DE1122581B - Verfahren und Schaltungsanordnung zur angenaeherten Nachbildung der Kurzzeitspektren von nach dem Vocoderverfahren uebertragenen Sprachsignalen - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zur angenaeherten Nachbildung der Kurzzeitspektren von nach dem Vocoderverfahren uebertragenen SprachsignalenInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
INTERNATIONALE KL.
H 04 j; in
T 19358 VIII a/21a2
ANMELDETAG: 30. NOVEMBER 1960
BEKANNTMACH UNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 25. J A N U A R 1962
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 25. J A N U A R 1962
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur angenäherten Nachbildung der
Kurzzeitspektren von Sprachsignalen, die nach dem Prinzip des Vocoderverfahrens als Hüllkurveninformation
von Frequenzteilbereichen übertragen werden. Hinsichtlich der Übertragung ist vorzugsweise an die
Anwendung der Pulscodemodulation gedacht.
Bei dem bekannten Vocoderverfahren wird eine erhebliche
Einsparung an Übertragungskapazität bei der Übertragung von Sprachsignalen dadurch erzielt,
daß durch Mittelwertsbildung langsam veränderliche Größen, wie z. B. das Kurzzeitspektrum, aus dem
Sprachsignal abgeleitet werden und daß auf der Empfangsseite aus diesen langsam veränderlichen Größen
das ursprüngliche Sprachsignal nachgebildet wird.
Bei dem Vocoderverfahren, dessen Prinzip in Fig. 1 der Zeichnung wiedergegeben ist, wird das von einem
Mikrofon 1 aufgenommene Sprachsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt und nach Verstärkung in
einem Verstärker 2 einem Analysiergerät 3 zugeführt. Dieses Analysiergerät 3 besteht aus einer Anzahl von
Filtern, in denen das in dem Bereich von etwa 300 bis 3200 Hz liegende Sprachsignal in beispielsweise
zehn Frequenzbereiche aufgeteilt wird. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind der Einfachheit
halber lediglich sechs Filter F1 bis F6 dargestellt. Der
mittlere Amplitudenverlauf in diesen Teilbändern wird durch anschließende Gleichrichter und Tiefpässe
4 von beispielsweise 25 Hz Grenzfrequenz ermittelt und als sogenannte Hüllkurveninformation
über die Strecke 5 übertragen. Die Hüllkurvenamplitude Ux in Abhängigkeit von der Zeit t ist in Fig. 1
durch die Kurve 11 beispielsweise wiedergegeben. Diese Hüllkurveninformation in den einzelnen Frequenzbereichen
stellt das sogenannte Kurzzeitspektrum des Sprachsignals dar. Von der Genauigkeit,
mit der dieses Spektrum im Amplitudenumfang und in der Frequenzauflösung übertragen und auf der
Empfangsseite nachgebildet wird, hängt die Qualität der reproduzierten Sprache ab.
Bei dem Vocoderverfahren wird durch eine weitere Analyse aus dem Sprachsignal noch die mittlere Frequenz
der Stimmlippenschwingung bestimmt und diese im Ausgang der Einrichtung 9 auftretende Größe als
sogenannte Erregerinformation übertragen. Während die Hüllkurveninformation für die Verständlichkeit
der übertragenen Sprache wesentlich ist, hängt ihre Natürlichkeit von dieser Erregerinformation ab.
Auf der Empfangsseite wird die Erregerinformation zur Steuerung eines Impulsgenerators 10 verwendet,
dessen Ausgangsimpulse auf die zusammengeschalteten Eingänge eines Filtersatzes 6 gegeben werden.
Verfahren und Schaltungsanordnung zur angenäherten Nachbildung
der Kurzzeitspektren
von nach dem Vocoderverfahren
übertragenen Sprachsignalen
Anmelder: Telefunken
Patentverwertungsgesellschaft m. b. H., Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3
Dr. Oskar Wams, Ulm/Donau, ist als Erfinder genannt worden
Dieser Filtersatz 6, der aus den einzelnen Filtern F11
bis F16 besteht, ist analog aufgebaut dem Analysierfiltersatz
3. Die Ausgangsamplituden dieser Filter werden über Modulatoren M1 bis M6, z. B. Ringmodulatoren,
von der jeweils zugeordneten Hüllkurveninformation gesteuert und die Modulationsprodukte über
einen Summenverstärker 7 auf den Kopfhörer 8 im Ausgang gegeben.
Statistische Auswertungen von Kurzzeitspektren der Sprache haben ergeben, daß sich die Energie in
wenigen Frequenzbereichen konzentriert, wobei diese Frequenzgebiete jedoch eine beliebige Lage im Frequenzumfang
des Sprachsignals annehmen können.
Diese Energieverteilung ermöglicht es nun, eine weitere Einsparung an Übertragungskapazität vorzunehmen.
Die Erfindung besteht demgemäß darin, daß bei einem Verfahren zur angenäherten Nachbildung der
Kurzzeitspektren von nach dem Vocoderverfahren als Hüllkurveninformation von Frequenzteilbereichen
übertragenen Sprachsignalen die Hüllkurveninformation jeweils nur derjenigen Frequenzteilbereiche übertragen
wird, deren Hüllkurvenamplitude einen vorgegebenen Bruchteil der augenblicklichen Gesamthüllkurvenamplitude
des Sprachsignals überschreitet. Ein Verlust an Information tritt bei dieser Einsparung
praktisch nicht auf, weil die nach der erfindungsgemäßen Auswahl weggelassene Übertragung von
Teilbereichen praktisch weder die Verständlichkeit noch die Natürlichkeit der übertragenen Sprache beeinflußt.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Hüllkurveninformation
nur derjenigen Frequenzteilbereiche zu übertragen, deren Hüllkurvenamplitude mindestens
10%, vorzugsweise jedoch 20%, der augenblicklichen Gesamthüllkurvenamplitude überschreitet.
Durch die vorgeschlagene Auswahl wird die Anzahl der zu übertragenden Daten erheblich reduziert und
damit eine Verringerung der notwendigen Übertragungskapazität erreicht.
Die Auswahl der einen bestimmten Prozentsatz der Gesamthüllkurvenamplitude überschreitenden Hüllkurvenamplituden
der einzelnen Teilbereiche läßt sich bei Anwendung einer Quantisierung der Hüllkurvenübertragung
kombinieren mit einer sogenannten gleitenden Quantisierung.
Was darunter verstanden wird, ergibt sich aus der Diagrammdarstellung gemäß Fig. 2. In dieser Figur
ist über der Zeit t die Gesamthüllkurvenamplitude Uges aufgetragen. In dem Diagramm sind drei Kurven
29, 30 und 31 dargestellt, die jeweils die Gesamtenergie des Sprachsignals wiedergeben. Bei der
Quantisierung wird der gesamte Amplitudenumfang in einzelne Stufen eingeteilt, von denen in Fig. 2 neun
Stufen dargestellt sind. Diese Stufeneinteilung ist gerade passend für den HüUkurvenamplitudenverlauf 29.
Wird die Gesamthüllkurvenamplitude durch die Kurve 31 dargestellt, die einem Sprachsignal geringerer
Energie entspricht, so erfolgt die Quantisierung in erheblich größeren Stufen, nämlich nur in den drei
Stufen Null, Eins und Zwei. Bei einem Hüllkurvenverlauf, wie er durch die Kurve 30 dargestellt ist, ist
das Gegenteil der Fall.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird daher bei einer quantisierten Übertragung der Hüllkurvenamplituden
in den einzelnen Frequenzbereichen die Höhe der zur Quantisierung verwendeten Amplitudenstufen
abhängig gemacht von der augenblicklichen Gesamthüllkurvenamplitude; gleichzeitig wird
die Gesamthüllkurvenamplitude noch gesondert übertragen. ~~
Ein Prinzipbild für das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fig. 3 der Zeichnung wiedergegeben. Das im
Mikrofon 1 in ein analoges elektrisches Signal umgewandelte Sprachsignal wird nach Verstärkung im Verstärker
2 in dem Analysiergerät 12 durch Filter in beispielsweise sechzehn Teilfrequenzbereiche aufgeteilt.
Innerhalb dieser Teilbereiche wird die Hüllkurveninformation durch Gleichrichter und Tiefpässe
mit beispielsweise 25 Hz Grenzfrequenz gewonnen. Gleichzeitig wird durch die Einrichtung 16 die Hüllkurve
des gesamten Eingangssignals ermittelt. In der Vergleichs- und Quantisierungsschaltung 13 werden
mit Hilfe des Ausgangssignals von 16 diejenigen Teilfrequenzbereiche ausgewählt, deren Hüllkurvenamplitude
einen bestimmten Prozentsatz der Gesamthüllkurvenamplitude überschreitet. Außerdem wird die
Hüllkurvenamplitude in der Anordnung 13 quantisiert.
Die Übertragung dieser in der Anordnung 13 gewonnenen Daten erfolgt über die gestrichelte Verbindung,
beispielsweise durch eine Zeitmultiplexeinrichtung.
Auf der Empfangsseite werden durch die Verteilereinrichtung 14 aus der Syntheseeinrichtung 15, welche
die gleichen Filtersätze enthält wie die Analyseeinrichtung 12, die entsprechenden Teilbereiche ausgewählt
und die richtigen Amplitudenverhältnisse ihrer Ausgangssignale mit Hilfe des Ausgangssignals von 16
wiederhergestellt. Dadurch wird eine angenäherte Nachbildung des Kurzzeitspektrums von Sprachsignalen
erreicht, die für die Verständlichkeit einer derart reproduzierten Sprache ausreichend ist, wobei
gleichzeitig eine erhebliche Einsparung an Übertragungskapazität im Vergleich mit den Original-Vocoderverfahren
erreicht ist. Als Eingangssignal für den Filtersatz der Syntheseeinrichtung 15 dient das
Ausgangssignal eines Impulsgenerators 18, dem beispielsweise nach dem eingangs geschilderten bekannten
Vocoderverfahren die Erregerinformation aus der Einrichtung 17 zugeführt wird.
In den Fig. 4 und 5 sind spezielle Schaltungsanordnungen dargestellt, welche bei der Übertragungsanordnung
nach Fig. 3 Verwendung finden sollen.
Die Schaltung nach Fig. 4 stellt eine Vergleichsschaltung dar, in der ermittelt wird, am Ausgang
welcher Teilbereiche Hüllkurvenamplituden auftreten, deren Wert einen bestimmten Prozentsatz der Gesamthüllkurvenamplitude
übersteigt. Der Einfachheit halber sind in der Schaltung nach Fig. 4 lediglich vier
Filter F1 bis F4 der Analysiereinrichtung mit den folgenden
Gleichrichtern und Tiefpässen 4 dargestellt. Die Hüllkurvenamplituden dieser vier Bereiche werden
jeweils Vergleichsanordnungen F1 bis F4 zugeführt.
Gleichzeitig wird in dem Filtersatz F20 mit anschließendem
Gleichrichter und Tiefpaß 19 die Gesamthüllkurvenamplitude ermittelt und einem Spannungsteiler
zugeführt, der aus den beiden Widerständen 20 und 21 besteht. Der Widerstandswert des
Widerstandes 21 beträgt beispielsweise 20% des Gesamtwiderstandswertes der beiden Widerstände 20
und 21. Es werden damit am Widerstand 21 stets 20 % der Gesamthüllkurvenamplitude abgezweigt und
den Vergleichsanordnungen F1 bis F4 zugeführt. Dieser
Vergleich kann kontinuierlich durchgeführt werden. Es ist aber auch möglich, hierzu einen besonderen
Taktgeber T vorzusehen, der in bestimmten Zeitabständen, beispielsweise im Abstand von jeweils
20 Millisekunden, die Durchführung eines solchen Vergleiches veranlaßt.
Nach Durchführung dieser Vergleiche erscheinen in den Ausgängen nur derjenigen Vergleichsanordnungen
V1 bis F4 Signale, in denen der geforderte
Amplitudenwert überschritten ist. Die Ausgänge von F1 bis F4 führen zu einer Anordnung 22, die als
Übersetzer bezeichnet werden kann. In dieser Anordnung 22 werden nämlich den Bereichen, in denen ein
die vorgeschriebene Schwelle überschreitendes Signal übertragen ist, Kennziffern gegeben, damit auf der
Empfangsseite die übertragenen Teilbereiche unter einer bestimmten Kennziffer eintreffen.
Zu der Darstellung nach Fig. 4 sei noch erwähnt, daß zu den Teilbereichen und zu dem Gesamtbereich
jeweils die Hüllkurvenamplitude Ux bzw. Uges in Abhängigkeit
von der Zeit t dargestellt ist. In den Teilbereichen hat sie beispielsweise den Verlauf 11, im
Gesamtbereich den Verlauf 32.
In Fig. 5 ist schließlich eine Schaltungsanordnung für die quantisierte Übertragung der Hüllkurveninformation
der einzelnen Teilbereiche dargestellt. Um entsprechend der Darstellung der Kurve 29 gemäß
Fig. 2 zu erreichen, daß die Quantisierung des gesamten Amplitudenumf anges unabhängig von der Energie
der zu übertragenden Sprachsignale in der gleichen Anzahl von Stufen erfolgt, wird bei dieser Schaltung
ebenfalls ein Vergleich der Gesamthüllkurvenamplitude mit der Hüllkurvenamplitude eines Teilbereiches
durchgeführt. In der Schaltung gemäß Fig. 5 ist lediglich die Ableitung der Hüllkurveninformation eines
Teilbereiches mit dem Frequenzsieb F1 und dem anschließenden
Gleichrichter und Tiefpaß 4 dargestellt. Man erhält in diesem Bereich einen Verlauf der Hüllkurvenamplitude
Ux (gemessen gegen Masse), wie er über der Zeit t durch die Kurve 11 dargestellt ist. Über
ein Filter F20 sowie Gleichrichter und Tiefpaß 19 wird
die Gesamthüllkurvenamplitude Uges (wiederum gemessen
gegen Masse) entsprechend dem Kurvenverlauf 32 gewonnen. Diese Gesamthüllkurvenamplitude wird
an einen Spannungsleiter gelegt, der aus Widerständen mit gleich großen Widerstandswerten besteht. In
der Schaltung nach Fig. 5 sind hierfür vier Widerstände 23, 24, 25 und 26 dargestellt, so daß in diesem
Fall die Quantisierung in vier Stufen erfolgen würde. Die an den Spannungsteilerstufen abgegriffenen Spannungen
werden zusammen mit der Spannung Ux den Vergleichsstufen F5, F6 und F7 zugeführt. Da in diesen
Vergleichsstufen gleichzeitig eine Quantisierung erfolgt, tritt an ihrem Ausgang jeweils dann ein Impuls
auf, wenn die Spannung Ux den entsprechenden Teilbetrag am Spannungsteiler überschritten hat.
Überschreitet also die Spannung Ux zum Zeitpunkt t0
die am Widerstand 26 abgegriffene Teilspannung, so wird im Ausgang der Vergleichsanordnung F7 ein Impuls
auftreten. Überschreitet diese Spannung Ux die an den Widerständen 25 und 26 auftretende Summenspannung,
so wird gleichzeitig auch ein Impuls am Ausgang der Vergleichsanordnung F6 auftreten. Diese
Spannungsimpulse werden mit Hilfe der symbolisch dargestellten Speicher 27 gespeichert und können
dann von einem einer Zeitmultiplexeinrichtung zugehörigen Verteilerschalter 28 abgenommen werden.
In gleicher Weise, wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 4, kann auch hier der Vergleich kontinuierlich
oder in bestimmten Zeitabständen durchgeführt werden. Im letzteren Fall benötigt man wiederum
einen Taktgeber T, der auf die Verteiler F5, F6 und
F7 geschaltet ist.
Auf der Empfangsseite werden die einzelnen hintereinander
eintreffenden Impulse mit Hilfe eines synchron arbeitenden Schalters wieder in die einzelnen
Teilbereiche zerlegt und zu der Hüllkurveninformation der Teilbereiche zusammengesetzt.
Claims (4)
1. Verfahren zur angenäherten Nachbildung der
Kurzzeitspektren von nach dem Vocoderverfahren als Hüllkurveninformation von Frequenzteilbereichen
übertragenen Sprachsignalen, insbesondere unter Anwendung von Pulscodemodulation, dadurch
gekennzeichnet, daß zwecks Einsparung an Übertragungskapazität die Hüllkurveninformation
jeweils nur derjenigen Frequenzteilbereiche übertragen wird, deren Hüllkurvenamplitude einen vorgegebenen
Bruchteil der augenblicklichen Gesamthüllkurvenamplitude des Sprachsignals überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllkurveninformation nur
derjenigen Frequenzteilbereiche übertragen wird, deren Hüllkurvenamplitude mindestens 10%,
vorzugsweise 20%, der augenblicklichen Gesamthüllkurvenamplitude überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer quantisierten Übertragung
der Hüllkurvenamplituden in den einzelnen Frequenzteilbereichen die Höhe der zur
Quantisierung verwendeten Amplitudenstufen abhängig gemacht wird von der augenblicklichen
Gesamthüllkurvenamplitude und daß die Gesamthüllkurvenamplitude gesondert übertragen wird.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Vergleichsschaltung (F1... F4) vorgesehen ist, der einerseits die Hüllkurvenamplituden
der einzelnen Frequenzteilbereiche, andererseits ein vorgegebener Prozentsatz der Gesamthüllkurvenamplitude zugeführt
wird und an die sich eine Ubersetzerschaltung (22) anschließt, in der die ausgewählten Bereiche
durch Kennziffern gekennzeichnet werden (Fig. 4).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 109 787/293 1.62
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