DE3626815C2 - Schaltung zur Verbreiterung der Stereobasis für stereofonische Tonwiedergabegeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ver­ breiterung der Stereobasis für stereofonische Tonwiedergabe­ geräte.

Wenn der Abstand zwischen den beiden Lautsprechern bei stereofoner Tonwiedergabe relativ klein ist, z. B. nur 60 bis 70 cm beträgt, ist die Raumklangwirkung für den Hörer in einem gewissen Abstand zu den Lautsprechern kaum noch wahrnehmbar oder jedenfalls unzulänglich. Um hier die gleiche Wirkung zu erzielen wie bei in größerem gegen­ seitigen Abstand angeordneten Lautsprechern, ist es bekannt, die Audio-Eingangssignale des Systems so zu verarbeiten, daß die Raumklangwirkung gesteigert wird, was sich dann als sogenannte "Verbreiterung der Stereobasis" auswirkt.

Das bekannte Verfahren zur Erreichung dieses Ziels besteht in der Verwendung einer "rekursiven" Technik, gemäß welcher eine gegenphasige Überkreuzkopplung zwischen den beiden (rechten und linken) Audiokanälen gewöhnlich in der Weise erzielt wird, daß das Ausgangssignal jedes Kanals nach geeigneter Verstärkung oder Dämpfung vom Eingangssignal des jeweils anderen Kanals subtrahiert wird. Zur Vermeidung von dem Fachmann bekannten, mit der Ausbreitung der aku­ stischen Wellen und der Physiologie des Hörvorgangs zusam­ menhängenden abträglichen Erscheinungen wird eine solche gegenphasige Überkreuzkopplung nur über einen Teil der gesamten Bandbreite des Signals hergestellt. Zu diesem Zweck ent­ halten die Schaltungsanordnungen für die Rückleitung der Signale zu den Eingängen Bandpaßfilter, und darüber hin­ aus sind auch in den beiden direkten Kanälen Korrektions­ filter angeordnet. Sowohl die beiden direkten Kanäle als auch die gegenphasige Überkreuzkopplung können daher als (aktive oder passive) Filter betrachtet werden, und soweit in der folgenden Beschreibung von Verstärkern die Rede ist, ist darunter in jedem Falle zu verstehen, daß die jeweils stattfindende Verstärkung auch eine geeignete Filterung umfaßt.

Systeme der vorstehend erläuterten Art sind beispielsweise beschrieben in "DIGIT 2000 - VLSI Digital TV System", ITT Semicinductors, Publication Order Nr. 6251-190-2E, Seite 6.13, August 1982, oder in "The German Systems and Integrated Circuits for "High-Quality" TV Receivers" von U. Buhse, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-28, Nr. 4, Seite 489, November 1982.

Derartige bekannte Lösungen erfordern vier Verstärker­ und/oder Filterblöcke, davon zwei für die direkten Kanäle, d. h. für die Steuerung der Stufen an der Ausgangsseite des Systems, und zwei andere für die für die Verbreiterung der Stereobasis rückgekoppelten Signale. Die Komplexität dieser Blöcke ist abhängig von der Komplexität der angestrebten Filterfunktion. Wenn darüber hinaus beabsichtigt ist, die Basisverbreiterung programmierbar zu gestalten, so erfordert dies ein sehr feinfühliges Verfahren, da die Verstärkung und/oder Filterung in zwei verschiedenen Blöcken parallel­ laufend mit großer Genauigkeit identisch eingeregelt werden muß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer rekursiv arbeitenden Vorrichtung zur Verbreiterung der Stereobasis von stereofonischen Signalen in einem stereofonen Ton­ wiedergabegerät, welche gegenüber bekannten Ausführungen einen vereinfachten Schaltungsaufbau hat und insbesondere nur einen einzigen Verstärker- und Filterblock in der Rückkoppelungsanordnung benötigt, so daß sie mit verbes­ serter Wirtschaftlichkeit in eine integrierte Schaltung einbeziehbar ist und es nur einer einzigen Einregelung von Parametern bedarf, um die bewerkstelligte Verbreiterung der Stereobasis zu verändern.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Verbrei­ terung der Stereobasis in einer ersten Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer solchem Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 3 ein Schaltbild einer praktischen Ausführung der Anordnung nach Fig. 2, welche insbesondere für die Einbeziehung in eine integrierte Schaltung geeignet ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die stereo­ fone Information eines Audiosignals zur Gänze in der differentiellen Komponente der Signale der beiden Kanäle enthalten ist, während deren gemeinsame Komponente allein eine monofone Information enthält. Im Falle eines mono­ fonen Audiosignals, beispielsweise der Stimme eines in der Mitte des Aufnahmebereichs stehenden Sängers, sind das linke Signal V_l und das rechte Signal V_r identisch und haben jeweils den Wert V_i:

V_l = V_i

V_r = V_i

Im Falle eines Audiosignals mit der stärksten stereofonen Wirkung, z. B. des Tons eines Instruments am äußersten Rand des Aufnahmebereichs, ergibt sich für die beiden Signale dagegen im Idealfall:

V_l = V_i

V_r = 0

oder

V_l= V_i/2 + V_i/2 (1a)

V_r = V_i/2-V_i/2. (1b)

Aus den Gleichungen (1) ergibt sich somit, daß ein Signal mit dem größten stereofonen Gehalt eine für beide Kanäle in Modulation und Phase gleiche gemeinsame erste Komponente und eine verschiedene zweite Komponente enthält, welche hinsichtlich der Modulation gleich der ersten Komponente, auf den beiden Kanälen jedoch gegenphasig ist. Eine Ver­ breiterung der Stereobasis des stereofonen Signals bedeutet also eine Hervorhebung der Differenz-Komponente gegen­ über der gemeinsamen Komponente.

Dieses Prinzip findet Anwendung in einer in Fig. 1 darge­ stellten rekursiv arbeitenden Vorrichtung zur Verbreiterung der Stereobasis gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung hat getrennte Eingänge 10 bzw. 12 für ein rechtes und ein linkes Eingangssignal R_in bzw. L_in, welche zusammen ein stereofones Paar bilden, und getrennte Ausgänge 14 bzw. 16 für ein rechtes und ein linkes Ausgangssignal R_out bzw. L_out. In den zwischen den Eingängen und den Ausgängen liegenden rechten und linken Kanälen sind ein rechter und ein mit diesem gleichartiger linker Verstärker 18 bzw. 20 angeordnet, welche jeweils im mittleren Bandbereich einen Verstärkungsfaktor B haben. Wie vorstehend bereits erwähnt, können die Verstärker 18 und 20 Filterfunktionen beinhalten, z. B. eine Tiefpaß­ filterfunktion für die Dämpfung sehr hoher Töne.

Die Ausgangssignale R_out und L_out werden an ein lineares Verknüpfungsglied 22 gelegt und darin voneinander abgezogen. Das erhaltene Differenzsignal wird an einen Rückkoppelungs­ verstärker 24 gelegt, welcher ein Bandpaßfilter enthält und einen Verstärkungsfaktor A im mittleren Bandbereich hat. Da der Modul des Verstärkungsfaktors A des Blocks 24 je nach den Auslegungsparametern des gesamten Systems kleiner als 1 sein kann, ist unter dem Ausdruck "Verstärker" hier ein Übertragungsglied zu verstehen, welches sich gegebenenfalls auf ein passives Filterglied reduziert.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 24 wird einerseits an ein dem Eingang des Verstärkers 18 in Reihe vorgeschaltetes Subtraktionsglied 26 gelegt und vom rechten Eingangssignal R_in subtrahiert (oder diesem gegenphasig zuaddiert), und andererseits an ein im linken Kanal dem Eingang des Ver­ stärkers 20 in Reihe vorgeschaltetes Additionsglied 20, um dem linken Eingangssignal L_in phasengleich zuaddiert zu werden.

Zum Ausdruck der durch die Anordnung nach Fig. 1 zwischen den Eingangssignalen und den Ausgangssignalen hergestellten Verknüpfung in mathematischer Form gelangt man schließlich zu den folgenden Ausdrücken, in denen die verschiedenen Bezeichnungen die bereits vorstehend angegebene Bedeutung haben:

(1-2AB)L_out = B(1-AB)L_in-AB²R_in (2a)

(1-2AB)R_out = B(1-AB)R_in-AB²L_in (2b)

Wählt man im Hinblick auf das vorstehend zu Formel (1) Gesagte für die Signale R_in und L_in den Ausdruck

R_in = C-D

bzw.

L_in = C + D,

wobei C die gemeinsame Komponente und D die Differenz-Komponente der beiden Signale ist, dann läßt sich die Formel (2) in folgender Form schreiben:

L_out = BC + DB/(1-2AB) (3a)

R_out = BC-DB/(1-2AB) (3b)

Da A und B wenigstens im mittleren Bandbereich das gleiche Vorzeichen haben, wird die Differenz - Komponente D bei geeigneten Werten für A und B (d. h. AB < ½) in größerem Maße verstärkt als die gemeinsame Komponente, so daß sich auf diese Weise die gewünschte Verbreiterung der Stereo­ basis ergibt.

In der praktischen Ausführung ist der Verstärkungsfaktor A des Blocks 24 vorzugsweise programmierbar oder regulierbar, so daß ein und dieselbe Schaltungsanordnung für verschie­ dene Zwecke verwendbar ist, bei denen eine unterschiedliche Verbreiterung der Stereobasis erwünscht ist. Dabei ist nicht ausgeschlossen, daß auch die Verstärkungsfaktoren der Blöcke 18 und 20 programmierbar sind.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung ist weitgehend gleich der in Fig. 1 Gezeigten, weshalb einander entsprechende Teile mit den gleichen, jeweils um 100 erhöhten Bezugszeichen bezeichnet sind.

Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten dadurch, daß das Subtraktionsglied 22 durch ein Additionsglied 122 und das Additionsglied 28 am linken Kanal L_in durch ein Subtraktionsglied 128 ersetzt ist. Sämtliche übrigen Elemente sind im wesentlichen identisch mit den entsprechenden Elementen in Fig. 1 . Für sie gelten die gleichen Angaben bezüglich Verstärker- und Filter­ funktionen.

Durch entsprechende Umgestaltung der Gleichungen für die Verknüpfung der Ausgangssignale mit den Differenz- und gemeinsamen Komponenten der Eingangssignale erhält man in diesem Falle:

L_out = CB/(1+2AB) + DB (4a)

R_out = CB/(1+2AB)-DB (4b)

Da auch in diesem Falle A und B wenigstens im mittleren Bandbereich das gleiche Vorzeichen haben, ist die Verstär­ kung der Differenz - Komponente stärker als die der gemeinsamen Komponente, so daß sich eine entsprechende Verbreiterung der Stereobasis ergibt. Auch in diesem Falle läßt sich die Verbreiterung der Stereobasis in besonders einfacher Weise durch entsprechende Programmierung oder Regulierung des Verstärkungsfaktores des Rückkoppelungs­ blocks 124 variieren.

Eine in Fig. 3 gezeigte praktische Ausführungsform der Erfindung weist zwei Operationsverstärker 200, 202 auf, an deren Eingängen die jeweiligen Eingangssignale R_in bzw. L_in über den gleichen Wert Z₁ aufweisende Eingangs­ impedanzen 204 bzw. 206 liegen. Parallel zu den beiden Operationsverstärkern 200, 202 ist jeweils eine Impedanz 208 bzw. 210 mit dem gleichen Wert Z₂ geschaltet.

Die Ausgänge der beiden Operationsverstärker 200, 202 sind über in Reihe liegende, den gleichen Wert Z₃ aufweisende Impedanzen 212, 214 miteinander verbunden, deren gegen­ seitiger Verbindungspunkt über eine weitere Impedanz 216 mit dem Wert Z₅ mit dem Verbindungspunkt zwischen zwei weiteren in Reihe liegenden Impedanzen 218, 220 mit dem gleichen Wert Z₄ verbunden ist. Die zuletzt genannten Impedanzen 218, 220 stellen eine Verbindung zwischen den Eingängen der beiden Operationsverstärker her.

In der Ausführungsform nach Fig. 3, welche besonders für die Einbeziehung in eine integrierte Schaltung geeignet ist, werden die Funktionen der Blöcke 118 und 120 aus Fig. 2 von den Baugruppen 200, 204, 208 bzw. 202, 206, 210 aus­ geübt. In jedem Falle ergibt sich für den dem in Fig. 2 dargestellten Fall entsprechenden Verstärkungsfaktor

B = -Z₂/Z₁.

Die aus den Impedanzen 212, 214, 216, 218 und 220 gebildete symmetrische Schaltungsanordnung entspricht dem Rückkoppe­ lungsblock 124 zusammen mit dem Additionsglied 122, und für den entsprechenden Übertragungsfaktor ergibt sich

A = -(Z₁/4)/(Z₃/2 + Z₄/2 + Z₅).

Jeder der Werte Z₁ bis Z₅ stellt allgemein eine mehr oder weniger komplexe Funktion dar, z. B. eine Kapazität, einen Widerstand, eine Parallelanordnung von einer Kapazität und einem Widerstand oder eine noch weitergehende Kombi­ nation, welche in der dem Fachmann bekannten Weise geeignet ist, die für die notwendige Filterung erforderlichen Übertragungsfaktoren A und B zu erzielen. Die Impedanz 216 kann getrennt von der integrierten Schaltung ausgeführt sein und umfaßt in diesem Falle vorzugsweise einen gegebe­ nenfalls auch auswechselbaren Stellwiderstand, mittels dessen sich die Größe der Verbreiterung variieren läßt. Falls eine solche Anpassung der Verbreiterung nicht not­ wendig ist, kann die Impedanz 216 als einfacher Kurz­ schluß ausgebildet sein, wobei dann die entsprechenden Funktionen von den anliegenden Impedanzen 212, 214, 218, 220 übernommen werden können.

Wenn die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 in eine inte­ grierte MOS-Schaltung einbezogen ist, sind Kondensatoren von genau definierter Kapazität zwar relativ einfach realisierbar, es ist jedoch schwierig, Widerstände von einer ausreichend genau definierten Größe zu realisieren. Deshalb sind die zu den Impedanzen 204 bis 220 gehörigen Widerstände vorzugsweise nach der bekannten Schaltkondensator-Technik ausgeführt.

In bezug auf die beiden beschriebenen Ausführungsformen ist anzumerken, daß die sogenannte "Volldifferenz"-Technik Anwendung findet, welche sowohl die direkten als auch die invertierten Signale jederzeit verfügbar macht, wobei die praktische Ausführung besonders einfach ist, da sowohl die Summierung als auch die Differenz der beiden Signale in gleicher Weise unmittelbar erhältlich ist.

Claims (9)

1. Schaltkreis zur Verbreiterung der Stereobasis eines zweikanaligen stereofonen Tonwiedergabegerätes, wobei die Vorrichtung eine erste Verstärkereinrichtung (18; 118) in dem ersten der beiden Tonkanälen aufweist und eine zweite Verstärkereinrichtung (20; 120) in dem zweiten Kanal der beiden Tonkanäle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der ersten und zweiten Verstärkereinrichtung (18, 20; 118, 120) innerhalb einer Addierstufe (22; 122) entweder gleichphasig oder gegenphasig addiert werden und daß das Ausgangssignal der Addierstufe (22; 122) über ein Rückkopplungsglied (24; 124) rückgeführt wird und anschließend den Eingangssignalen der ersten und zweiten Verstärkereinrichtung (18, 20; 118, 120) in der Weise überlagert wird, daß im Falle einer gleichphasigen Addierstufe das Ausgangssignal der Addierstufe gegenphasig auf die Eingangssignale der zwei Verstärkereinrichtungen (118; 120) überlagert wird und daß im Falle einer gegenphasigen Addierstufe das Ausgangssignal der Addierstufe gegenphasig dem Eingangssignal der ersten Verstärkereinrichtung (18) überlagert wird und gleichphasig dem Eingangssignal der zweiten Verstärkereinrichtung (20) überlagert wird.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsglied (24; 124) einen Bandpaßfilter aufweist.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Verstärkereinrichtung (18, 20; 118, 120) einen Tiefpaßfilter aufweist.

4. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion des Rückkopplungsglieds programmierbar ist.

5. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis in Volldifferenz-Technik ausgeführt ist.

6. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Verstärkereinrichtungen (200, 202) durch einen invertierenden Operationsverstärker, eine in Reihe mit einem Eingang des Operationsverstärkers geschalteten ersten Impedanz (204, 206) sowie eine den Ausgang des Operationsverstärkers mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbindenden zweiten Impedanz (208, 210) gebildet wird.

7. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsglied als symmetrisches H-Glied (212 bis 220) ausgeführt ist, dessen Eingangsanschlüsse mit den Ausgängen der zwei Operationsverstärker (200, 202) verbunden sind und dessen Ausgangsanschlüsse mit den Eingängen der Operationsverstärker (210, 208) verbunden sind.

8. Schaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (216) im Zentrum des H-Gliedes durch einen Kurzschluß realisiert ist.

9. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen des H-Gliedes durch Widerstände und geschaltete Kondensatoren realisiert sind.