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Verfahren und Anordnung zur elektrischen Nachrichtenübertragung unter
Frequenzbandkompression Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen
Nachrichtenübertragung, bei dem vorzugsweise jedes Teilfrequenzband der sendeseitig
in zwei und mehr Spektralkanäle aufgespaltenen Energie des Signals zunächst in der
Frequenz gepreßt wird und anschließend die so gewonnenen Teilsignale zur Empfangsseite
hin übertragen werden.
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Die Übertragung von Nachrichten auf elektrischem Wege ist unter anderem
durch die Nutzbandbreite der zur Verfügung stehenden übertragungseinrichtung beschränkt.
Infolgedessen hängt die Anzahl der unterzubringenden Nachrichtenkanäle bei einer
solchen Einrichtung jeweils davon ab, wie schmal das für einen Kanal benötigte Frequenzband
gewählt werden kann. Wie sich gezeigt hat, kann der Frequenzumfang einer Nachricht
dann wesentlich herabgesetzt werden, wenn lediglich deren charakteristische Werte
zur Empfangsseite hin übertragen werden. Hierzu wird das elektrische Signal sendeseitig
einem Frequenzbandpresser zugeführt. Dieser Presser liefert eine hinsichtlich des
Frequenzumfangs komprimierte Signalspannung, die nur noch die Eigenwerte des ursprünglichen
Signals enthält. Auf der Empfangsseite muß das derart verstümmelte Signal sodann
in einem Frequenzbanddehner in seine ursprüngliche Form rückumgebildet werden. Das
Pressen geschieht beispielsweise dadurch, daß von den Signalanteilen der in mehrere
Spektralkanäle aufgeteilten Energie des Signals die Umhüllenden gewonnen und anschließend
deren höhere Frequenzanteile unterdrückt werden. Für den Dehnvorgang auf der Empfangsseite
steht wenigstens eine breitbandige Synthese-Energie-Quelle zur Verfügung, deren
den einzelnen Spektralkanälen zugesetzte Energie von den ankommenden Teilsignalen
entsprechend gesteuert wird.
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Mit Frequenzbandkompression arbeitende Einrichtungen dieser Art haben
für die Übertragung von Sprache unter der Bezeichnung »Vocoder« Bedeutung erlangt.
Beim Vocoder wird das Sprachfrequenzband sendeseitig auf etwa zehn bis zwanzig Spektralkanäle
mit einer Bandbreite von je etwa 100 Hz aufgeteilt. Zur Unterdrückung der höheren
Frequenzanteile in den durch Gleichrichteranordnungen gewonnenen Umhüllenden der
Signalanteile müssen Tiefpässe vorgesehen werden. Die Grenzfrequenz dieser Tiefpässe
liegt sehr tief, beispielsweise bei 15 Hz. Dies bedingt einen erheblichen Filteraufwand,
der den Aufwand der Vocodersendeseite in erheblichem Maße mitbestimmt. Weitere Nachteile
der Tiefpässe sind ihre große Laufzeit und das sogenannte »Überschwingen«, durch
das die Qualität der übertragung mitunter stark beeinträchtigt werden kann. Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, der die bei der Durchführung
einer Frequenzbandkompression der einleitend beschriebenen Art auftretenden Schwierigkeiten
in einfacher Weise beseitigt.
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Für ein Verfahren zur elektrischen Nachrichtenübertragung unter Frequenzbandkompression,
bei dem sendeseitig vorzugsweise jedes Teilfrequenzband der in zwei und mehr Spektralkanäle
aufgeteilten Signalenergie über eine Gleichrichteranordnung einem von einer Schalteinrichtung
periodisch abgetasteten Speicher zugeführt wird, dessen Abtastwerte zur Empfangsseite
übertragen werden, wird gemäß der Erfindung die Aufgabe dadurch gelöst, daß der
Speicher von einem der am Eingang der zugeordneten Gleichrichteranordnung stehenden
Wechselspannung proportionalen Strom umgeladen und beim Abtasten kurzzeitig auf
seinen durch eine Bezugsspannungsquelle festgelegten Ausgangswert rückumgeladen
wird.
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Es ist bereits ein Verfahren zur elektrischen Nachrichtenübertragung
mit Frequenzbandkompression bekannt, bei dem die in einzelne Spektralkanäle aufgeteilte
Energie des Signalbandes einer entsprechenden Anzahl von Gleichrichtern zugeführt
wird. Die Ausgänge der Gleichrichter stehen mit Kondensatoren in Verbindung, an
denen die gleichgerichtete Spannung liegt. Die Kondensatoren sind Speicher, die
im Rhythmus einer Abtastfrequenz abgetastet werden. Die dabei gewonnenen Informationen
beinhalten jeweils die im Intervall zwischen zwei Abtastungen an den Kondensatoren
auftretenden maximalen Amplituden der gleichgerichteten
Signalanteile.
Das Verfahren gemäß der Erfindung unterscheidet sich hiervon wesentlich dadurch,
daß die Gleichrichteranordnungen den Speichern einen der an ihrem Eingang anliegenden
Wechselspannung proportionalen Strom zuführen. Der Erfindungsgegenstand hat gegenüber
dem bekannten Verfahren auch den Vorteil, daß die Abtastwerte unmittelbar zur Empfangsseite
hin übertragen werden können.
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Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß es für
die empfangsseitige Rückumbildung bzw. Wiederherstellung des ursprünglichen Signals
völlig ausreichend ist, wenn die zur Empfangsseite hin übertragenen Teilsignale
lediglich Angaben über die innerhalb diskreter Zeitschritte auftretenden Energiebeträge
der Signalanteile enthalten. Derartige Teilsignale lassen sich aus den Signalanteilen
der Spektralkanäle mittels Speichern in Verbindung mit Abtasteinrichtungen gewinnen.
Auf Grund des Abtasttheorems muß die Abtastfrequenz wenigstens doppelt so groß gewählt
werden, wie die Frequenz der schnellsten, gerade noch zu übertragenden Energieänderung.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch im Fortfall der sehr aufwendigen,
zu Störungen Anlaß gebenden Tiefpässe. Außerdem ermöglicht seine Anwendung die Bandbreite
der zu übertragenden Teilsignale durch entsprechende Änderung der Abtastfrequenz
in einfacher Weise zu variieren. Bei mit Tiefpässen ausgerüsteten Pressem müßten
dazu die Tiefpässe hinsichtlich ihrer Grenzfrequenz umschaltbar ausgeführt werden,
was mit Rücksicht auf den damit verbundenen großen Aufwand praktisch nicht in Frage
kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ferner in außerordentlich vorteilhafter
Weise für eine Übertragung der Teilsignale der Spektralkanäle in Zeitmultiplex,
weil hierbei keine zusätzlichen Abtasteinrichtungen für die Probenentnahme nötig
sind.
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An Hand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung dargestellt
ist, soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Die F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung die der Frequenzbandpressung
dienende sendeseitige Schaltungsanordnung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
arbeitenden Nachrichtenübertragungseinrichtung. Das dem Eingang Eo zugeführte Signal,
vorzugsweise ein Sprachsignal, wird hinsichtlich seiner spektralen Energie mittels
Bandpässe B in eine größere Anzahl Spektralkanäle aufgeteilt. An die Ausgänge der
Bandpässe B schließt sich jeweils eine Gleichrichteranordnung Gl an, deren Ausgang
an einen Speicher Sp angeschlossen ist. Jeder Speicher Sp steht ferner mit einer
Schaltvorrichtung Se in Verbindung, die den ihr zugeordneten Speicher Sp im Rhythmus
einer Abtastfrequenz abtastet. Die Schaltvorrichtungen Se werden hierzu mit
einer Steuerimpulsfolge versorgt, die ein Impulsgenerator G liefert. Das Abtasten
der Speicher Sp durch die Schaltvorrichtungen Se erfolgt in der Weise, daß
erstere bei jeder Abtastung kurzzeitig auf ihren Ausgangswert rückumgeladen werden.
Die zur Empfangsseite hin zu übertragenden Abtastwerte, die lediglich eine Information
über die Größe der jeweils im Intervall zwischen zwei Abtastungen in den Speichern
Sp gespeicherten Energieanteile enthalten müssen, können, wie im folgenden noch
gezeigt werden soll, mittelbar oder unmittelbar aus dem zeitlichen Verlauf der Speicherspannungen
gewonnen werden.
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In der F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer aus einer Gleichrichterschaltung
G1, einem Speicher Sp und einer Schalteinrichtung Se nach der F i g. 1 bestehenden
Schaltungsanordnung angegeben. Die Gleichrichteranordnung besteht hierbei aus einem
Transistor Ts in Basisschaltung, dessen Emitter das am Ausgang des vorgeschalteten
Bandpasses stehende Teilsignal über den Eingang E und den Widerstand R 1 zugeführt
ist. Die Gleichrichterfunktion erfüllt hierbei die Emitter-Basisstrecke des Transistors
Ts.
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Der Speicher besteht aus einem einfachen, der Kollektor-Basisstrecke
des Transistors Ts parallelgeschalteten Kondensator C. Die Schaltvorrichtung weist
einen elektronischen Schalter S auf, der seinerseits in Reihe mit einer Energiequelle
dem Kondensator parallel geschaltet ist. Die Energiequelle besteht aus zwei Spannungsquellen
1 und 2, von denen die Spannungsquelle 2 mit der Klemmenspannung U2 über den Widerstand
R2 und die Spannungsquelle 1 mit der Klemmenspannung U 1 über den Gleichrichter
D mit dem elektronischen Schalter S verbunden sind. Der elektronische Schalter S
wird' entsprechend der F i g. 1 von einer Steuerimpulsfolge gesteuert, die ihm über
den Anschluß St zugeführt ist. Die zum Empfänger hin zu übertragenden Abtastwerte
können beispielsweise am Ausgang A hinter dem elektronischen Schalter S abgenommen
werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kondensatorspannung über den
Ausgang A' einem Modulator M zuzuführen, der aus dem zeitlichen Verlauf der Speicherspannung
zeitmodulierte Impulse ableitet, die die gewünschte Information enthalten. Die zeitmodulierten
Impulse werden am Ausgang A" abgenommen.
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Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung
nach der F i g. 2 sind in der F i g. 3 die wesentlichsten Spannungen über der Zeit
t untereinander aufgetragen. Das mit E bezeichnete Spannungsdiagramm zeigt die eingangsseitig
am Transistor Ts anliegende Spannung des durch den vorgeschalteten Bandpaß aus der
Signalspannung ausgesiebten Anteils. Darunter ist die den elektronischen Schalter
S steuernde Steuerimpulsfolge St
über der Zeit aufgetragen. Der Widerstand
R 1 der F i g. 2 ist so groß gewählt, daß die den Kondensator C umladenden Stromimpulse
den positiven Spannungsspitzen der Spannung am Eingang E proportional sind. Solange
eingangsseitig an der Gleichrichteranordnung keine Spannung anliegt, ist der Kondensator
C auf die Spannung - U 1 aufgeladen. Von der Eingangsspannung herrührende Stromimpulse
entladen den Kondensator C so lange, bis der elektronische Schalter S durch einen
Steuerimpuls geschlossen wird. Da die Gleichspannung U2 wesentlich größer ist als
die Gleichspannung U 1 und auch der Widerstand R 2 einen relativ großen Wert aufweist,
fließt im geschlossenen Zustand des elektronischen Schalters S ein von der Spannungsquelle
2 herrührender konstanter Strom, der den Kondensator C rasch auf seinen Ausgangswert
- U 1 rückumlädt. Über den Wert - U 1 kann der Kondensator C nicht umgeladen werden,
weil bei Erreichen dieses Spannungswertes der Gleichrichter D durchlässig und damit
eine weitere Umladung verhindert wird. Sobald der Steuerimpuls zu Ende ist, öffnet
der
elektronische Schalter S, und die Umladung des Kondensators
C beginnt von neuem. Die am Ausgang A' stehende Speicherspannung weist demzufolge
eine Art sägezahnförmigen Verlauf auf. Ihre Spitzenwerte kommen der Spannung Null
um so näher, je größer der Energieinhalt des Eingangssignals im Intervall zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Steuerimpulsen ist.
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Am Ausgang A hinter dem elektronischen Schalter ist die Spannung am
Kondensator C nur während der Schaltzeit des elektronischen Schalters S wirksam.
Infolgedessen tritt hier eine sich über der Spannung -U1 aufbauende Dreieckimpulsfolge
auf, deren Spitzenwerte der jeweiligen gespeicherten Ladung des Kondensators C im
Zeitpunkt der Abtastung proportional sind. Somit enthalten diese Dreiecksimpulse
die gewünschte Information in Form einer Amplitudenmodulation und können in dieser
Form unmittelbar zur Empfangsseite hin übertragen werden.
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Wie bereits erwähnt wurde, wird der Kondensator C von der Spannungsquelle
2 mit einem konstanten Strom rückumgeladen. Infolgedessen sind die Zeitdifferenzen
zwischen den Zeitpunkten t l, t2, t3
usw. einerseits, die den zeitlichen Einsatzpunkt
der Rückumladung markieren, und den entsprechenden, die Beendigung der Rückumladung
markierenden Zeitpunkten t1', t2', t3' usw. andererseits, ebenfalls der jeweils
im Kondensator C gespeicherten Energie proportional. Durch bekannte Schwellwertschaltungen
können somit die die Beendigung des Rückumladevorgangs markierenden Zeitpunkte t1',
t2',
t3' usw. zur Gewinnung eines zeitmodulierten Impulses herangezogen werden.
Bei dem in der F i g. 2 angedeuteten Modulator M ist angenommen, daß er bei den
genannten Zeitpunkten an seinem Ausgang A" jeweils einen Impuls abgibt. Die am Ausgang
A" auftretende Impulsfolge, die die gewünschte zu übertragende Information in Form
einer Pulsphasenmodulation enthält, ist der Vollständigkeit halber in der F i g.
3 ebenfalls angegeben.
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Das in der F i g. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Frequenzbandpressers
sieht eine übertragung der Abtastwerte der einzelnen Spektralkanäle in Raummultiplex
vor. Selbstverständlich können die Abtastwerte auch in Zeitmultiplex in einem Pulsrahmen
über eine einzige Leitung übertragen werden. Zu diesem Zweck ist es lediglich erforderlich,
daß die vom Impulsgenerator G gelieferte Steuerimpulsfolge zunächst einer Laufzeitkette
zugeführt wird, die hieraus eine der Anzahl der Spektralkanäle entsprechende Anzahl
gegeneinander phasenverschobener Steuerimpulsfolgen für die einzelnen Schalteinrichtungen
Se ableitet.
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Sofern die Abtastsignale in Form amplitudenmodulierter Impulse über
den Ausgang A (F i g. 2) abgenommen werden, ist es selbstverständlich nicht notwendig,
den Kondensator C mit einem konstanten Strom rückumzuladen, weil hierbei dem Verlauf
der Impulsrückflanken keine Bedeutung zukommt.