DE1135967B - Anordnung zur Symmetrierung von unsymmetrischen Hoerfrequenzsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Symmetrierung von unsymmetrischen Hörfrequenzsignalen und bezieht sich auf solche Verfahren und Einrichtungen zur Reduzierung und Umordnung der unsymmetrischen Spitzenwerte eines Hörsignals, bei denen eine verschieden starke Verzögerung der verschiedenen Frequenzkomponenten des Signals bewirkt wird. Bei Verwendung einer solchen Anordnung kann der maximale mit Rücksicht auf Verzerrungsfreiheit zulässige Modulationsgrad eines Nachrichtengerätes, dem das Hörsignal zugeführt wird, z. B. eines Senders oder modulierten Verstärkers, erhöht werden.

Eine Hauptschwierigkeit, die seit langer Zeit bei Nachrichtengeräten, z. B. bei drahtlosen Sendern, bei Ferntelefonie und bei begrenzten Verstärkern auftritt, besteht darin, einen optimalen Modulationsgrad bei bestimmten Arten von unsymmetrischen Hörsignalen insbesondere bei solchen, die durch die menschliche Stimme erzeugt werden, aufrechtzuerhalten. Derartige Hörsignale haben ungleiche Spitzenwerte, indem höhere Spitzenspannungen auf der einen Seite der Nullinie auftreten als auf der anderen. In manchen Fällen treten positive zu negative oder negative zu positive Spitzenspannungsverhältnisse von 6 bis 8 db auf. Im Gebiet der Rundfunktechnik können z. B. bei der Umschaltung von Telefonfernleitungen und bei lokal erzeugten Programmen nennenswerte Abweichungen von der Symmetrie bezüglich der Spitzenwerte des Tonsignals auftreten. Weitere Schwierigkeiten in dieser Hinsicht ergeben sich durch unrichtige Phasenlage von Mikrofonen.

Ein Sender, dem die unsymmetrischen Hörsignale zugeführt werden, und der z. B. mit Sprache moduliert wird, arbeitet am günstigsten, wenn die Modulation lOO°/oig ist, d. h. der Träger voll durchmoduliert wird. Wenn das Hörsignal, das einer derartigen Einrichtung am Eingang zugeführt wird, unsymmetrisch ist, können schon ungleichmäßige Energiespitzen von einigen wenigen db eine Übermodulation und entsprechende Verzerrung hervorrufen. Wenn der Modulationsgrad herabgesetzt wird, um diese Verzerrungen zu beseitigen, dann tritt ein Leistungsverlust auf, der mit einer Verkleinerung des Empfangsbereiches verbunden ist.

Telefonfernleitungen gleichen normalerweise Sprachunsymmetrien aus, und Musik enthält selten Wellenfolgen, die unsymmetrisch verlaufen. In der Rundfunktechnik treten häufig unsymmetrische Modulationsspitzen auf, und zwar insbesondere bei Direkt- oder Bandübertragungen von Sprache, die am Ort des Senders aufgenommen oder über verhältnismäßig kurze Telefonleitungen übertragen wer-Anordnung zur Symmetrierung
von unsymmetrischen Hörfrequenzsignalen

Anmelder:

Leonard Richard Kahn,
Freeport, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. März 1959 (Nr. 800 476)

Leonard Richard Kahn, Freeport, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

den. Da es eine Haupteigenschaft der Erfindung ist, unsymmetrische Spitzen auszugleichen ohne die symmetrischen Signale zu beeinträchtigen, werden die Schwierigkeiten bei der Modulation von Rundfunkübertragungen überwunden. Gemäß der Erfindung dient hierzu ein passives Netzwerk, welches die Frequenzkomponenten des Hörsignals durch verschiedene Verzögerungszeiten von nicht mehr als 5 Millisekunden verzögert und die Spitzenwerte dieses Hörsignals ohne wesentliche Beeinflussung der Wiedergabegüte desselben neu verteilt, wobei das Netzwerk in Kreuzschaltung einen maximalen Verzögerungsgradienten bei einer Frequenz von ungefähr 300 Hz hat und das Netzwerk die Frequenzkomponenten 300 Hz oder weniger um den Betrag von 3 bis 5 Millisekunden verzögert, während die Verzögerung der Frequenzkomponenten von über 300 Hz etwa 3 bis 0 Millisekunden beträgt.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Allpaß-Kettenleiters in Kreuzgliedschaltung erwiesen, wobei die einzelnen Glieder in jedem Längszweig der beiden Leitungen eine Induktivität und in beiden Diagonalzweigen je eine Kapazität enthalten.

Es ist bekannt, daß zu diesem Zweck bereits Hochpaßfilter verwendet wurden. Diese dämpfen jedoch Signalfrequenzen unterhalb einer unteren Grenzfrequenz sehr stark und haben einen geringen Verzögerungsgradienten. Demgegenüber weist die Er-

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findung keine Dämpfung der unteren Frequenzen und einen größeren Verzögerungsgradienten auf, was den Bedingungen des Sprachfrequenzspektrums der menschlichen Stimme besser angepaßt ist.

Auch wenn die Signale über Schaltungen geführt werden, in denen ein Begrenzer oder ein Verstärker vorhanden ist, der einen gleichmäßigen Pegel ergibt, und bzw. oder wenn Mikrofone unrichtiger Phasenlage verwendet werden, würde eine Unsymmetrie des Hörsignals eine Signalverzerrung ergeben, wenn die Anordnung mit maximaler Ausgangsleistung betrieben wird. Auch bei diesen Anordnungen wird gemäß der Erfindung die Symmetrie des Hörsignals zur Nullinie wieder hergestellt und dadurch eine wesentliche Verbesserung der Arbeitsweise der ganzen Anordnung erzielt. Auch wenn Sprachbegrenzer verwendet werden, dient die Erfindung dazu, das niederfrequente Geräusch zu vermeiden, das normalerweise durch die Gleichstromverschiebung von begrenzten unsymeinen Modulationsverstärker 14, einen linearen Verstärker 16 und eine Antenne 18. Die Tonsignale modulieren die Trägerschwingung in einer Modulationsstufe 14.

Die Tonsignalquelle 20 ist ebenfalls an sich bekannt und besteht z.B. aus einem in der Nähe des Senders befindlichen Mikrofon oder einer Telefonleitung und liefert ein Hörsignal, zu dessen charakteristischen Eigenschaften es gehört, daß es

ίο mindestens vorübergehend unsymmetrisch ist, wie z. B. ein Hörsignal, das von der menschlichen Stimme erzeugt wird. Ein typischer unsymmetrischer Schwingungsverlauf der Tonsignalquelle 20 ist durch den Wellenzug 22 angedeutet. Die von der Symmetrielinie abweichende Nullinie ist bei 24 angedeutet. Die positiven Halbwellen sind bei dem dargestellten Beispiel größer als die negativen Halbwellen.

Gemäß der Erfindung ist ein alle Frequenzen durchlassendes Netzwerk 26 zwischen der Tonsignal-

metrischen Signalen herrührt. Die Erfahrung hat ge- ao quelle 20 und dem Modulationsverstärker 14 des lehrt, daß Leistungsverbesserungen von bis zu 4 db in Senders 10 angeordnet; dieses Netzwerk hat im den meisten sprachmodulierten Übertragungssystemen
verwirklicht werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darm, wesentlichen die Eigenschaft, die verschiedenen Frequenzkomponenten des Tonsignales 22 um verschiedene Zeiten zu verzögern. Hierdurch werden die

daß die Symmetrierschaltung aus einer vollständig 25 Spitzenwerte des Wellenzuges 22 etwas anders ver

passiven Schaltung besteht, die keine wahrnehmbare Beeinträchtigung der Tonqualität der Wiedergabe ergibt. Die Schaltung benötigt keine Röhren, Transistoren oder Spannungsquellen, so daß bei normalem teilt, und der Wellenzug 22 wird am Ausgang des Netzwerkes 26 so umgeformt, daß er einen im wesentlichen symmetrischen oder ausgeglichenen Verlauf 28 hat, dessen Nullinie 30 angedeutet ist. Die

Betrieb keine Abnutzung stattfindet und kein Aus- 30 positiven und negativen Halbwellen des Wellenzuges tausch erforderlich ist. 28 sind einander im wesentlichen gleich.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß besondere Schaltungen zur Herbeiführung ungleicher Zeitverzögerungen für die verschiedenen Frequenzkomponenten eines unsymmetrischen Hörsignales vorgesehen sind, z. B. ein Netzwerk, das in besonderer Weise so ausgebildet ist, daß die Spitzenenergie eines Hörsignales verteilt, oder besser gesagt, aufgeteilt wird, um die positiven und negativen Spitzen Infolge der symmetrierenden Wirkung der Schalttung 26 auf das Hörsignal kann der Wellenzug 28 mit einem höheren Modulationsgrad in dem Modulationsverstärker 14 moduliert werden, als es ohne diese Anordnung möglich wäre.

Wenn nun auf die Einzelheiten des schematisch in Fig. 2 dargestellten Netzwerkes 26 eingegangen wird, erkennt man, daß das Netzwerk einen Eingangstrans-

des Signales mindestens zum großen Teil einander 40 formator 32 und einen Ausgangstransformator 34 aufgleichzumachen; die Umformung bzw. Verformung weist, wobei der Eingangstransformator 32 z. B. eine des Signales ist jedoch nicht so stark, daß irgendwelche wahrnehmbaren ungünstigen Wirkungen für
die Qualität der Wiedergabe entstehen, d. h. daß kein
merkbarer Nachhall auftritt. 45

Zur weiteren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes wird nunmehr auf die Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines drahtlosen Senders, insbesondere eines sprachmodulierten Rundfunksenders, der eine Hörsignalsymmetriervorrichtung gemäß der Erfindung aufweist;

Fig. 2 ist eine schematische Zeichnung eines Netzwerkes, das einen Teil der Anordnung der Fig. 1 bildet, und

Fig. 3 zeigt in halblogarithmischer Darstellung ein
Diagramm der Phase in Abhängigkeit von der Frequenz und der relativen Zeitverzögerung in Abhängigkeit von der Frequenz der verschiedenen Frequenzkomponenten des Hörsignales, das das Netzwerk der 60 hüllungs«-verzögerung des Hörsignales durch das Fig. 2 durchlaufen hat. Netzwerk keinen Einfluß auf das Übertragungssystem

Eingangsimpedanz von 600 Ohm und eine Ausgangsimpedanz von 15 kOhm hat. Der Ausgangstransformator 34 hat eine Eingangsimpedanz von 15 kOhm und eine Ausgangsimpedanz von 600 Ohm. Zwischen dem Eingangstransformator 32 und dem Ausgangstransformator 34 sind in Reihe vier einander gleiche Netzwerkabschnitte von symmetrischem Aufbau angeordnet, wobei in jedem Zweig Induktivitäten L und zwischen den Zweigen Kondensatoren C diagonal angeordnet sind; typische Werte für diese Schaltelemente betragen 7 Hys für jede Induktivität L und 0,03 μΡ für jeden Kondensator C.

Bei Benutzung der angegebenen Werte verzögert das Netzwerk 26 die Hörfrequenzkomponenten, die das Netzwerk durchlaufen, um einen Phasenbetrag φ, der durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 angedeutet ist. Es sei in Verbindung mit Fig. 3 darauf hingewiesen, daß die gesamte oder sogenannte »Um-

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines typischen Nachrichtengerätes, das eine Hörsignalsymmetriervorrichtung gemäß der Erfindung aufweist. Es handelt sich um einen amplitudenmodulierten kommerziellen Rundfunksender, der als Beispiel dargestellt ist. Ein solcher Sender ist an sich bekannt und enthält gewöhnlich einen Trägerfrequenz-Generator 12, der Fig. 1 hat, während die relative Zeitverzögerung τ zwischen den verschiedenen Frequenzkomponenten des Hörsignals, die durch die ausgezogene Linie graphisch dargestellt ist, von wesentlicher Bedeutung ist.

Die relative Verzögerung der verschiedenen Frequenzkomponenten des Hörsignals durch das Netz-

werk ist eine Funktion der Verzögerung, die durch das Ausmaß der Phasenverschiebung in Grad für die betreffende Frequenz der Signalkomponente ausgedrückt werden kann. Obwohl daher die Phasenverzögerung für eine tiefe Frequenz kleiner ist, als die Phasenverzögerung einer hohen Frequenz, die das Netzwerk durchläuft, ist die Zeitverzögerung der tiefen Frequenz größer als die Zeitverzögerung der hohen Frequenz. Wenn man daher die gestrichelte Linie der spezifischen Verzögerung der Fig. 3, die durch das Ausmaß der Phasenverschiebung in Grad gegenüber der Signalfrequenz aufgetragen ist, betrachtet, so sieht man, daß eine Signalfrequenz von 150 Hz um etwa 180° verzögert wird, während eine Frequenz von 1500 Hz um 700° in der Phase verzögert wird, daß sich eine Zeitverzögerung der Frequenz von 150 Hz um 3,3 Millisekunden und eine Zeitverzögerung der Frequenz von 1500 Hz um etwa 1,3 Millisekunden ergibt. Die Verzögerung der Frequenz von 15 kHz beträgt in ähnlicher Weise etwa 710° und die Zeitverzögerung 0,13 Millisekunden.

Wenn man die Beziehung zwischen Phase und Frequenz für die verschiedenen Hörsignalkomponenten betrachtet, die in Fig. 3 graphisch dargestellt sind, so ergibt sich, daß die Zeitverzögerung einer speziellen Frequenzkomponente eine Funktion der Phasenänderung geteilt durch die Frequenzkomponente ist. Die Beziehung der Zeitverzögerung in Abhängigkeit von der Frequenz ist daher durch die ausgezogene Linie dargestellt. Es sei bemerkt, daß das steilste Stück oder die stärkste Neigung der Phasenkurve (d. h. die rascheste Änderung der Phase) und die größte Neigung der Zeitverzögerung beide bei einem Wert der Komponente von etwa 300 Hz auftreten, d. h. an der Stelle 36 bzw. 38, an der ein Umkehrpunkt liegt. Die Neigung der Phasenkurve nimmt einerseits asymptotisch nach der Frequenz Null zu und andererseits asymptotisch nach der maximalen Hörfrequenz zu ab. In ähnlicher Weise nimmt die Neigung der Zeitverzögerungskurve asymptotisch bis zu einem Verzögerungswert von etwa 3,75 Millisekunden unterhalb von 300 Hz ab und vermindert sich asystotisch oberhalb des Wertes von 300 Hz bis zu dem Zeitverzögerungswert Null. Beispiele für die Zeitverzögerung bei bestimmten Frequenzwerten sind folgende; Etwa 3,5 Millisekunden Verzögerung bei 100 Hz, etwa 3,0 Millisekunden Verzögerung bei 300 Hz, etwa 2,4 Millisekunden Verzögerung bei 500 Hz, etwa 1,7 Millisekunden Verzögerung bei 1000 Hz, etwa 1,4 Millisekunden Verzögerung bei 1500 Hz und etwa 0,13 Millisekunden bei 15 000 Hz.

Diese Art der Zeitverzögerung der verschiedenen Frequenzkomponenten eines Hörsignals hat bei dem praktischen Betrieb zufriedenstellende Werte geliefert; wichtig ist, daß die Spitzenwerte des Hörsignals in gewissem Maße neu verteilt und in bezug auf die Nullinie des Signals ausgeglichen oder symmetiert werden. Das beschriebene Netzwerk bewirkt durch Einführung von relativ verschiedenen Zeitverzögerungen der verschiedenen Frequenzkomponenten des Signals eine solche Umformung.

Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß andere relative Frequenzumformungen benutzt werden können, um die für die Erfindung charakteristische Symmetrierwirkung zu ergeben. So kann z. B. durch Auswahl der Werte der verschiedenen Komponenten und durch verschiedene Anzahl der Abschnitte des Netzwerkes das Netzwerk so entworfen werden, daß es relative Zeitverzögerungen für höhere Frequenzen ergibt, die größer als die relativen Zeitverzögerungen für niedrigere Frequenzen sind, um dadurch eine entsprechende Symmetrierung und Umformung zu erreichen. Da eine größere Verzögerung der höheren Frequenzen mehr Schaltelemente für das Netzwerk erfordert, wird es vorgezogen, eine größere Zeitverzögerung bei den tieferen Frequenzen hervorzurufen, um zu einer einfacheren Schaltung zu gelangen.

Zur anschaulichen Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung können die unsymmetrischen Spitzenwerte des hörfrequenten Wellenzuges 22 mit einer Reihe von Zinnsoldaten verglichen werden, die auf einer ebenen Fläche stehen. Wenn diese Fläche eine Zeitlang einer Schwingung ausgesetzt wird, wird die Ausrichtung der Zinnsoldaten durcheinander gebracht; die Zinnsoldaten werden auf der Oberfläche in einer mehr oder weniger willkürlichen Weise neu verteilt, so daß höchstens einige wenige Zinnsoldaten in einer bestimmten Richtung herausragen. In ähnlicher Weise wird durch die Energieumformung gemäß der Erfindung eine solche Neuverteilung der Signalwerte erreicht, daß die einzelnen Werte sich weniger häufig zu Spitzenwerten addieren und sich symmetrischer um die Nullinie des Signales gruppieren. Es sei darauf hingewiesen, daß ein wichtiges Merkmal der Erfindung darin besteht, daß die Symmetrierschaltung keine ungünstige Wirkung auf ein Signal ausübt, das bereits im wesentlichen symmetrisch verläuft. Wenn man wieder auf das Beispiel der Zinnsoldaten zurückgreift, um diesen Punkt näher zu erläutern, so läßt sich folgendes aussagen: Wenn die Zinnsoldaten auf der Fläche mehr oder weniger willkürlich verteilt sind und die Fläche in Schwingung versetzt wird, ist es aus statistischen Gründen praktisch unmöglich, daß die Zinnsoldaten ausgerichtet werden. Mit anderen Worte ausgedrückt heißt das, daß bei einer beliebigen Frequenzverteilung der Signalwerte, die für einen symmetrischen Hörfrequenzverlauf charakteristisch ist, die zufällige Energieverteilung durch das Symmetriernetzwerk 'der Erfindung nicht gestört wird.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der symmetrierenden Verzögerungseinrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß die relative Verzögerung zwischen den verschiedenen Frequenzkomponenten des Hörsignales nicht so groß ist, daß sie in irgendeinem Zeitpunkt in dem empfangenden Signal bemerkt werden kann, das von dem System geliefert wird. Eine zu große relative Verzögerung zwischen den Frequenzkomponenten würde einen Nachhall erzeugen. Die Erprobung hat gezeigt, daß eine maximale relative Zeitverzögerung zwischen verschiedenen Signalfrequenzkomponenten von etwa 5 Millisekunden für die Symmetrierwirkung ausreicht und keine merkbare Verschlechterung der Qualität des aufgenommenen Signals hervorruft.

Es wurde ferner praktisch festgestellt, daß Hörsignale, die eine starke Unsymmetrie von etwa 20 bis 30% aufweisen, soweit symmetriert werden können, daß die Abweichung nur etwa 1 bis 2% beträgt.

Bei der praktischen Ausführung ist es zweckmäßig, ein Netzwerk zu verwenden, das eine größere Verzögerung der verhältnismäßig tiefen Frequenzkomponenten des Hörsignals ergibt, eine Verzögerung von etwa 3 bis 5 Millisekunden für Frequenzkompo-

nenten bei und unterhalb von 300 Hz und eine Verzögerung von etwa 3 Millisekunden für Frequenzen oberhalb von 300 Hz.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur ausgleichenden Umformung eines unsymmetrischen Hörsignals in ein bezüglich der Nullinie weitgehend symmetrisches Signal, gekennzeichnet durch ein passives Netzwerk, welches die Frequenzkomponenten des Hörsignals durch verschiedene Verzögerungszeiten von nicht mehr als 5 Millisekunden relativ verzögert, und die Spitzenwerte dieses Hörsignals, ohne wesentliche Beeinflussung der Wiedergabegüte desselben neu verteilt, wobei das Netzwerk einen maximalen Verzögerungsgradienten bei einer Frequenz von ungefähr 300 Hz hat und die Frequenzkompo-

nenten von 300 Hz oder weniger um den Betrag von 3 bis 5 Millisekunden verzögert, während die Verzögerung der Frequenzkomponenten von über 300 Hz etwa 3 bis 0 Millisekunden beträgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Allpaß-Kettenleiter in Kreuzgliedschaltung, wobei die einzelnen Glieder in jedem Längszweig eine Induktivität und in den beiden Diagonalzweigen je eine Kapazität enthalten.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von vier Gliedern für den Kettenleiter die Werte für die Induktivitäten je 7 Hys und für die Kapazitäten je 0,03 μΡ betragen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA-Patentschrift Nr. 2 495 581.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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