DE3044661A1

DE3044661A1 - Schaltung zur dynamik-kompression und/oder -expansion

Info

Publication number: DE3044661A1
Application number: DE19803044661
Authority: DE
Inventors: Jürgen Ing.(grad.) 3154 Stederdorf Wermuth
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1980-11-27
Filing date: 1980-11-27
Publication date: 1982-06-24
Also published as: EP0053303B1; DE3174143D1; NO814003L; ATE18709T1; DK513881A; BR8107670A; EP0053303A2; AU7790381A; ZA818220B; JPS57116403A; ES507432A0; US4415866A; EP0053303A3; JPS6339164B2; ES8300422A1

Description

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Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt (Main) 70

Hannover, den ΐδ.11.198θ UE2-H Tr/vß H 8O/63

Schaltung zur Dynamik-Kompression und/oder -Expansion

Die Erfindung betrifft eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die beispielsweise durch die DE-PS 24 06 258 bekannt ist. Einen dB-linearen Kennlinienverlauf der Kompression- bzw. Expansionkennlinie erhält man, wenn dort verwendeten Stellgliedern im Hauptweg und Zweigweg der Schaltung eine gleiche Steuercharakteristik haben.

Durch die DE-OS 28 42 9Λ5 ist es für eine solche Schaltung bekannt, lineare Stellglieder zu verwenden und den Stellgliedern ein Übertragungsglied vorzuschalten, welches eine einer e-Funktion entsprechende Übertragungsfunktion aufweist. Dieses ist für das dynamische Verhalten der Schaltungsanordnung sehr vorteilhaft.

Durch die DE-PS 24 06 258 ist es auch bekannt, daß durch die Zusammenschaltung von mehreren in ihrem Übertragungsmaß veränderbaren Verstärkern zu einer Kettenschaltung unterschiedliche Kompressionsgrade erreicht werden können. Bei Anwendung der in den Figuren 4 und 6 der DE-PS 24 06 258 angegebenen Schaltungen läßt sich beispielsweise ein

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Kompressionsgrad von 1:1,5 erreichen. Der Aufwand bei diesen Schaltungen ist jedoch erheblich vergrößert, da ein zusätzlicher Verstärker mit einem zusätzlichen Stellglied erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebene Kompanderschaltung so zu gestalten, daß beliebige (dB-lineare) Kompressionsgrade auf einfache Weise erhalten werden können, wobei der Aufwand für den Aufbau der Stellglieder gering gehalten werden soll.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. .

Bei der e"rfindungsgemäßen Schaltung können beliebige Kompressionsgrade auf einfache Weise>aadurch erhalten werden, daß den gesteuerten Stellgliedern im Nutzsignalweg und Zweigweg Steuerspannungen mit um einen konstanten Faktor unterschiedlichen Pegeln zugeführt werden. Bei der gewählten Anordnung wirkt sich ein solcher konstanter Faktor linear auf den Kompressionsgrad aus. Die verwendeten Stellglieder mit einer der e-Funktion entsprechenden Steuereharakteristik lassen sich im Vergleich zu Stellgliedern mit linearer Charakteristik, die beim Stand der Technik verwendet werden, wesentlich einfacher realisieren. Z.B. kann die bekannte Tatsache ausgenutzt werden, daß sich der Kollektorstrom eines Transistors in Abhängigkeit von der Basis-Spannung nach einer e-Funktion ändert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Expander mit den erfindungsgemäßen Merkmalen, Fig. 2 eine bekannte Expansionsschaltung,

Fig. 3 eine zwischen einem Expansions- und einem Kompressionsbetrieb umschaltbare Kompander-Schaltung und

Fig. 4 ein ausführliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung.

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Zunächst wird anhand von Fig. 2 eine bekannte Expansionsschaltung beschrieben. Ein an einer Eingangsklemme 11 zugeführtes Wechselspannungssignal wird über ein in seinem Übertragungsmaß steuerbares übertragungsglied 13 zu einer Ausgangsklemme 12 übertragen. Vom Eingang des Übertragungsgliedes 13 wird das gleiche Signal einem Zweigweg mit den Übertragungsgliedern Ik und 10 zugeführt. Vom Ausgang des Übertragungsgliedes 10 wird mittels eines Steuerspannungserzeugers 15 ein Steuersignal abgeleitet. Das Steuersignal U wird in einem Schaltungsteil 16 entsprechend einer e-Funktion beeinflußt und linearen Stellgliedern in den Übertragungsgliedern 13,lk und 10 zugeführt. Die in Fig. 2 nicht näher dargestellten Stellglieder sind so angeordnet, daß das Übertragungsmaß im Hauptweg im positiven Sinn und im Zweigweg im Sinne einer Gegenregelung beeinflußt werden. Der Schaltungsteil l6 kann entfallen, wenn die Stellglieder in den Übertragungsgliedern 13,l4b und 10 selbst eine einer e-Funktion entsprechende Charakteristik haben.

Bei bekannten Kompandersystemen, die aus einem Kompressor und einem Expander aufgebaut sind, muß prinzipiell die Forderung eingehalten werden, daß der Eingangspegel des Expanders genau dem Ausgangspegel des Kompressors entspricht. Pegelver-Schiebungen können zu Verfälschungen führen. Auf die ^nannte Forderung kann verzichtet werden, wenn di^Kompanderkennlinie "dB-linear",das heißt linear bezüglich des Logarithmus der Eingangsamplitude verläuft. Um diese dB-Linearität zu erhalten, ist der Scbd-tungsteil 16 vorgesehen bzw. wählt man Stellglieder, die eine Charakteristik entsprechend einer e-Funktion aufweisen.

Bei der bekannten Schaltung gemäß Fig. 2 sind drei lineare Stellglieder in den Übertragungsgliedern 13tI^ und 10 vorgesehen. Diese sind bei den Kompandern gestellten Genauigkeitsanforderungen nur mit erheblichem Aufwand realisierbar. Es

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sind 2.B. spezielle Schaltungen zur Temperaturkompension der Stellglieder erforderlich.

Fig. 1 zeigt eine andere Schaltung für einen Expander. Das Nutzsignal wird einer Eingangsklemme 1 zugeführt und das expandierte Ausgangssignal kann an der Ausgängsklemme 2 abgenommen werden. Zunächst wird das Nutzsignal in einem Schaltungsteil 3 bezüglich seines Pegels logarithmiert. Am Ausgang des Logarithmierers 3 findet eine Aufteilung des Wechselspannungssignales in den Hauptweg und den Zweigweg statt. Im Hauptweg schließen sich ein steuerbares Übertragungsglied 4: und im Zweigweg ein steuerbares Übertragungsglied 5 an. Von dem Ausgangssignal des steuerbaren Übertragungsgliedes wird mittels eines Steuerspannungserzeugers 6 eine Steuerspannung Ug_ abgeleitet. Am Ausgang des Steuerspannungserzeugers 6 wird das Steuersignal aufgespalten und einerseits über ein Glied 7 mitlkonstantem Übertragungsmaß k. dem steuerbaren Übertragungsglied k im Hauptweg und andererseits über ein Glied 8 mit konstantem Übertragungsmaß k_ dem steuerbaren Übertragungsglied 5 im Zweigweg zugeführt. Das Steuersignal wird den Übertragungsgliedern k und 5 also mit einem um einen konstanten Paktor k./k_o unterschiedlichen Pegeln zugeführt.

Die Übertragungsglieder 4 und 5 sind folgendermaßen ausgeführt :

1. Bei unverändertem Steuersignal weist das Übertragungsglied k bzw. 5 für das übertragene Wechselspannungssignal eine antilogarithmische Kennlinie auf.

2. Das Übertragungsmaß verändert sich in Abhängigkeit von einem zugeführten Steuer-Gleichspannungssignal entsprechend einer e-Funktion.

Im Betrieb der Schaltung überlagern sich diese beiden Eigenschaften der Schaltung. Die Übertragungsglieder h und 5 lassen sich, wie weiter unten gezeigt werden wird, auf sehr einfache Weise ausführen.

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Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen Kompander, die zwischen einem Kompressionsbetrieb und einem Expansionsbetrieb mittels eines Umschalters 9 umschaltbar ist. Es han-, delt sich um eine Kompanderschaltung, in der die Dynamik des zu verarbeitenden Signales in vier gestaffelten Frequenzbändern getrennt beeinflußt wird. Die Schaltungsteile, in denen die Dynamik des Nutzsignales bearbeitet wird, sind entsprechend den Frequenzbereichen mit I bis IV bezeichnet. Dieser Block enthält also viermal die Schaltung gemäß Fig. 1 und zusätzlich Frequenzweichen, auf die hier nicht näher eingegangen wird. Die Schaltung arbeitet in der gezeigten Stellung des Schalters 9 als Kompressor. Das Nutzsignal am Eingang l8 gelangt über einen Widerstand 21, und den Operationsverstärker 22 über den Schaltkontakt 23 des Schalters 9 zur Ausgangsklemme 20 beispielsweise zu einem Magnetband-Rekorder. Die Expansionsschaltungen I bis IV liegen dabei im Gegenkopplungsweg des Operationsverstärkers 22, wodurch sich eine zu der Expander-Kennlinie inverse Kompressions-Kenniinie ergibt. Eine gegenkoppelnde Wirkung der Schaltungsteile I bis IV wird dadurch erreicht, daß die Ausgangssignale dieser Schaltungsteile zu den Eingangssignalen eine Phasendrehung um l8o aufweisen, was einer Invertierung entspricht.

Beim Expansionsbetrieb der Schaltung in Fig. 3 steht der Schalter 9 in der nicht gezeichneten Schalterstellung. Jetzt liegt ein beispielweise von einem Magnetband-Rekorder kommendes Nutzsignal an einer Eingangsklemme 19 und gelangt über den Schaltkontakt 23 und die Schaltungsteile I bis IV zum nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 22. Der Operationsverstärker muß jetzt als Addierer für von den Schaltungsteilen I bis IV kommende Wechselströme arbeiten, wozu er mittels eines vetteren Operationsverstärkers 24 stark gegengekoppelt ist. Der Operationsverstärker Zk ist als Invertierer geschaltet und liegt zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 22 und dem niht invertierenden Eingang, so daß sich insgesamt eine Gegenkopplung ergibt.

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Der dem Schalter 9 zugewandte Anschluß des Widerstandes 21 ist mit einer Ausgangsklemme 17 verbunden, an die ein Monitor angeschlossen werden kann.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltung gemäß Fig. 1. Der Logarithmierer aus Fig. 1 ist in Fig. 4 mit einem Operationsverstärker 25 und Transistoren 26 und 27 im Gegenkppplungsa»r*ig des Operationsverstärkers 25 aufgebaut.. Weitere Transistoren 28 und 29 bewirken eine Pegelverschiebung des Ausgangssignales des Operationsverstärkers 25 und dienen zur Kompensation von U_D_-Spannungen der übrigen in der

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Schaltung enthaltenen Transistoren.

An einer Eingangsklemme 30 wird das Eingangs-Nutzsignal U-dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 25 zugeführt. Die Transistoren 26 und 27 im Gegenkopplungsweg des Operationsverstärkers 25 bewirken, daß das Nutzsignal mit einer logarithmischen Übertragungs-Kennlinie übertragen wird, so daß an den Leitungen 31 und 32 das Nutzsignal mit logarithmisch verändertem Pegel erscheint. Die Signale auf diesen Leitungen sind phasengleich.

Das Signal auf den Leitungen 31 und 32 gelangt sowohl zu dem Stellglied 4 mit Transistoren Jk und 35 als auch zu dem Stellglied 5 mit den Transistoren 40 und 4l. Jeweils die' oberen Transistoren Jk und 4o, welche PNP-Transistören sind, dienen zur Beeinflussung der positiven Halbwellen des Signales und die unteren Transistoren 35 und 4l, welche NPN-Transistören sind, zur Bearbeitung der negativen Halbwellen, so daß die jeweils übereinander liegenden Transistoren zusammen ein komplettes Stellglied bilden.

Das Stellglied 4O,4l gehört zum Zweigweg. Die Kollektorströme der Transistoren 4o und 4l werden in einem Operationsverstärker 42 zusammengeführt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 42 wird einem Schwellwert-Gleichrichter mit Entlade-Zeitkonstante V und Aufladezeitkonstante T- züge-

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führt. Am Ausgang des Gleichrichters 43 steht das Steuersignal für die Stellglieder zur Verfügung. Das S-feuersignal wird den Transistoren der Stellglieder 4 und 5 jeweils an der Basis über je einen einen konstanten Paktor vorgebendsn Spannungsteiler 36 bis 39 zugeführt. Die Kollektorströme der Transistoren 34,35 und 40,4l verhalten sich in Abhängigkeit von der angelegten Basisspannung nach einer e-Funktion.

Die Kollektorströme der beiden zu einem Stellglied gehörenden Transistoren werden summiert und stellen das Ausgangssignal . des steuerbaren Ubertragungsgliedes dar.

Die Stellglieder 4 und 5 sind entsprechend Fig. 1 zueinander invertiert angesteuert. Zur Steuerung eines Stellgliedes wird jeweils das Steuersignal einmal nichtinvertiert und zum anderen mittels eines Inverters 44 invertiert zugeführt. Die unterschiedlichen Transistoren erfordern diese unterschiedlichen Steuersignale.

Die Glieder 7 und 8 in Fig. 1 mit konstantem Übertragungsfaktor sind durch die den Basen der Transistoren 34,35 bzw. 40, 4l vorgeschalteten Spannungsteiler 36,37 (Glied 7) bzw. 38, 39 (Glied 8) ausgeführt.

Das Nutzsignal auf den Leitungen 31 und 32 liegt jeweils am Emitter der Transistoren der Stellglieder 4 und 5. Bei dieser Beschaltung weisen die Stellglieder für das Nutzsignal ein antilogarithmisches Übertragungsverhalten auf. Wenn beispielsweise die Spannung an den Basen der Transistoren der Stellglieder als konstant angenommen wird und nur die Änderung des Nutzsignales betrachtet wird, so erscheint das Nutzsignal am Ausgang der Stellglieder (Summe der Kollektorströme der Transistoren der Stellglieder) wieder mit den ursprünglichen, nicht logarithmischen Pegelverhältnissen.

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Die jeweils mit zwei Transistoren aufgebauten Stellglieder vereinigen zwei Eigenschaften in sich:

1. Sie stellen ein Übertragungsglied mit antilogarithmischem übertragungsmaß dar.

2. Sie weisen eine einer e-Funktion entsprechende Steuercharakteristik auf.

Wie das Ausführungsbeispiel zeigt, kann man die Stellglieder mit sehr einfachen Mitteln aufbauen. Lineare Stellglieder, die z.B. durch die DE-OS 28 47 4:36 bekannt sind, sind demgegenüber aufwendiger.

An der Auegangeklemme 33 der Schaltung gemäß Fig. k kann ein Strom abgenommen werden, der durch eine Schaltung gemäß Fig. 3 in eine Signalspannung umgewandelt werden kann, wobei wiederum mehrere Ströme gleichartiger Schaltungen für die verschiedenen Frequenzbänder gemäß Fig. 3 zusammengeführt werden können.

Der Kompressionsgrad der Schaltung in Fig. k kann auf einfache Weise durch bestimmte Bemessung der Spannungsteiler 36 bis 39 beliebig vorgegeben werden. Wie bereits bei Fig. 1 ausgeführt, gehen die dabei auftretenden Faktoren direkt linear in den Expansionsgrad bzw. Kompressionsgrad der Schaltung ein.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Es kann für die gesteuerten Übertragungsglieder beispielsweise auch ein Glied mit antilogarithmischer tibertragungskennlinie jedoch einer von der e-Funktion abweichender Steuercharakteristik verwendet werden. Die erforderliche Steuercharakteristik (e-Funktion) kann dann mittels entsprechend ausgelegten Kennliniengebern für das Steuersignal herbeigeführt werden. In einem solchen Fall ist der Kennliniengeber als mit zu dem Stellglied gehörig zu betrachten.

Claims

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Patentansprüche

l.ySchaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder -Ex-""" pension in einem Nutzsignalvreg (l3)i bei der vom Nutzsignalweg ein Zweigweg (1-4, 10, 15,16) abgezweigt ist, in dem aus dem Nutzsignal in einem Steuerspannungserzeuger (15) eine Steuerspannung (U_gT) gewonnen wird, und bei der sowohl im Nutzsignalweg (13) als auch im Zweigweg (14,10, 15,l6) Mittel zur Änderung des Übertragungsmaßes des Nutzsignalweges bzw. Zweigweges vorgesehen sind, denen die Steuerspannung (U_gT) zugeführt ist, wobei die Regelung im Zweigweg im Sinne einer Gegenregelung des Übertragungsmaßes im Zweigweg (l4,10,15,l6) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung des Nutzsignales vom Nutzsignalweg für den Zweigweg an einer Stelle des Nutzsignalweges erfolgt, in der das Nutzsignal in einer logarithmischen Ebene des Signal-Pegels vorliegt, und daß die gesteuerten Übertragungsglieder (4,5) im Nutzsignalweg und Zweigweg als Stellglieder mit einer der e-Funktion entsprechenden Steuer-Charakteristik und einer für das Nutzsignal antologarithmxschen Übertragungs-Kennlinie ausgeführt sind.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die gesteuerten Übertragungsglieder (4,5) die Eigenschaft eines bipolaren Transistors, daß der Kollektorstrom sich . nach einer e-Punktion in Abhängigkeit von der Basis-Emitter-Spannung ändert, ausgenutzt ist.
3· Schaltung nach Anspruch 2_t dadurch gekennzeichnet, daß jedes gesteuerte Übertragungsglied mit einem NPN-Transistor (35) und einem PNP-Transistor (34) aufgebaut ist, daß die Steuerspannung den beiden Transistoren zueinander invertiert zugeführt ist, daß den Emittern das Nutzsignal zugeführt ist und daß die Ströme der Kollektoren der bei-

ORlGINAL INSPECTED

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den Transistoren addiert werden und das Ausgangssignal (7) des steuerbaren Übertragungsgliedes darstellen.
4. Schaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren der Transistoren (34,35) miteinander verbunden sind und mit einer Addierschaltung verbunden sind.
5. Schaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung den Basen der Transistoren (34,35) über je einen Spannungsteiler (36,37) zugeführt ist.
6. Schaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Übertragungsglieder (24,35»4o, 4l ) im Nutzsignalweg und Zweigweg zueinander gleich aufgebaut sind.
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilungsverhältnis der Spannungsteiler (36,37) jeweils eines gesteuerten Übertragungsgliedes (4) zueinander gleich ist.
8. Schaltung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungsverhältnisse der Spannungsteiler (36,37) des gesteuerten Übertragungsgliedes (34,35) im Nutzsignalweg sich um einen konstanten Faktor (k^/k ) von dem Teilungsverhält- nis der Spannungsteiler (38139) des Übertragungsgliedes (4o,4l) im Zweigweg unterscheiden.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß den Emittern der Transistoren (34,35;40,4l) das Nutzsignal zur Kompensation der !!„--Spannungen der Transistoren (34,35«4o,4l) der gesteuerten übertragungsglieder um einen konstanten Spannungswert gegeneinander versetzt zugeführt sind.