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| Dr. Arnold Glaab |
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Optimale Entzerrungszeitkonstanten für Spulentonbandgeräte |
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Bei Tonträgern geht man aus verschiedenen Gründen
von der Forderung nach Linearität ab und entzerrt die
Signale so, wie es das speichernde oder übertragende Medium
- aus unterschiedlichen Gründen - erfordert. So wird der
Frequenzgang für Schallplatten, Tonband und für die
Rundfunkübertragung nach festen Normen verändert.
Diese Veränderungen (ausgedrückt durch Zeitkonstanten)
sind aufgrund der Amplitudenstatistik festgelegt; sie können
aber dort, wo die Statistik nicht mehr die wirklichen Verhältnisse
wiedergibt, Probleme aufwerfen. Der folgende Aufsatz beleuchtet
die Aspekte, die sich durch die Anhebung der hohen Frequenzen
bei Tonbandaufzeichnungen ergeben. |
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Das Problem
Wesentliche Qualitätsmerkmale eines Spulentonbandgerätes
sind unter anderen der Geräuschspannungsabstand und die
Dynamik bei hohen Frequenzen (Höhenaussteuerbarkeit).
Während der Geräuschspannungsabstand eines Tonbandgerätes
ein Maß für die Rauschfreiheit einer Tonbandaufnahme
ist, stellt die Höhenaussteuerbarkeit ein Maß für
den Pegel dar, der bei hohen Frequenzen aufgezeichnet werden
kann. Ist die Höhenaussteuerbarkeit z. B. deutlich geringer,
als es die hohen Frequenzanteile der aufzuzeichnenden Musik
und Sprache erfordern, dann klingt die Aufzeichnung in den
Höhen undurchsichtiger als das Original. In besonders
ungünstigen Fällen können sehr störende
Geräusche auftreten (z. B. "Spratzen" bei weiblicher
Sprache).
Da beide Größen über den Vormagnetisierungs-Arbeitspunkt
und die Höhenentzerrungszeitkonstanten eng zusammenhängen,
soll im folgenden versucht werden, die Entzerrungszeitkonstante
für einen möglichst großen Geräuschspannungsabstand
und für eine vorgegebene Höhenaussteuerbarkeit zu
ermitteln. Die Optimierung wird für die Bandgeschwindigkeiten
v = 9,5 cm/s und v = 19 cm/s durchgeführt.
Die Definition der Höhenaussteuerbarkeit
Während der Ruhegeräuschspannungsabstand eines Tonbandgerätes
seit langem über den Vollaussteuerungspegel (gemessen
bei f = 333 Hz und einem kubischen Klirrfaktor k3
= 3 %) und den Pegel der Ruhegeräuschspannung eindeutig
definiert ist, scheidet für die Definition der Höhenaussteuerbarkeit
die Verwendung des Klirrfaktors aus, weil die Klirrspektren
außerhalb des Ubertragungsbereiches liegen und damit
die übliche Klirrfaktormessung viel zu niedrige Klirrfaktoren
vortäuscht.
Wegen dieser Schwierigkeit gibt es für die Höhenaussteuerbarkeit
mehrere, zum Teil sehr unterschiedliche Meßmethoden,
die hier kurz erläutert werden sollen.
Festlegung über die Abweichung
von der linearen Aussteuerungskennlinie
Der Wiedergabepegel eines Tonbandgerätes hat in Abhängigkeit
vom Aufnahmepegel (z. B. gemessen an der Aufnahme-Buchse)
den in Bild 1 gezeigten Verlauf.
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 Die
Kurve zeigt das bekannte Sättigungsverhalten des Magnetbandspeichers.
Man hat nun auf rein empirischem Wege bei tiefen Frequenzen
gefunden, daß eine Abweichung um 1,0 dB vom linearen Verlauf
einem Klirrfaktor von k3 = 3 % entspricht. Analog
hierzu legt man fest, daß die Höhenaussteuerbarkeit
durch den Punkt bestimmt wird, in dem die Aussteuerungskurve
um 1,0 dB vom linearen Fall abweicht.
Meßtechnisch erfordert diese Definition die sorgfältige
Aufnahme der Aussteuerungskurve über einen ausreichenden
Pegelbereich. Besonders bei kleinen Bandgeschwindigkeiten ist
die Messung nicht unproblematisch, weil der Wiedergabepegel
erheblich schwanken kann.
Definition der Höhenaussteuerbarkeit
über den maximalen Pegel
Da die Methode über die Aussteuerungskennlinie meßtechnisch
nicht unproblematisch ist, benutzt man als eine weitere, meßtechnisch
sehr einfache Definition der Höhenaussteuerbarkeit das
Maximum der Aussteuerungskurve aus Bild 1. Diese Methode führt
insbesondere bei Geräten mit kombiniertem AW-Kopf schnell
zum Ziel: Bei der Aufnahme wird der Pegel des 10-kHz-Signals
um ca. 10 dB variiert; bei der Wiedergabe wird der maximale
Pegel notiert. Für die Messung genügen ein einfacher
Tongenerator und ein Nf-Voltmeter.
Definition der Höhenaussteuerbarkeit
über die Differenztondämprung
Wie bereits weiter oben gesagt wurde, ist die direkte Messung
des Klirrfaktors k3 nach den üblichen Methoden bei hohen
Frequenzen nicht sinnvoll. Dagegen ist aber eine Messung der
Differenztonverzerrungen nach der Zweiton-Methode möglich,
die als eine allgemeine Darstellung der Klirrverzerrungen aufgefaßt
werden kann.
Geht man von einem Klirrfaktor k3 = 3 % bei tiefen
Frequenzen entsprechend einer Klirrdämpfung von 30,5 dB
aus, dann beträgt die hierzu gehörende Differenztondämpfung
- wie bewiesen werden kann - 20,5 dB. Der einfachen Messung
wegen rundet man diesen Wert auf 20 dB ab.
Meßtechnisch erfordert die Differenztonmessung einigen
Aufwand, weil zur Bestimmung der Differenztöne ein selektives
Voltmeter notwendig ist.
Die Meßwerte, die man nach diesen drei Methoden erhält,
unterscheiden sich bei 10 kHz je nach Bandgeschwindigkeit nur
um 1 bis 2 dB. Wegen der einfachen Messung wird deshalb in DIN
45 500, Bl. 4, die zweite Methode (über den maximalen Pegel)
für die Definition der Höhenaussteuerbarkeit benutzt.
Die Norm fordert eine maximale Abnahme der Aussteuerbarkeit
von
A10/333 =15 dB
bei 10 kHz, bezogen auf den Vollaussteuerungspegel bei 333 Hz.
D. h., stünde bei 333 Hz ein Aussteuerbereich von 56 dB
zur Verfügung, so müßten für ein 10-kHz-Signal
mindestens 41 dB vorhanden sein.
Anforderungen an die Höhenaussteuerbarkeit
Die maximale Verringerung der Aussteuerbarkeit um 15 dB bei
10 kHz, bezogen auf den Vollaussteuerungspegel bei 333 Hz, ergibt
bereits für eine Reihe von Anwendungsfällen eine befriedigende
Hi-Fi-Qualität, vorausgesetzt, daß auch die übrigen
Parameter ein entsprechendes Niveau erreichen. Die erforderliche
Höhenaussteuerbarkeit hängt zunächst einmal vom
Amplitudenspektrum der aufzuzeichnenden Musik und Sprache ab.
Hierzu sind in [1] sehr ausführliche statistische Untersuchungen
über das Amplitudenspektrum des Programms NDR 2 durchgeführt
worden, die eine Verringerung der Höhenaussteuerbarkeit
um maximal 15 dB als gerade brauchbar erscheinen lassen.
Auf der anderen Seite sind z. B. in [2] Forderungen für
die Höhenaussteuerbarkeit aufgestellt worden, die weit
über die Mindestanforderungen nach DIN 45 500, Bl. 4, hinausgehen.
Wegen der Vielschichtigkeit dieses Problems soll deshalb die
Optimierung nicht nur für einen, sondern für mehrere
Werte der Höhenaussteuerbarkeit durchgeführt werden.
Zusammenhang zwischen Geräuschspannungsabständ,
Höhenaussteuerbarkeit und Entzerrungszeitkonstante
Die Methode
Gesucht ist die Größe des Geräuschspannungsabstandes
als Funktion der Entzerrungszeitkonstante, und zwar für
eine vorgegebene, auf den Vollaussteuerungspegel bezogene Höhenaussteuerbarkeit
bei 10 kHz. Als Ausgangsdaten sollen hierfür die Meßwerte
der Bandhersteller benutzt werden, die allerdings in einer für
die Lösung dieser Aufgabe noch nicht vollständigen
Darstellung vorliegen (Bild 2 und 3). Die Daten sind mit einem
normgerecht entzerrten Gerät ermittelt, und zwar beträgt
die Entzerrungszeitkonstante τ = 90 µs bei v = 9,5 cm/s und
τ = 50 µs bei v = 19 cm/s. |
Bild 1. Wiedergabepegel
als Funktion des Aufsprechpegels |
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| Bild 2. Wiedergabepegel
und Geräuschspannung als Funktion des Vormagnetisierungsstromes
iv bei 9,5 cm/s |
Bild 3. Wiedergabepegel
und Geräuschspannung als Funktion des Vormagnetisierungsstromes
iv bei 19 cm/s |
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Die einzelnen Größen haben folgende
Bedeutung:
| A333 = |
Vollaussteuerungspegel bei
333 Hz, gemessen bei einem Klirrfaktor k3 =
3 % und bezogen auf den Bandfluß-Bezugspegel 250
nWb/m (v = 9,5 cm/s) bzw. 320 nWb/m (v = 19 cm/s). |
| A10 = |
maximaler Pegel bei 10 kHz,
gemessen nach der Methode über den maximalen Pegel
und bezogen auf den jeweiligen Bezugspegel. |
| DRG = |
Ruhegeräuschspannungspegel,
bezogen auf den jeweiligen Bezugspegel. Die Messung der
Geräuschspannung erfolgt nach DIN 45 512, Blatt 2
(bewertete Spitzenspannungsmessung nach DIN 45 405, inzwischen
ersetzt durch Effektivwertmessung gemäß IEC
268-3). |
Der verwendete Sprechkopf hat eine Spaltbreite von 5 µm
und eine Spurbreite von 2,2 mm.
Da die Daten nur als Funktion des Vormagnetisierungsstromes
iv gegeben sind, wird die Größe iv
als Hilfsvariable benutzt. In einem Beispiel soll der Geräuschspannungsabstand
und die zugehörige Entzerrungszeitkonstante für den
Vormagnetisierungsstrom iv = 0 dB und die Bandgeschwindigkeit
v = 9,5 cm/s bestimmt werden. Die auf den Vollaussteuerungspegel
bezogene Abnahme der Aussteuerbarkeit A10/333 sei mit 15 dB
vorgegeben (Mindestwert aus DIN 45 500, Bl. 4). Aus Bild 2 entnimmt
man für iv = 0 dB folgende Werte:
A333 = 6,7 dB
A10 = - 5,0 dB
DRG = 50,8 dB
Hieraus erhält man eine Abnahme der Aussteuerbarkeit von
A10/333 = 5,0 dB + 6,7 dB = 11,7 dB. Dieser Wert
ist besser als der vorgegebene Wert von 15 dB.
Man muß deshalb die Entzerrung so ändern, daß
sich die gewünschte Höhenaussteuerbarkeit einstellt.
Hierzu betrachtet man Bild 4, das den Frequenzgang eines Wiedergabeverstärkers
zeigt (die Eisenverluste des Wiedergabekopfes sind nicht berücksichtigt,
weil sie bei dieser Betrachtung keinen Einfluß auf das
Ergebnis haben).
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 Zur
Kurve 1 in Bild 4 gehört die Zeitkonstante τ = 90 µs-
Dem maximalen Pegel bei 10 kHz entspricht ein bestimmter maximaler
Bandfluß, dessen Größe typisch für das
Band ist. Damit ist aber auch das Verhältnis zwischen maximalem
Bandfiuß bei 10 kHz und dem Vollaussteuerungs-Bandfluß
bei 333 Hz fest vorgegeben. Eine Verringerung der Aussteuerbarkeit
von 11,7 dB auf 15 dB kann deshalb nur durch eine zusätzliche
Absenkung des Wiedergabe-Frequenzganges um 3,3 dB bei 10 kHz
erfolgen. Man erhält so Kurve 2 mit der neuen Zeitkonstante
τ2, die sich explizit aus der Absenkung von 3,3
dB berechnen läßt. Hierzu benötigt man den Frequenzgang
des Wiedergabeverstärkers für eine beliebige Zeitkonstante
τ: |
Bild 4. Frequenzgang
eines Wiedergabeverstärkers mit den Entzerrungszeitkonstanten
τ1 = 90 µs und τ2 = 60,4 µs |
Für zwei verschiedene Zeitkonstanten τ1 und τ2
ergibt sich hieraus ein Spannungsverhältnis
Da das Spannungsverhältnis u (f, τ1)/u (f,
τ2) als Pegelmaß -Δ A vorliegt, muß
Gleichung (2) logarithmiert werden:
Oder nach τ2 aufgelöst:
Für τ1 = 90 µs folgt hieraus
In diesem speziellen Beispiel erhält man mit Δ A
= - 3,3 dB aus Gleichung (5) die Zeitkonstante
τ2 = 60,4 µs
Da die höheren Frequenzanteile bei dieser Zeitkonstante
(Kurve 2 in Bild 4) stärker abgesenkt werden als bei τ1
= 90 µs, ändert sich auch der Ruhegeräuschspannungsabstand,
bezogen auf den Bandfluß-Bezugspegel. Die Änderung
der Geräuschspannung als Funktion der Zeitkonstante ist
in Bild 5 dargestellt, und zwar gemessen für die DIN-Leerband-Bezugscharge
DP 26 LH C 264 Z und die Bandgeschwindigkeiten v = 9,5 cm/s
bzw. 19 cm/s. Für τ2 = 60,4 µs ermittelt man aus Bild
5 eine Veränderung des Geräuschspannungsabstandes
um
ΔDRG = + 2,4 dB
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Bild 5. Änderung
der Geräuschspannung als Funktion der Höhenentzerrungszeitkonstante |
Damit hat man alle Größen beisammen,
um dem Geräuschspannungsabstand für die vorgegebene
Verringerung der Aussteuerbarkeit um A10/333 = 15 dB zu ermitteln.
Er beträgt bei τ = 60,4 µs
| D |
= A333 + DRG
+ ΔDRG
= 6,7 dB + 50,8 dB + 2,4 dB
= 59,9 dB |
Dieser Rechengang wird für verschiedene Vormagnetisierungsströme
iv und verschiedene bezogene Höhenaussteuerbarkeiten
wiederholt. Die Ergebnisse sind in Bild 6 (v = 9,5 cm/s) und
Bild 7 (v = 19 cm/s) dargestellt. |
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| Bild 6. Geräuschspannungsabstand
(Dynamik) als Funktion des Vormagnetisierungsstromes iv
bei 9,5 cm/s. Parameter ist die Verringerung der Aussteuerbarkeit
A10/333 um 6, 9, 12 und 15 dB |
Bild 7. Geräuschspannungsabstand
(Dynamik) als Funktion des Vormagnetisierungsstromes io
bei 19 cm/s. Parameter ist die Verringerung der Aussteuerbarkeit
A10/333 um 3, 6 und 9 dB |
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Diskussion der Ergebnisse
Die Kurven des Geräuschspannungsabstandes zeigen ein
Maximum, das bei der Bandgeschwindigkeit v = 19 cm/s relativ
flach ist. Ob die Optimierung überhaupt erfolgreich war,
läßt sich auf folgende Weise überprüfen:
Die Verminderung der Aussteuerbarkeit bei 10 kHz von z. B.
15 dB auf 12 dB könnte auch erreicht werden, indem man
bei tieferen Frequenzen um 3 dB weniger aussteuert. In diesem
Fall verringert sich der Geräuschspannungsabstand um
3 dB. Betrachtet man die Kurven in Bild 6 und 7, dann erkennt
man, daß die Verringerung des Geräuschspannungsabstandes
z. T. wesentlich kleiner ist als die Verbesserung der Höhenaussteuerbarkeit.
Insbesondere bei v = 19 cm/s beträgt die Minderung des
Geräuschspannungsabstandes nur etwa die Hälfte der
Verbesserung der Höhenaussteuerbarkeit. Die Optimierung
war also erfolgreich.
Weiterhin kann man prüfen, ob die z. Z. genormten Entzerrungszeitkonstanten
- τ = 90 µs für v = 9,5 cm/s und τ = 50
µs für v = 19 cm/s - die heutigen Magnetbänder
optimal zu nutzen gestatten. Bei der Bandgeschwindigkeit v
= 9,5 cm/s (Bild 6) erhält man für A = 9 dB und
die genormte Zeitkonstante τ = 90 µs einen Arbeitspunkt,
der schon recht nah beim Maximum des Geräuschspannungsabstandes
liegt.
Will man den Geräuschspannungsabstand auf Kosten der
Höhenaussteuerbarkeit und unter Beibehaltung der Zeitkonstanten
τ = 90 µs verbessern, dann gelangt man zu Arbeitspunkten,
die immer weiter vom Maximum des Geräuschspannungsabstandes
entfernt liegen. Optimale Arbeitspunkte sind in diesem Fall
nur zu erreichen, wenn auch die Entzerrungszeitkonstante geändert
wird. Bild 6 entnimmt man z. B. für A = 12 dB, iv
= -2 dB und τ = 55,4 µs eine Verbesserung des Geräuschspannungsabstandes
um ca. 1,5 dB gegenüber dem Arbeitspunkt A = 12 dB, iv
= 0 dB und τ = 90 µs. Allerdings wird im neuen Arbeitspunkt
die Gefahr von Aussetzern wegen des geringeren Hf-Vormagnetisierungsstroms
etwas größer.
Zusammenfassend kann man sagen, daß die Zeitkonstante
τ = 90 µs für eine gute Höhenaussteuerbarkeit
durchaus optimal ist. Für eine Auslegung bezüglich
eines großen Geräuschspannungsabstandes auf Kosten
geringer Höhenaussteuerbarkeit ergibt die gültige
Zeitkonstante τ = 90 µs jedoch keine optimalen Arbeitspunkte.
Insgesamt darf man aber den Nutzen einer Verbesserung des
Geräuschspannungsabstandes nicht überschätzen,
wenn der Zahlenwert erst einmal deutlich über 55 dB liegt.
Im allgemeinen stehen dem Tonbandamateur nämlich nur
Signalquellen zur Verfügung, deren Ruhegeräuschspannungsabstand
betriebsmäßig eher bei 50 dB und darunter als bei
55 dB liegt. Andererseits zeigt ein sorgfältiger AB-Vergleich
bei v = 9,5 cm/s und üblicher Geräteauslegung, daß
die Durchsichtigkeit von Passagen mit starken Signalanteilen
in den Höhen gegenüber dem "Original"
abnimmt. Dieser Punkt spricht eindeutig dafür, die Verringerung
der Aussteuerbarkeit bei hohen Frequenzen nicht zu groß
zu wählen oder gar an die von der Norm zugelassene Grenze
von 15 dB heranzugehen. Der Wert von 15 dB ist in der Norm
DIN 45 500, Bl. 4, eindeutig als eine Grenze definiert, die
auch unter Einbeziehung der Gerätetoleranzen eingehalten
werden muß. Außerdem darf die Höhenaussteuerbarkeit
eines Hi-Fi-Tonbandes nach DIN 45 500, Bl. 9, um 2 dB geringer
sein als die des DIN-Bezugsbandleerteiles, so daß sich
im praktischen Betrieb der Wert von 15 dB bis auf 17 dB verschlechtern
kann.
Bei der Bandgeschwindigkeit v = 19 cm/s ist der Arbeitspunkt
mit iv = -1 dB und τ = 50 µs bei einer
Verringerung der Aussteuerbarkeit von A = 3 dB nahezu optimal.
Eine Vergrößerung des Geräuschspannungsabstandes
auf Kosten der Höhenaussteuerbarkeit erscheint nicht
sinnvoll, weil der Geräuschspannungsabstand sowieso schon
größer als 60 dB ist. Ein Vergleich von Bild 6
und Bild 7 zeigt deutlich die Verbesserung des Geräuschspannungsabstandes,
die man beim Übergang auf die höhere Bandgeschwindigkeit
erzielt. Für eine Verringerung der Aussteuerbarkeit von
A = 6 dB ist der maximal erreichbare Geräuschspannungsabstand
bei v = 19 cm/s bereits 7 dB größer als bei v =
9,5 cm/s. Dabei ist noch nicht berücksichtigt, daß
der optimale Arbeitspunkt bei v = 9,5 cm/s kaum nutzbar ist.
Die übliche Auslegung von Tonbandgeräten ergibt
einen wesentlich kleineren Unterschied des Geräuschspannungsabstandes.
Dafür ist aber die Höhenaussteuerbarkeit bei v =
9,5 cm/s erheblich geringer als bei v = 19 cm/s.
Zum Schluß sollen noch drei Punkte gestreift werden,
die bisher nicht berücksichtigt wurden:
- Alle Überlegungen gelten selbstverständlich
entsprechend für andere Spurbreiten als die zugrundegelegte
Breite von 2,2 mm. Der relative Verlauf der Kurven in Bild
6 und 7 bleibt erhalten, es ändert sich nur die absolute
Größe des Ruhegeräuschspannungsabstandes.
- Auf dem Markt werden seit kurzem Bänder angeboten,
deren elektroakustische Eigenschaften gegenüber dem
DIN-Bezugsbandleerteil noch einmal deutlich verbessert
sind, insbesondere in bezug auf die Aussteuerbarkeit. Die
Aussteuerbarkeit nimmt bei tiefen und hohen Frequenzen etwa
gleich viel zu, so daß die Kurven in Bild 6 und 7
in erster Näherung nur um die Verbesserung des Geräuschspannungsabstandes
nach oben verschoben werden.
- Die Ruhegeräuschspannung wird bei Heimtonbandgeräten
nicht mehr nach DIN 45 405 (bewertete Spitzenspannungsmessung),
sondern nach IEC 268-3 (Effektivwertmessung, Bewertung durch
die A-Kurve) gemessen. Diese Änderung beeinflußt
den relativen Verlauf der Kurven in Bild 6 und 7 jedoch
nur unwesentlich. Dafür verbessern sich alle Zahlenwerte
des Ruhegeräuschspannungsabstandes um etwa 9 dB.
Literatur
| [1] |
Jakubowski, H.: Analyse des
Programm-Materials des Hörrundfunks. Rundfunktechnische
Mitteilungen Band 15 (1971), Heft 6, Seite 275...284. |
| [2] |
McKnight, J. G.: The distribution
of peak energy in recorded music. and its relation to
magnetic Recording System. Journal of the Audio Engineering
Society Band 7 (1959), Heft 2, Seite 60...71. |
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 Dr.
Ing. Arnold Glaab studierte an der technischen Hochschule in
Darmstadt. Nach dem Eintritt in die Firma Grundig AG im Jahre
1970 arbeitete er auf dem Gebiet der Vorentwicklung für
Tonbandgeräte und leitet seit 1973 das Labor 1 für
die Entwicklung von Lautsprechersystemen, Lautsprecher-Boxen,
Autosuper und Reisesuper. |
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aus: Funkschau 17/1976, Seite
711ff.
Herzlichen Dank an die
Funkschau für die Erlaubnis, diesen Artikel hier zu
veröffentlichen. |
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