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Schaltung zur Steuerung der Amplitudenverteilung eines Tonfrequenzspektrums
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Steuerung der Amplitudenverteilung eines
Tonfrequenzspektrums mit Hilfe mindestens eines an der Tonfrequenzspannung liegenden,
von Binärsignalen gesteuerten Schwingkreises aus Induktivität und Kapazität, insbesondere
für den Syntheseteil eines Vocoders. Bei dem sogenannten Formantenvocoder wird die
Kontinuität in gewissen Teilen der Einhüllenden des Frequenzspektrums der Sprachsignale
ausgenutzt, wenn das Spektrum in dem Syntheseteil des Vocoders wiederhergestellt
wird. Dies geschieht mit Hilfe sogenannter Formantenschaltungen, die ein Frequenzspektrum
mit möglichst naturgetreuer Amplitudenverteilung erzeugen, wobei die Einhüllende
jedes Spektrums ähnlich der Resonanzkurve eines Schwingkreises mit entsprechendem
Bereich ist und die Fonnantenschaltungen so dimensioniert sind, daß ihre Resonanzfrequenz
und Bandbreite in dem erforderlichen Bereich einstellbar sind.
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Ein Frequenzspektrum der oben beschriebenen Art kann mit Hilfe eines
Schwingkreises mit L im Längszweig und C im Querzweig erhalten werden. Ein
Nachteil ist jedoch, daß es bei Änderungen der Kapazität C im Querzweig der
LC-Schaltung mit Hilfe einer Reaktanzschaltung zwar möglich ist, die Resonanzfrequenz
in gewünschter Weise zu ändern, jedoch nicht die Bandbreite, da der Verlustwinkel
der Reaktanzschaltung einen festen Zusammenhang mit dem Kapazitätswert hat. Weiterhin
kann man in einer Reaktanzschaltung nicht durch einfache Mittel eine beliebige Kapazitätsänderung
erzielen. Außerdem sind Reaktanzschaltungen für große Kapazitätsänderungen sehr
störanfällig und neigen zum Selbstschwingen. Eine solche Schaltung ist in einem
Artikel in »The Journal of the Acoustical Society of America«, Bd. 28, 1956,
Nr. 6, S. 1099 bis 1106, beschrieben. Auf die gleiche Weise verursacht
eine Änderung des L-Wertes im Längszweig eine Änderung der Bandbreite, die fest
mit L verknüpft ist, so daß es bei Änderungen des C- und des L-Wertes ohne
weitere Maßnahmen nicht möglich ist, eine unabhängige Änderung der Bandbreite oder
der Resonanzfrequenz zu erzielen.
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Ziel der Erfindung ist eine Schaltung, die eine hohe Stabilität aufweist,
exakt verschiedene Amplitudenverteilungen reproduzieren kann und ein hohes Signal-Geräusch-Verhältnis
aufweist.
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Die Schaltung gemäß der Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingkreis zur Einstellung von Resonanzfrequenz und Bandbreite eine Anzahl
von jeweils über die Emitter-Kollektorstrecke eines zugeordneten Transistors einschaltbare
Kondensatoren, gegebenenfalls mit Parallelwiderständen, enthält und daß die Basiselektroden
der Transistoren mit den Ausgängen einer die Binärsignale in entsprechende Schaltpotentiale
umwandelnden Umsetzerschaltung verbunden sind.
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Die Schaltung gemäß der Erfindung ermöglicht, jede der Kapazitäten
mit einem Widerstand zu kombinieren, der so gewählt ist, daß der Verlustwinkel den
gewünschten Wert annimmt, wodurch die gewünschte Amplitudenverteilung exakt verwirklicht
werden kann.
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Die Erfindung wird genauer im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der F i g. 1 ein Frequenzspektrum
zeigt, das in dem Syntheseteil einesFormantenvocoders erzeugtwerden soll,
F
i g. 2 ein Blockschaltbild von zwei Formantenschaltungen in dem Syntheseteil
eines Formantenvocoders und
F i g. 3 ein mehr ins einzelne
gehendes Schaltbild der Schaltung gemäß der Erfindung darstellt.
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F i g. 1 zeigt in logarithmischem Maßstab ein Beispiel eines
Frequenzspektrums, das mit Hilfe einer Schaltung gemäß der Erfindung erzeugt werden
soll. Um die gewünschte Amplitudenverteilung exakt zu erreichen, muß man die Möglichkeit
haben, die Bandbreite zu verändern und die MaximaFl, F2 und F3 in beiden
Richtungen in dem Frequenzspektrum zu verschieben, welches man als aus einzelnen
Resonanzkurven zusammengesetzt betrachten kann.
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F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild des Syntheseteils eines
Formantenvocoders mit einer Amplitudensteuerschaltung gemäß der Erfindung. Auf den
Steuereingang gelangen Folgen von Binärsignalen, die Informationen zur Steuerung
von z. B. drei Formantenschaltungen und andere Informationen z. B. für die Wiederherstellung
der Konsonanten enthalten. In F i g. 2 wird nur die Steuerung der Formantenschaltungen
Fl und F2 für die entsprechenden Maxima der F i g. 1 gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel
wird die Steuerung der Formantenschaltungen mit Hilfe von sechzehn Parametern ausgeführt,
die durch eine vierstellige Binärzahl festgelegt sind. Die vier Binärsignale, die
zu einer bestimmten Formantenschaltung gehören, werden je-
weils aus der Impulsfolge
am Steuereingang mit Hilfe beispielsweise eines Serien-Parallel-Umwanälers erhalten,
der die vier Binärsignale auf vier Kippstufen Yll ... V 14 bzw. V
21 ... V24 gibt. In übereinstimmung mit den erhaltenen Binärsignalen ergibt
sich jeweils ein Signal an vier der insgesamt acht Ausgänge der Kippstufen, während
an den vier anderen Ausgängen kein Signal auftritt. Die acht Ausgänge von
je vier Kippstufen sind mit einer Diodemnatrix verbunden, welche die auf
diese Weise erhaltenen Informationen in eine Information an sechzehn Ausgängen Übersetzt,
derart, daß das Potential der sechzehn Ausgänge der Diodenmatrix in Ab-
hängigkeit
von der eingegebenen Binärinforination gesteuert wird. Diese sechzehn Ausgänge sind
mit einem Schalter verbunden, der im einzelnen weiter unten beschrieben wird. In
F i g. 2 sind die Schalter nur schematisch zusammen mit dem Schwingkreis
gezeigt, der sechzehn parallel schaltbare Kapazitäten Cl ...
C16 im Querzweig und eine Induktivität L und einen einstellbaren Widerstand
R im Längszweig sowie einen Eingangs- und einen Ausgangsverstärker aufweist.
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F i g. 3 zeigt einen herkömmlichen Binärübersetzer BO aus einer
Diodenmatrix, in der die Dioden an den Kreuzungspunkten von acht von den Kippstufen
Vll ... V 14 bzw. V 21 ... V24 der Fig.2 ankommenden und sechzehn
abgehenden Leitern 1 ... 16 angeordnet sind, welche über je einen
Widerstand R 17, R 18 ... R 36 und einen gemein-Widerstand
R 37 am Potential 0 Volt liegen. Die »0«-Ausgangsklemmen der Kippstufen
haben ein so niedriges Potential, z. B. - 5Volt, daß die zwischen diesen
Klemmen und den Ausgangsleitern 1 . . . 16
liegenden Dioden (z. B.
D 1-2) leitend sind, wodurch die letztgenannten Leiter auf diesem
niedrigen Potential gehalten werden. Wenn jedoch ein entsprechendes Binärsignal
auf eine der Kippstufen gelangt, wird eine höhere Spannung, z. B. - 1 Volt,
an der »1«-Ausgangsklemme der betreffenden Kippstufe erhalten, so daß alle Dioden,
die mit dieser Klemme verbunden sind (z. B. D 2-1; D 16-1, D 16-3,
D 16-5,
D 16-7), gesperrt sind. Auf Grund dieser Tatsache wird eine
höhere Spannung an denjenigen Ausgangsleitern erhalten, mit denen die andere Klemme
der betreffenden Dioden verbunden ist. Die Ausgänge 1 ... 16 des Binärübersetzers
BO sind über RC-Schaltungen Cc 1-Rr 1, Cc 2-Rr 2 ... Cc16-Rr16
mit derBasisderTransistorenTl,T2 ... T 16 verbunden. Wenn das
Potential der Basis erhöht wird, wird der betreffende Transistor leitend. In der
Kollektorzuleitung jedes Transistors T 1 ... T16 liegt eineKapazität
Cl, C2 ... C16, gegebenenfalls mit Parallelwiderstand R
1, R 2 ... R 16, die zusammen den Querzweig des
Schwingkreises bilden. Sobald der zu der entsprechenden Kapazität C
1 . . . C 16 gehörende Transistor Tl ... T16 leitend wird,
liegt diese Kapazität zwischen dem einen Ende der Induktivität L und einem Bezugsleiter,
welcher über den Spannungsteiler aus den Widerständen Re und Rd Gleichspannungspotential
erhält und über den Kondensator Cb wechselspannungsmäßig an Erde liegt. Auf diese
Weise kann die gewünschte Resonanzfrequenz für den Schwingkreis erhalten werden.
An dem Eingang ist dem Schwingkreis über einen Widerstand R ein Emitterfolger aus
dem Transistor Ta mit den Widerständen Ra, Rb, Rc und einem Koppelkondensator
Ca vorgeschaltet, um die Eingangsimpedanz von z. B. 10 Kiloohm auf 200 Ohm
zu übersetzen. Am Ausgang ist ein doppelter Emitterfolger mit den Transistoren
Tb und Tc und dem Widerstand Rf vorgesehen, der eine Eingangsimpedanz
von z. B. etwa 1 Megohm und einer Ausgangsimpedanz von etwa 10 Kiloohm
aufweist. Der Vorteil der Schaltung gemäß der Erfindung liegt darin, daß alle Transistoren
und Matrixdioden, die in den Kapazitätszweigen und in den Kippstufen angeordnet
sind, geerdet sind, so daß eine Temperaturschwankung die Stabilität der Schaltung
nicht beeinflußt. Die Resonanzfrequenz und die Bandbreite des Schwingkreises der
Schaltung werden nur von der Induktivität L und der jeweils wirksamen Kapazität
Cl ... C16 bestimmt. Dadurch wird eine gute Stabilität während einer langen
Zeit ermöglicht, d. h. eine Sicherheit gegen Alterungserscheinungen, und
es wird auch die exakte Reproduktion verschiedener Amplitudenverteilungen vereinfacht.
Infolge der Tatsache, daß parallel zu jeder Kapazität Cl, C2 ...
C 1.6 ein Widerstand R 1,
R 2 ...
R 16 geschaltet werden kann, dessen Wert geeignet gewählt ist, können
Verlustwinkel und Bandbreite genau festgelegt werden. Ein beachtlicher Vorteil ist
das hohe Signal-Geräusch-Verhältnis von z. B. bis zu 60 db in der erfindungsgemäßen
Schaltung gegenüber bekannten Einrichtungen, z. B. einer Reaktanzschaltung, bei
der das Impulssignal einen definierten, relativ niedrigen Schwellenwert in bezug
auf den Geräuschpegel nicht überschreiten darf.