DE1122581B - Verfahren und Schaltungsanordnung zur angenaeherten Nachbildung der Kurzzeitspektren von nach dem Vocoderverfahren uebertragenen Sprachsignalen - Google Patents

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

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 U_x 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.

109 787/293

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 U_ges 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 U_x bzw. U_ges 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 U_x (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 U_ges (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 U_x 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 U_x den entsprechenden Teilbetrag am Spannungsteiler überschritten hat. Überschreitet also die Spannung U_x zum Zeitpunkt t₀ die am Widerstand 26 abgegriffene Teilspannung, so wird im Ausgang der Vergleichsanordnung F₇ ein Impuls auftreten. Überschreitet diese Spannung U_x 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)

PATENTANSPRÜCHE:

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