WO1979000560A1

WO1979000560A1 - Circuit pour une compression ou une expansion dynamique automatique

Info

Publication number: WO1979000560A1
Application number: PCT/DE1979/000003
Authority: WO
Inventors: E Schroeder
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-01-28
Filing date: 1979-01-13
Publication date: 1979-08-23
Anticipated expiration: 1980-07-28
Also published as: DE2803751C2; DE2803751A1

Description

Es ist bekannt, die Qualität der Wiedergabe von Tonfrequenzdarbietungen durch Vergrößern des Signal-Rausch-Abstandes durch ein Kompressions-Expansions-System (sogenanntes Koinpander-System) 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 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 SystemKonzeptes bezüglich der Wahl des Expansions- und KompressionsGrades. Die bisher bekannten Kompressions-Expansions-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 oben genannten Forderungen.

Der Gegenstand des Hauptpatents DT-PS 24 06

258 lost 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 Steuerspannungserzeuger eine Steuerspannung gewonnen wird, die den Mitteln zum Ändern des Über-? tragungsmaßes im Nutzsignalweg zugeführt wird. Die genannte Aufgabe wird bei der Hauptpatentanmeldung dadurch gelöst, daß die Steuerspannung auch im Zweigweg liegenden Mitteln zur Änderung des Übertragungsmaßes zugeführt wird und zwar im Sinne einer Gegenregelung des Übertragungsmaßes im Zweigweg.

Durch diese Gegenregelung (Patentanspruch 1 des Hauptpatents) wird zunächst erreicht, daß die Steuerkennlinien (Abhängigkeit der Ausgangssignale U₂ von den Eingangssignalen U₁ 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 keinen wesentlichen Einfluß.

Die mit der beschriebenen Schaltung erzielbaren Kennlinien weisen entsprechend der Fig. 1 einen ersten, linearen Teil 1 mit einer einer linearen Lynamik entsprechenden Steigugng 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 Steuerspannungserzeuger eine Steuerspannung gewonnen wird, die den Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes im Nutzsignalweg zugeführt wird. Die genannte Aufgabe wird bei der Hauptpatentanmeldung dadurch gelöst, daß die Steuerspannung auch im Zweigweg liegenden Mitteln zur Änderung des Übertragungsmaßes zugeführt wird und zwar im Sinne einer Gegenregelung des Übertragungsmaßes im Zweigweg.

Die mit der beschriebenen Schaltung erzielbaren Kennlinien weisen entsprechend der Fig. 1 einen ersten, linearen Teil 1 mit einer einer linearen Dynamik entsprechenden Steigung Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Kennlinien-Diagramm für die Wirkungsweise der bekannten und der erfindungsgemäßen Schaltung, Fig. 2 und Fig. 3 je ein Ausführungsbeispiel für die bekannte

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

In Fig. 2 ist eine bekannte Schaltung (DT-OS 2529 012) zur Kompression von Wechselspannungssignalen als Blockschaltbild dargestellt. Eine solche Schaltung kann z.B. beim Bespielen eines Tonbandgerätes verwendet werden.

Es ist beabsichtigt, die an der Eingangsklemme 7 anliegenden Eingangssignale U₁ mit einem bestimmten Dynamikumfang in Sinalen U₂ umzuwandlen, 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 Steuereingang 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 Vereinigungsschaltung 14einen Steuerspannungserseuger 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 Nutzsignals ein, weil mit zunehmender Ausgangsspannung des Ver stärkers 8 am Ausgang des Steuerspannungserzeugers 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 Gegenregelung stattfindet, die die logarithmisch dargestellte Regelkennlinie der Kompressionsschaltung nahezu linearisiert. Die Steuerspannung ist also in Fig. 2 eine RegelSpannung. Anhand der Fig. 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 U₁ zwischen -75 dB (angenommene Schwelle des Rauschens der Quelle) und dem beispielsweise bei 0 dB liegenden Nennpegel betrachtet. Der absolute Wert der Eingangsspannung steigt auf der Abszisse von links nach rechts bis zum Nennpegel an. Die Ausgangspegel U₂ bei Kompression liegen im hier dargestellten Fall zwischen -45 dB und 0 dB. Der absolute Werte 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 Ausgangspegels Up von U₁ stellt die Kennlinie der Kompressionsschaltung nach Fig. 2 dar. Zwischen -75 dB und 60 dB für U₁ liegt eine konstante Verstärkung von 30 dB vor (Neigung des Kennlinienteils 1 von 45°), so daß bei gleich angenommener MaximalVerstärkung der Verstärker 8 und 11 in Fig. 2 am Ausgang des Verstärkers 11 eine Verstärkung von 60 dB gegenüber der Eingangsspannung an der Eingangsklemme 7 vorliegt. Erst bei einem Eingangspegel U₁ von -60 dB (am Knick 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) ein, weil dort die Schwelle des Steuerspannungserzeugers (13 in Fig. 2) überschritten wird. Von dem Wert U₁ = -60 dB an nimmt die Verstärkung laufend ab und hat bei einem Eingangspegel von 0 dB den Wert 0 dB, 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 der Eingangssignal U₁ auf einen Umfang von -45 dB bis 0 dB der AusgangsSignale U₂ verringert wird. Entsprechend der Kompression verläuft im beschriebenen Fall auch die Expansion.

Zur Vermeidung des Knicks 4 der Kennlinie 2, 3 in Fig. 1 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 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 Vere^'inigungsschaltung 14 die AusgangsSpannung U₂ des von der Eingangsklemme 7 über den Verstärker 8 zur Ausgangsklemme 10 führenden Nutzsignalweges zugeführt.

Die beschriebene Zuschaltung der Vereinigungsschaltung 14 hat die Wirkung, daß sich für die dargestellte Schaltung eine Kennlinie gemäß der Kennlinie 6 in Fig. 1 ergibt. Anstelle des Kennlinienknicks 4 weist die Kennlinie 6 am Punkt 5 bei einem Eingangspegel von 0 dB für U,, 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 14; man erkennt aber, daß die Kennlinie 6 im Bereich des Nennpegels um 0 dB bezüglich ihres Differentialquotiehten stetig verläuft. Da der Schnittpunkt 5 der Kennlinie 6 mit der Ordinate exakt und ohne Abgleich auch bei Schaltungen aus unterschiedlichen Fertigungsserien reproduzierbar ist, erfüllt die beschriebene Schaltung mit d.er Kennlinie 6 die eingangs ge nannten 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 Fig. 2 dargestellten Schaltung von U₁ auf U₂ komprimierten Signale so zu expandieren, daß die AusgangsSignale U₃ wieder den Dynamikumfang der Eingangssignale U₁ der Schaltung nach Fig. 2 aufweisen.

Die ExpansionsSchaltung nach Fig. 3 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 11 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 Fig. 2, während der Verstärker 11 in Fig. 3 mit dem Verstärker 11 in Fig. 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 Verstärkung jeweils durch einen Gegenkopplungs-Spannungsteiler bestimmt wird. Die für beide Verstärker gleiche Steuergleichspannung steuert dann in bekannter Weise (DT-OS 22 18823) bei Kompression den einen Spannungsteilerwiderstand und bei Expansion den anderen Spannungsteiler widerstand.

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 Regelspannungserzeugers 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 an den Eingang des Verstärkers 19 angeschlossen.

Die Wirkung der Zuschaltung der Vereinigungsschaltung 14 bei der Expansionsschaltung nach Fig. 3 ist entsprechend komplementär zu der Wirkung der Kompressionsschaltung nach Fig. 2. Es ergibt sich somit für die Expansionsschaltung die in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Kennlinie 6'mit dem dem Punkt 5 entsprechenden Punkt 5' als Schnittpunkt mit der Ordinate für einen Eingangspegel U₂ von O 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 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 Differenzbetrag des Übertragungsmaßes ist nur abhängig von der Beschaltung des Differenzverstärkers. Er bleibt also konstant, wenn das Übertragungsmaß des ersten Verstärkers variiert wird. Von Bedeutung ist der Spezialfall, bei dem der Differenzverstärker in der oben beschriebenen Schaltung so beschaltet ist, daß die von ihm gebildete Differenz den Betrag 1 hat. Die gleiche Differenz im Betrag des Übertragungsmaßes besteht auch zwischen der invertierenden und der nichtinvertierenden Beschaltung eines Differenzverstärkers, wenn die gleichen Schaltelemente verwendet werden. Daraus folgt, daß die Anordnung aus dem ersten Verstärker und dem Differenzverstärker durch eine Anordnung mit einem einzigen Verstärker ersetzt 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 Fig. 4 und für den Fall der Expansion in der Fig. 5 dargestellt.

Die Kompressionsschaltung enthält zwischen der Eingangsklemme 7 und der Ausgangsklemme 10 einen in seiner Verstärkung steuerbaren, vorzugsweise als nichtinvertierender Verstärker ausgebildeten Verstärker 8. Der Verstärker 8 bes_^itzt 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 Nutzsignalweg liegende Verstärker 8 als nichtinvertierender Verstärker beschaltet ist, 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 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 Beschaltung der beiden Verstärker dienenden Impedanzen sind gleich. Dadurch wird erreicht, daß bei jeder möglichen Steuerspannung an den Steuereingängen 9 und 12 der Verstärker 8 jeweils eine um den Betrag 1 größere Verstärkung aufweist als der Verstärker 11.

Die Expansionsschaltung gemäß der Fig. 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 VerstarkersVangeschlossen ist. Bei einer angenommenen Beschaltung des im Nutzsignalweg angeordneten 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 Verstärkter 11 ebenso wie der Verstärker 19 über den Steuereingang 21 in seiner Verstärkung beeinflußbar.

Der Verstärker 19 ist wegen der verlangten Expansion so aufge baut, 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.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Schaltung zur automatischen DynamikrKompression oder -Expansion mit einem Nutzsignalweg, .mit Mitteln zum Ändern des Übertragungsmaßes und mit einem an den Nutzsignalweg angeschlossenen Zweigweg, in dem aus dem Nutzsignalweg in einem Steuerspannungserzeuger eine Steuerspannung gewonnen wird, die einerseits den Mitteln zum Andern 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 DT-PS 240625S.6), dadurch gekennzeichnet, daß die das Übertragungsmaß im Nutzsignalweg und im Zweigweg bestimmenden Mittel so 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 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Nutzsignalweg mindestens ein als nicht invertierender Verstärker beschalteter Verstärker angeordnet ist_*und daß im Zweigweg mindestens ein als invertierender Verstärker beschalteter Verstärker angeordnet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, 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.