DE594976C

DE594976C - Verfahren zur besseren Ausnutzung des UEbertragungsweges

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Publication number: DE594976C
Application number: DESCH97017D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1932-02-27
Filing date: 1932-02-27
Publication date: 1934-03-27

Description

Nach, den Untersuchungen von C. Stumpf (»Die Sprachlaute«, 1926, bei Springer erschienen.), K. W. Wagner und anderen Forschern ist die menschliche Sprache in erster Linie harmonisch aufgebaut, d. h. für einen bestimmten Augenblick sind ein Grundton (Stimmbandschwingung) und die ein ganzzahliges Vielfaches dieses Grundtones darstellenden Teiltöne, auch höhere Harmonische genannt, vorhanden.

Bei der Männerstimme liegt der Grundton im allgemeinen zwischen 90 und 150 Hz, bei der Frauenstimme zwischen 180 und 300 Hz, d. h. etwa eine Oktave höher.

Bisher wurde in der Fernsprechtechnik ein Freuqenzband von 300 bis 2400 Hz übertragen. Obwohl nun für einen bestimmten Zeitmoment nur diskrete Frequenzen, nämlich der Grundton und seine höhere Harmonische, vorhanden sind, \yar es bisher erforderlich, das ganze Frequenzband zu übertragen, da diese Harmonie der Sprache nur für einen Zeitmoment, wie schon erwähnt, gilt. Während des Sprechens hebt und senkt sich die Stimme

(z. B. am Wortanfang und Wortende), und damit wandert das ganze Frequenzspektrum. Ferner ist auch die Stimmlage (Stimmbandsdhwingung) der 'einzelnen Personen verschieden.

Mit Rücksicht auf diese Tatsachen ist es daher unmöglich, eine Ersparnis an Frequenzbandbreite auf dem Übertragungswege zu erzielen, wenn man auf eine möglichst naturgetreue Wiedergabe der Sprache großen Wert legt.

Es läßt sich ganz allgemein sagen, daß bei der Forderung einer in jeder Hinsicht originalgetreuen Wiedergabe der Sprache an Frequenzband nichts eingespart werden kann. Die Hauptmerkmale einer originalgetreuen Übertragung sind:

1. Richtige Wiedergabe des Einschwingvorganges, durch den besonders die dem Selbstlaut vorangehenden und nachfolgenden Konsonanten charakterisiert werden (siehe Backhaus, Z. f. techn. Physik 1932, 8.31, »Über die Bedeutung der Ausgleichsvorgänge in der Akustik«).

2. Richtige Wiedergabe der Amplitudenverhältnisse innerhalb des Frequenzspektrums, da hiervon besonders die Unterscheidung der einzelnen Selbstlaute voneinander abhängt..

3. Richtige Wiedergabe der Frequenzlage der einzelnen Frequenzen; hierdurch wird der persönliche Charakter des Sprechenden gewahrt (tiefe oder hohe Stimmbandschwingung). . ■

Für eine gute Silbenverständlichkeit sind nur die beiden ersten Erfordernisse von Bedeutung. Es läßt sich daher einsehen, daß man bei Verzicht auf die unter 3 genannte besondere Charakterisierung des Sprechers, d. h. bei Anwendung von normalisierter Sprache, am Empfangsende einen Frequenzbandgewinn erzielen kann. Unter normali- sierter Sprache ist hierbei zu verstehen die

Zusammensetzung des Sprachfrequenzbandes aus einzelnen festen Frequenzen, deren Amplitudenumhüllende der Umhüllenden der ursprünglichen Sprache sehr angenähert ist. Für den kommerziellen Verkehr genügt es im allgemeinen, wenn bei der Sprachübertragung eine gute Silbenverständlichkeit, d. h. gute Verständigung, erzielt wird, ohne daß man also besonderen Wert darauf legt, den ίο anderen Gesprächsteilnehmer an der ihm eigentümlichen Klangfarbe seiner Stimme zu erkennen.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es nun, unter Verzicht auf die beim Sprechen ig eintretenden Frequenzschwarikungen (z. B. das Senken der Stimme am Satzende) und unter Verzicht auf die jedem Sprecher oder jeder Sprecherin eigentümliche Klangfarbe eine wesentliche Ersparnis an Frequenzbandbreite des Übertragungsweges zu erzielen, wenn man sich auf die Übertragung eines Spektrums einzelner harmonischer Frequenzen mit ihrer näheren Umgebung beschränkt, deren Amplituden durch die Sprache gesteuert werden.

Die Wirkungsweise der Erfindung läßt sich am besten an Hand des beigefügten Schaltungsbeispiels (Abb. i) und des Frequenzbildes (Abb. 2) erläutern.

Gemäß Abb. 1 wird ein bestimmtes Frequenzspektrum, dargestellt in Spalte a der Abb. i, auf eine Reihe von Bandfiltern Bp verteilt. Diese haben zur Erzielung genügend kleiner Einschwingzeiten eine ziemlich große Bandbreite von z.B. 160 Hz. Es ist in diesem Beispiel angenommen, daß die Stimmbandschwingung der männlichen Sprache bei 120 Hz und die der weiblichen Sprache bei 240 Hz liegt. Die Filterbereiche sollen sich daher um folgende Schwerpunktfrequenzen 120, 240, 360, 480 usw. gruppieren. Legt man die Eckfrequenzen der Bandfilter jeweils um 80 Hz nach oben bzw. nach unten, so ergibt sich die in Spalte b dargestellte Aufteilung der Bandfilter Bp 1 bis Bp 20. Es sind also in diesem Falle 20 Bandfilter erforderlich. Die durch die Bandfilter hindurchgelassenen Frequenzbereiche erfassen alle vom Sprecher kommenden Sprachschwingungen, da sich hier die einzelnen Bereiche überlappen. Der Energieinhalt eines Bandfilterbereiches dient dann zur Steuerung einer ihm fest zugeordneten, aber sonst beliebigen Frequenz.

Die in Kanäle aufgeteilte Sprache gelangt nun zu Steuerorganen M1 bis M 20. Diese sind 'derart beschaffen, daß sie bei fehlender Eingangswechselspannung an ihrem Ausgang keine Spannung abgeben. Trifft jedoch eine 6σ vom Bandfilter durchgelassene Spannung auf das Steuerorgan, z. B. auf Mi, so läßt dieser

z. B. mit Hilfe einer Gitterspannungsverlagerung die Frequenz von 51 Hz auf die Leitung. Die Amplitude dieser Frequenz wird hierbei durch die Amplitude des durch das Bandfilter Bp 1 durchgelassenen Sprachteilgebietes bestimmt. Dieser Vorgang ist für einen bestimmten Augenblick in Spalte c dargestellt.

Will man auch sehr kleine Amplituden gut übertragen und sich genügend weit vom Störpegel des Übertragungsweges entfernt halten, so ist es zweckmäßig, das Verfahren folgendermaßen abzuändern. Auf der Sendeseite werden dauernd alle Frequenzen gegeben und nur im Takte der auftretenden Sprachschwingungen geschwächt. Auf der Empfangsseite werden nur dann Ausgangsspannungen an den Steuerorganen Mi bis M20 auftreten, wenn die Eingangsspannungen sich im Takte der übertragenen Schwingungen erniedrigen. Mit Hilfe dieser doppelten Umkehrung wird also ebenfalls eine amplitudengetreue Übertragung der Sprache gewährleistet.

In Spalte d sieht man die einzelnen Hilfsfrequenzen, die auf den Übertragungsweg gegeben werden. Die Umhüllende des Frequenzspektrums entspricht der Umhüllenden in Spaltea, das. Spektrum ist jedoch auf weniger als die Hälfte zusammengedrängt. Grundsätzlich ist es möglich, noch eine weitere Zusammenschiebung der Frequenzen vorzunehmen. Eine Grenze ist allerdings durch die bei der Amplitudensteuerung auftretenden Seitenbänder gegeben, die aber mit Rücksicht auf die verhältnismäßig langsam sich ändernden Sprachlaute schmal sind. Sollte trotzdem durch einen Explosionslaut (z. B. p, t usw.) ein etwas breiteres Seiten- ¹O⁰ band entstehen, so wird nur die nächste Umgebung, d. h. die beiden benachbarten Frequenzen, etwas verändert, wodurch der Klang eine etwas andere Farbe erhält.

Die Entstehung der Seitenbänder geht aus folgenden Überlegungen hervor.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jeweils eine diskrete Frequenz durch den Integralwert des ihm zugeordneten Teilgebietes gesteuert. Dieser Integralwert ist aber nicht konstant. Er ist bei Sprechpausen zwischen den einzelnen Worten gleich Null. Innerhalb einer Silbe schwingt der Integralwert des Frequenzteilgebietes ein und wieder aus. Gerade die Art dieses Ein- und Ausschwingens ist für das Erfassen der Konsonanten, deren Hauptformanten jenseits Hz liegen und im allgemeinen daher nicht mit übertragen werden, wichtig (Backhaus, Z. f. techn. Phys., 1932, S. 31, »Über die Bedeutung der Ausgleichsvorgänge in der Akustik«).

Die diskrete Frequenz von 51 Hz z.B. (Abb. 1) wird dementsprechend durch den Integralwert der in den Durchlaßbereich des Bandpasses Bp 1 (40 bis 200 Hz) faxenden Leistung ausgesteuert. In den Bereich von 40 bis 200Hz fällt hier z.B. die männliche Stimmbandschwingung. Diese Leistung des Frequenzteilgebietes schwankt, wie oben erwähnt. Der Anstieg des Integralwertes ist

z. B. ein anderer bei der Silbe ta als bei der Silbe ba. Der Aufbau des Hauptformantbereiches für den Vokal a erfolgt, zeitlich betrachtet, nach einem anderen Gesetz je nach dem vorausgehenden Konsonanten.

In diesem Fall wird das Erreichen des Endwertes der Grundfrequenz (Stimmbandfrequenz) je nach dem vorausgehenden Konsonanten gegenüber der Erreichung des Endwertes anderer Frequenzteilgebiete jeweils andere Einschwingzeiten erfordern. Das Einschwingen des Grundtones kann dabei aperiodisch oder periodisch erfolgen. Das periodische Einschwingen dürfte jedoch im allgemeinen häufiger sein.

Aus diesen Ausführungen geht hervor, daß die Steuerung der diskreten Frequenzen (bzw. Hilfsfrequenzen) sich genau dem Einschwingvorgang des Integrälwertes in den entsprechenden Frequenzteilgebieten anpassen muß.

Die Steuerung einer festen Frequenz in irgendeinem bestimmten Rhythmus, der niedriger als die zu steuernde Frequenz liegt, hat nun aber stets den Charakter einer Modulation, d. h. die sich in einem bestimmten Rhythmus ändernde Amplitude der zu steuernden Frequenz läßt sich physikalisch darstellen als eine feste Frequenz (zu steuernde Frequenz) und zwei ihr zugeordnete Seitenbänder. Die Breite dieser Seitenbänder bzw. der Abstand von der zu steuernden Frequenz ist durch die bekannte Beziehung gegeben: Abstand in Hz == Frequenz der zu steuernden Frequenz J^ Frequenz des steuernden Rhythmus.

Der steuernde Rhythmus wird immer eine sehr niedrige Frequenz besitzen, so daß die Seitenbänder schmal werden. Der Artikel von Backhaus läßt erkennen, daß die Einschwingvorgänge der einzelnen Frequenzteilgebiete verhältnismäßig langsam vor sich gehen.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß es sich zwar um einen Modulationsvorgang handelt. Dieser weicht jedoch von den bisherigen üblichen Modulationsverfahren insofern ab, daß nicht eine feste Frequenz mit einer ursprünglichen FYequenz moduliert wird, sondern mit der Frequenz der Änderung des Energieinhaltes eines Frequenzteilgebietes. Man erhält daher bei dem erfindungsgemäßen Modulationsverfahren zwar auch Seitenbänder. Diese stehen jedoch nicht in Zusammenhang -mit den Frequenzen der ursprünglichen Frequenzen, sondern der Abstand der Seitenbänder ist abhängig von deren Ein- und Ausschwingen der ursprünglichen Frequenzen, d. h. von ihrer Amplitudenänderung.

Die festen Frequenzen der Steuerorgane sind absichtlich als ganzzahliges Vielfaches eines Grundtones (z.B. von 51 Hz) gewählt, um Störungen durch unterwegs auftretende nicht lineare Verzerrungen zu verhindern. Erforderlich ist jedoch diese Maßnahme nicht, wenn man mit einem verzerrungsfreien Übertragungsweg rechnen kann.

Am Ende des Übertragungsweges gelangt das formgetreue Frequenzspektrum (Spalte d) auf die Bandfilter Bp 1 usw. und von da auf die Steuerorgane Ml', M2' usw. bis M20'. Hier lösen die Eingangswechselspannungen ein amplitudengetreues, wieder in die natürliche Lage zurück verwandeltes Frequenzspektrum aus, wie in Spalte e und f gezeigt ist.

Die Schaltung läßt noch einige Vereinfachungen zu. So ist z. B. nicht erforderlich, alle 20 Frequenzen der Steuerorgane zu übertragen. Es dürfte genügen, die Frequenzen go um die Formantbereiche herum zu übertragen. Man könnte für die weggelassenen Bereiche (es sei z. B. der Bereich von 1400 bis 1800 Hz nicht mit übertragen) andere Bereiche, z. B. 2600 bis 3000 Hz, übertragen.

Man kann auch die Zahl der Bandfilter verringern, indem man die Durchlaßbereiche verbreitert und so mit einem Bandfilter eine Gruppe von Hilf sfrequenzen steuert. Weiterhin ist es nicht erforderlich, die Frequenzen der Steuerorgane gegenüber den Mittelfrequenzen der Bandfilter Bp 1, Bp 2. usw. herabzusetzen. Man könnte auch die Mittelfrequenzen der Bandfilter (120, 240, 360 usw. Hz) als feste Frequenzen der Steuerorgane Mi, M2 usw. benutzen und müßte dann ein zweites Gespräch mit Frequenzen, die dazwischen liegen (z. B. 100, 220, 340 usw. Hz), übertragen.

Auch auf der Empfangsseite sind gewisse Abweichungen von der harmonischen Lage der festen Frequenzen möglich, d. h. die Frequenzen M 2', M 3' usw. können um einiges von dem theoretischen Wert des ganzzahligen Vielfachen abweichen.

Es ist auch nicht erforderlich, am Ernpr fangsende genau den gleichen Frequenzabstand zu erzielen. Man kann z. B. ohne merkliche Beeinträchtigung der Sprache die Frequenzbandbreite des Sendereingangs von 300 bis 2400 Hz am Empfiängerausgiang auf 300 bis 2500 Hz auseihanderz&ehlen.

Dies bedingt nur eine Klangfarbenänderung die Änderung der Silbenverständlichkeit ist nur geringfügig.

Wollte man ferner entgegen der ursprüngliehen vereinfachenden Annahme, daß auf Klangfarbe und Grundtonschwankung verzichtet werden kann, wenigstens hinsichtlich der Klangfarbe eine größere Natürlichkeit anstreben, so bietet sich hierfür folgende ίο Lösung.

Die Empfangsapparaturen müssen verdoppelt, verdreifacht oder noch mehr vervielfacht werden, je weiter man sich der Natürlichkeit annähern will. Es wird also für jede Stimmlage, z.B. 90, 100, 120, 130, 140, 150, 160 Hz, je ein besonderer Satz an festen Frequenzen vorgesehen. Die Einschaltung des der Stimmbandschwingung des Sprechers am nächsten liegenden Modulatorensatzes müßte dann mit Hilfe einer frequenzgesteuerten elektrischen Weiche erfolgen. Dieser Aufwand an Mitteln dürfte sich jedoch kaum lohnen.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen ^a5 Verfahrens dürfte sich in erster Linie auf alle die Nachrichtenwege 'erstrecken, bei denen der Aufwand einer komplizierten Sende- und Empfangsapparatur durch Ersparung von Frequenzbandbreite wirtschaftliehen Vorteil bietet, so z. B. bei Transozeankabeln, Funkwegen usw.

Die Verringerung der Bandbreite auf dem Übertragungswege kann auf zweierlei Weise nutzbar gemacht werden. In dem einen Falle ist man in der Lage, die Grenzfrequenz entsprechend tiefer zu legen (in diesem Beispiel von etwa 3000 Hz auf 1500 Hz); man bekommt damit den bekannten wirtschaftlichen Vorteil eines größeren Spulenabstandes, was für die Seekabeltechnik sehr erwünscht ist. Im anderen Falle kann man unter Beibehaltung* der ursprünglichen Grenzfrequenz mehrere Bänder (in diesem Beispiel 2) unterbringen. Eine derartige Anordnung ist in Abb. 2 gezeigt. Das Gespräch I erfährt dieselbe Umbildung, wie sie in Abb. 1 dargestellt ist. Das Gespräch II dient zur Steuerung anderer Hilfsfrequenzen (hier von 1151 Hz bis 2171 Hz). Über den Übertragungsweg werden dementsprechend zwei Bereiche diskreter Hilfsfrequenzen, nämlich 51 bis 1020 Hz für Gespräch I und 1151 bis 2171 Hz für Gespräch II, gegeben. Die Zerlegung auf der Empfangsseite erfolgt sinngemäß (s. Spalten e und f in der Abb. 2).

Claims

Patentansprüche:

i. Verfahren zur besseren Ausnutzung

des Übertragungsweges, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte vom Sprecher ausgehende Sprachband oder mindestens die für die Sprachübertragung wichtigen Frequenzgebiete (Formantbereiche) durch teilweise sich überlappende Bandfilter mit geringen Einschwingzeiten in (beispielsweise etwa 20) Teilbänder aufgeteilt wird, deren jeweiliger Energieinhalt zur proportionalen Steuerung der jedem Band zugeordneten, aber sonst in beliebiger Frequenzlage gewählten Hilfsfrequenz bzw. Hilfsfrequenzen dient, so daß nunmehr über den Übertragungsweg lediglich eine Reihe von Hilfsfrequenzen mit ihren durch die Steuerung bedingten, aber verhältnismäßig schmalen Seitenbändern und somit geringerem Bedarf an Bandbreite übermittelt werden, die am anderen Ende des Übertragungsweges einzelne, den Hilfsfrequenzen sinngemäß zugeordnete, von vornherein festgelegte, über das gesamte Sprachgebiet verteilte und dem Energieinhalt der ursprünglichen Teilbänder proportional Frequenzen steuern, derart, daß die Umhüllende des ursprünglichen Sprachfrequenzbandes unter Umständen unter Verzicht auf die Wiedergabe der einer jeden Person eigentümlichen Stimmlage und des beim Sprechen auftretenden Hebens und Senkens der Stimme mit großer Annäherung wieder go gebildet wird (Abb. 1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Gespräch gehörigen diskreten Hilfsfrequenzen der Sendeseite harmonisch oder angenähert harmonisch gelagert sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Gespräch gehörigen diskreten Hilfsfrequenzen der Sendeseite nicht harmonisch gelagert sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe mehrerer Sätze an Hilfsfrequenzen eine Mehrfachausnutzung des Übertragungsweges erfolgt (Abb. 2).
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Frequenzen auf Sende- und Empfangsseite gleich sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Frequenzen auf Sende- und Empfangsseite ungleich sind.
7. Verfahren nach. Anspruch 1, 2 oder

3, 4, s oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Frequenzen auf der Empfangsseite harmonisch oder wenigstens angenähert harmonisch liegen.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei fehlenden Eingangswechselspannungen die Aussendung der Hilfsfrequenzen gesperrt ist

und dementsprechend auch keine Frequenzen der entsprechenden Empfangssteuerorgane durchgelassen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei fehlender Eingangswechselspannung auf der Sendeseite die Hilfsfrequenzen ausgesandt werden und in diesem Falle die Aussendung der festen Frequenzen auf der Empfangsseite sperren.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Anpassung an die Stimmlage des Sprechers oder der Sprecherin mehrere zusätzliche, von der Stimmlage abhängige Steuerfrequenzen vom Sender ausgesandt werden, die am Empfangsende zur Einschaltung des der Stimmlage am meisten angepaßten Satzes an festen Frequenzen dienen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen