steuerbaren Verstarker 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 F i g. 2 beschriebenen steuerbaren Verstärker 11. Der Steuereingang 21 des Verstärkers 19 sowie der Steuereingang 12 des Verstärkers 1! 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 Steuerkennlinie des Verstärkers 8 aus F i g. 2, während der 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 Ui 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 Sieuerspannungserzeuger 13 und dem einen der beiden ansonsten gleich aufgebauten Verstärker 11 und 19 eine Phasenumkehrschallung für die Steuergleichspannung liegt. Gleich aufgebaute Verstärker können auch dann verwendet werden, wenn die Verstärkung 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 den einen Spannungsteilerwiderstand und bei Expansion den anderen Spannungsteilerwiderstand.

Wie bei der Schaltung nach F i g. 2 ist bei der beschriebenen Schaltung nach F i g. 3 zwischen dem Ausgang des Verstärkers 11 und dem Eingang des Regelspannungserzeugers 13 eine Vereinigungsschaltung 14 eingefügt, die der Vereinigungsschaltung 14 in F i g. 2 entspricht und genau so aufgebaut ist. Da es sich bei der Schaltung nach F i g. 3 jedoch um eine Expansionsschaltung handelt, ist der Eingang 16 der Vereinigungsschaltung 14 an den Eingang des Verstärkers 19 angeschlossen.

Die Wirkung der Zuschaltung der Vereinigungsschaltung 14 bei der Expansionsschaltung nach F i g. 3 ist entsprechend komplementär zu der Wirkung der Kompressionsschaltung nach F i g. 2. Es ergibt sich somit für die Expansionsschaltung die in F i g. 1 gestrichelt eingezeichnete Kennlinie 6' mit dem dem Punkt 5 entsprechenden Punkt 5' als Schnittpunkt mit der Ordinate für einen Eingangspegel Lh von 0 dB.

Die Erfindung ermöglicht es, die oben beschriebene bekannte Schaltung dahingehend zu vereinfachen, daß die Vereinigungsschaltung entfallen kann. Grundlage der dahin_führenden Überlegungen ist die Tatsache, daß sich das Übertragungsmaß einer Anordnung aus einem ersten Verstärker und einem Differenzverstärker, wobei der eine Eingang des Differenzverstärkers mit Verstärkers 19 als nichtinvertierender Verstärker ist der im Zweigweg angeordnete Verstärker 11 als invertierender Verstärker beschaltet Der Ausgang des

Verstärkers 11 speist 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 21 und 12 der Verstärker 19 und 11 zugeführt. Über den Steuereingang 12 ist der Verstärker 11 ebenso wie der Verstärker 19 über den Steuereingang 21 in seiner Verstärkung beeinflußbar.

Der Verstärker 19 ist wegen der verlangten Expansion so aufgebaut, daß die Steigung seiner Kennlinie das umgekehrte Vorzeichen aufweist wie die Steigung der Kennlinie des Verstärkers 8 aus Fig.4, während der Verstärker 11 in Fig.5 mit dem Verstärker 11 in Fig.4 übereinstimmt und wie dieser gegengeregelt wird. Es sind aber auch die bei der bekannten Schaltung erwähnten Schaltungsvarianten möglich.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Schaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion mit einem Nutzsignalweg, mit Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes und mit einem an den Nutzsignalweg angeschlossenen Zweigweg, auf dem aus dem Nutzsignal in einem Steuerspannungseizeuger eine Steuerspannung gewonnen wird, die einerseits den Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes im Nutzsignalweg und andererseits auch im Zweigweg liegenden Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes zugeführt wird, und zwar im Sinne einer Gegenregelung des Übertragungsmaßes im Zweigweg, nach Patent 24 06 258, dadurch gekennzeichnet, daß die das Übertragungsmaß im Nutzsignalweg u,id im Zweigweg bestimmenden Mittel iO angeordnet und ausgebildet sind, daß das Übertragungsmaß im Nutzsignalweg aus der Summe eines konstanten Anteils und eines variablen Anteils gebildet ist, und im Zweigweg nur aus einem variablen Anteil gebildet ist.
2. Schaltung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß im Nutzsignalweg mindestens ein als nicht invertierender Verstärker beschalteter Verstärker angeordnet ist, und daß im Zweigweg mindesten-) ein als invertierender Verstärker beschalteter Verstärker angeordnet ist.
3. Schaltung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Änderung des Übertragungsmaßes im Nutzsignalweg und im Zweigweg bezüglich ihrer Verstärkungskennlinie bei Kompression in gleicher Weise und bei Expansion komplementär zueinander aufgebaut sind.