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Z Schaltungsanordnung zur multiphkativen Mischung zweier elektrischer
Signale Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur multiplikativen Mischung
zweier elektrischer Signale, bei der der Multiplikationsvorgang in einem weiten
Bereich linear verläuft; sie ist dadurch gekennzeichnet, daß eines der Signale zur
Dauermodulation einer unipolaren Impulsfolge konstanter Amplitude benutzt ist, deren
Folgefrequenz mindestens gleich der doppelten höchsten überhaupt vorkommenden Signalfrequenz
ist, daß einem steuerbaren nichtlinearen Widerstand gegeneinander entkoppelt diese
dauermodulierte Impulsfolge und eine im Rhythmus des anderen Signals schwankende
unipolare Spannung geeigneter Polarität über einen Arbeitswiderstand so zugeführt
wird, daß eine zusätzliche Amplitudenmodulation der dauerrnoduherten Impulse eintritt,
und daß eines oder mehrere der am Arbeitswiderstand entstandenen Modulationsprodukte
über ein elektrisches Filter entnommen werden, Als steuerbarer nichtlinearer Widerstand
kann beispielsweise ein Transistor oder eine Elektronenröhre dienen.
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Die Erfindung beruht auf folgender Überlegung: Die Impulse werden
von den diskreten Augenblickswerten des ersten Signals in ihrer Dauer, von den diskreten
Augenblickswerten des zweiten Signals in ihrer Amplitude moduliert. Die Fläche jedes
Impulses ist also dem Produkt der jew&ligen Augenblickswerte der beiden Signale
proportional. Das gewünschte Modulationsprodukt kann mit Hilfe eines elektrischen
Filters aus dem Spektrum der dauer- und amplitudenmodulierten Impulsfolge ausgesiebt
werden.
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Mit besonderem Vorteil wird eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
beim Vocoder zur Erzeugung besonderer Klangeffekte, z. B. Sprache-Musik-Modulation,
und zur Erzeugung von stimmhaften Zischlauten angewendet. Sie kann außerdem als
Modulator in einem elektronischen Klangerzeuger und als Multiplikator in einem Gerät
zur Ermittlung einer Kreuz- oder Autokorrelationsfunktion dienen.
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Die multiplikative Mischung zweier Signale wird also durch doppelte
Modulation einer Impulsfolge erreicht, derart, daß das eine Signal die Dauer, das
andere Signal die Amplitude der Impulse moduliert. Es ist an sich bekannt, eine
derartige doppelte Modulation einer Impulsfolge zur gleichzeitigen übertragung zweier
Signale zu verwenden. Beispielsweise eignet sich dieses Verfahren für eine stereophonische
Übertragung von zwei Signalen, die im Studio durch zwei getrennte Mikrophone aufgenommen
werden.
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Es ist außerdem bekannt, eine multiplikative Mischung mit Hilfe einer
Mehrgitterröhre, z. B. einer Mischhexode oder einer Oktode, durchzuführen. Dabei
hat in der Regel das eine Signal - die Trägerschwingung - eine konstante
Amplitade. Der für einen linearen Multiplil,--ationsvorgang zulässige Amplitudenbereich
für das andere Signal ist jedoch bei diesem Verfahren verhältnismäßig klein. Demgegenüber
verläuft bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung der Multiplikationsvorgang
in einem weiten Amphtudenbereich linear.
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Die Erfindung wird in folgendem an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 die zeitlichen Vorgänge
bei einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung mit einem Transistor, Fig. 3 eine Anwendung der Schaltungsanordnung
nach Fig. 2 beim Vocoder.
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In den Fig. la und 1 b sind die beiden Signale s
1
und s2 dargestellt, die miteinander multipaiert werden sollen. In vorliegendem
Beispiel ist angenommen, daß das Signalsl annähernd sinusförmig verläuft, während
das Signal s2 im Vergleich zu s 1 ein langsam verlaufender
unipolarer Vorgang ist. Das Signal sl wird zur Dauermodulation einer unipolaren
Impulsfolge benutzt, deren Folgefrequenz f. = 11T0 mindestens gleich der
doppelten höchsten überhaupt vorkommenden Signalfrequenz ist; beim dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Impulsfolgefrequenz f" mehr als doppelt so groß als
die höchste im Signals 1
enthaltene Frequenz Die dauermodulierte Impulsfolge
ist in Fig. lc dargestellt und als Signals3
bezeichnet. Diese dauermodulierte
Impulsfolge s3 wird nun vom Signals 2 zusätzlich in der Amplitude moduliert,
wodurch das Signal s4 entsteht (Fig. ld). Enthält das Signal sl die Frequenz fl,
das Signals2 die Frequenzfg, so treten im Spektrum der dauer-und amplitudenmodulierten
Impulsfolges4 unter anderem die Frequenzen fl und f, ± f2 auf, die
mit Hilfe eines Bandpasses ausgesiebt werden können. Am Ausgang dieses Bandpasses
wird also das Signal s5
erhalten, das dem Punkt der Signale s
1 und s 2 proportional ist.
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In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung zur multiplikativen Mischung
dargestellt, die einen Transistor in Emitterschaltung enthält. Ein Impulsgenerator
G
liefert eine unipolare Impulsfolge konstanter Dauer und Amplitude mit der
Folgefrequenz fo. Diese Impulsfolge wird in der ModulationseinrichtungPDM vom Signal
s 1 (Fig. 1 a) in der Dauer moduliert, wodurch das Signals
3 (Fig. 1 c) entsteht, das als Steuerspannung mit geeigneter Polarität
an der Basis eines Transistors T liegt. Dem Kollektor des Transistors wird über
den Arbeitswiderstand R das unipolare Signal s2 (Fig. lb) mit geeigneter
Polarität zugeführt. Voraussetzung für eine lineare Amplitudenmodulation ist, daß
die dauermodulierten Impulse konstanter Amplitude s3 den Transistor auch
bei den Maximalwerten des Signals s3 bis zu seiner RiL-Kennlinie aussteuern
(mit RIL ist der Leistungsinnenwiderstand bezeichnet, der den Anstieg der Transistorkennlinien
bei kleinen Kollektorspannungen im Kollektorstrom-Kollektorspannungs-Kennlinienfeld
angibt). Am Arbeitswiderstand R entsteht eine dauer- und amplitudenmodulierte Impulsfolge
s4, aus der der Bandpaß B das gewünschte Signals 5 aussiebt.
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Anstatt eines Transistors kann auch eine Elektronenröhre in Kathodenbasisschaltung
benutzt werden, wobei dem Steuergitter das Signal s 3 und der Anode
das Signal s2 zugeführt wird. Voraussetzung für eine lineare Amplitudenmodulation
ist auch hier, daß die Röhre von den dauermodulierten Impulsen konstanter Amplitude
s 3 auch bei den Maximalwerten des Signals s2 bis zu einer
geeigneten Grenzkennlinie - z. B. der RiL-Kennlinie - ausgesteuert
wird (der Leistungswiderstand RIL gibt hierbei den Anstieg der Kennlinien im Anodenstrom-Anodenspannungs-Kennlinienfeld
bei kleineren Anodenspannungen an).
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung
ist der Vocoder. Es ist an sich bekannt, einen Vocoder zur Erzielung besonderer
Klangeffekte zu benutzen; man kann z. B. Sprache mit Musik oder einem Geräusch,
oder Musik mit Musik, oder Sprache mit Sprache usw. modulieren. Im folgenden soll
die Sprache-Musik-Modulation betrachtet werden, die es erlaubt, den Eindruck eines
verständlich sprechenden Orchesters hervorzurufen.
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In Fig. 3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Vocoders
dargestellt. Im Analysator An wird das Signal s 6 - im vorliegenden
Beispiel das Sprachsignal - durch die Bandpässe B, bis B" in Teilbänder (Spektralkanäle)
aufgespalten. Mit Hilfe del Gleichrichter Gr, bis Gr" und der Tiefpässe TP,
bis TP" werden die Einhüllenden der Frequenzband-Teilkomponenten gewonnen, die die
langsamen Schwankungen der Sprachenergie darstellen; diese Einhüllenden bilden die
Signale s2 in den einzelnen Spektralkanälen. Der Synthesator Sy enthält entsprechend
der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 einen Impulsgenerator G, eine Modulationseinrichtung
PDM und in jedem Spektralkanal einen Modulator M, dessen steuerbarer nichtlinearer
Widerstand vorzugsweise von einem Transistor in Emitterschaltung gebildet wird.
Der Modulationseinrichtung PDM wird das Signal sl - im Beispiel das
Musiksignal - zugeführt, das eine Dauermodulation der vom Generator
G gelieferten Impulse bewirkt. Die dauermodulierten Impulse (Signal s3) gelangen
zu den Modulatoren M in den einzelnen Spektralkanälen, wo sie von den Signalen s2
zusätzlich in der Amplitude moduliert werden. Auf diese Weise wird dem musikalischen
Ereignis die Struktur der Sprache aufgeprägt, ohne daß die charakteristischen Kennzeichen
der menschlichen Stimme, die durch die Art des Spektrums gegeben sind, mit übertragen
werden. Die dauer-und amplitudenmodulierten Impulse (Signals 4) werden in
jedem Spektralkanal mit Hilfe der Bandpässe Bi. bis B"" demoduhert, wodurch Signale
s5 erhalten werden. Durch Parallelschaltung der Ausgänge der Bandpässe werden die
Signale s 5 aus den einzelnen Spektralkanälen zusammengefaßt und einem
Speicher-oder Wiedergabegerät T zugeführt.
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Weiterhin kann eine Schaltungsanordnung nach Fig. 2 dazu benutzt werden,
im Synthesator eines zur Sprachübertragung benutzten Vocoders stimmhafte Zischlaute
zu erzeugen. Bekannte Vocoder enthalten als Synthese-Energiequellen einen Impulsgenerator,
der ein - aus der Sprachgrundfrequenz abgeleitetes Linienspektrum für die
stimmhaften Laute liefert, und einen Rauschgenerator, der ein kontinuierliches Spektrum
für die stimmlosen Laute abgibt. Die periodischen Impulse des Impulsgenerators oder
die in Impulse umgewandelten Spannungen des Rauschgenerators werden den Modulatoren
in den Spektralkanälen, jedoch ohne PDM, zugeführt und vom Signal s2 in ihrer Amplitude
verändert. Eine Mischung der periodischen Impulse (Impulsabstand etwa lOms, für
stimmhafte Laute) und der statistisch verteilten Impulse (für Geräuschlaute) zur
Herstellung von stimmhaften Geräuschlauten ist jedoch nicht möglich; zur Wiedergabe
von stimmhaften Geräuschlauten kann nun eine Anordnung nach Fig. 3 benutzt
werden, bei der das Signal sl ein Spektrum aufweist, das aus einem Gemisch des aus
der Sprachgrundfrequenz abgeleiteten Linienspektrums und einem kontinuierlichen
Spektrum besteht.
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Eine Schaltungsanordnung nach Fig. 2 kann auch in einem elektronischen
Klangerzeuger benutzt werden. Das Signal s 1 weist dabei ein zeitlich
konstantes oder veränderliches Spektrum auf, während das Signal s2 automatisch oder
durch Handsteuerung von Tasten gebildet wird.
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Schließlich kann eine Schaltungsanordnung nach Fig. 2 zur Ermittlung
einer Kreuz- oder Autokorrelationsfunktion dienen. Die Autokorrelationsfunktion
y (t) einer Funktion f (t) wird wie folgt berechnet:
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 stellt z. B. das Signalsl die Funktion f(t) und
das Signals2 die gleiche um die Zeit r verschobene Funktion f(t+-r,) dar;
gegebenenfalls erhält das Signal s2 durch Zufügen einer Gleichspannung einen unipolaren
Verlauf. Im Signals 4 ist das Produkt f (t) - f (t
+ T) enthalten,
dessen zeitlicher Mittelwert der Autokorrelationsfunktion
proportional ist; er kann mit Hilfe eines Tiefpasses ausgesiebt werden, wobei gegebenenfalls
die überlagerte Gleichspannung zu kompensieren ist.