DE2112288B2 - Nachrichtenuebertragungssystem mit wenigstens zwei Endstellen zur digitalen UEbertragung von Sprache - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Nachrichtenübertragungssystem mit wenigstens zwei Endstellen zur digitalen Übertragung von Sprache oder von Signalen mit

•κι wiederholt auftretenden aufeinanderfolgenden periodischen Anteilen, bei dem der die wenigstens zwei Endstellen verbindende Übertragungsweg aus wenigstens zwei Wegabschnitten besteht, die unterschiedliche Übertragungsqualität aufweisen.

v> Bekannt ist es, wie beispielsweise aus dem Artikel »Vollautomatisches Fernmeldesystem mit Pulsmodulation für militärische Zwecke« aus »Elektrisches Nachrichtenwesen«, Band 42, Nr. 3, 1967, hervorgeht, ein Übertragungssystem mit wenigstens zwei Endstellen

5» aufzubauen, das Übertragungswege aufweist, die aus unterschiedlichen Wegabschnitten bestehen können. Weiterhin ist es bekannt, in diesem Nachrichtenübertragungssystem Pulscodemodulation zu verwenden. Allerdings ist bei diesem Nachrichtenübertragungssystem für

v> die Übertragung der digitalen Signale eine hohe Bitrate vorgesehen, die es mit sich bringt, daß Entfernungen über Funkverbindungen, die über Sichtweite hinausgehen, nur schwer zu überbrücken sind. Eine für die Funkverbindung günstigere niedrigere

Bitrate für die Übertragung der digitalen Signale hätte eine mindere Sprachqualität zur Folge.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Nachrichtenübertragungssystem anzugeben, bei dem diese Nachteile vermieden werden.

b5 Ausgehend von einem Nachrichtenübertragungssystem mit wenigstens zwei Endstellen zur digitalen Übertragung von Sprache oder von Signalen mit wiederholt auftretenden aufeinanderfolgenden periodi-

sehen Anteilen, bei dem der die wenigstens zwei Endstellen verbindende Übertragungsweg aus wenigstens zwei Wegabschnitten besteht, die unterschiedliche Übertragungsqualität aufweisen, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Übertragung innerhalb der Endstellen und auf geeigneten Wegabschnitten eine für die Sprach- oder Signalübertragung günstige primäre Bitrate gewählt ist, und daß an den Enden der Wegabschnitte, die nur eine Übertragung mit einer niedrigeren als der primären Bitrate gestatten, Umsetzer vorgesehen sind, die die primäre Bitrate in eine diesen Wegabschnitten angepaßte jeweilige niedrigere sekundäre Bitrate und umgekehrt umsetzen.

Nachrichtenübertragungssysteme der erfindungsgemäßen Art sind besonders geeignet beispielsweise für Fernsprechnetze, deren Vermittlungswege aus Kabeln cder aus Pulsstrecken unterschiedlicher Qualität bestehen können. Weiter lassen sich mit diesem Nachrichtenübertragungssystem Verbindungen zwischen ortsfesten und mobilen Endstellen realisieren, wobei zwischen dem mit der ortsfesten Endstelle verbundenen Sendeempfänger und dem Sendeempfänger der mobilen Endstelle keine Sichtverbindung bestehen muß.

Nach einer Ausbildung der Erfindung sind in den Endstellen sendeseitig Codierer vorgesehen, die eingangsseitige Sprachsignale in den primären Puls umsetzen und empfangsseitig sind Decodierer vorgesehen, die den primären Puls in den eingangsseitigen Signalen entsprechende ausgangsseitige Signale umsetzen.

Als vorteilhaft erweist es sich, Codierer und Decodierer für Pulscodemodulation vorzusehen.

Eine weitere Modulationsart für die Codierer und die Decodierer ist die Deltamodulation.

Bei der Umsetzung der primären Bilrate in eine niedrigere sekundäre Bitrate wird zweckmäßig von einem Verfahren der Redundanzreduktion Gebrauch gemacht, wie es an sich beispielsweise durch die Literaturstelle »IRE-Transaction on Audio« Vol. Au-5 Sept—Okt. 1958, Seite 104— 116 bekannt ist.

Vorteilhaft ist es, wenn als primärer Umsetzer eine Einrichtung vorgesehen ist, die den primären Puls in das ursprüngliche Signal rückumsetzt, die aus dem rückumgesetzten Signal die Grundfrequenz bestimmt, die ferner einen Teil der sich im Rhythmus der Grundfrequenz wiederholenden redundanten Perioden des rückumgesetzten Signals unterdrückt, die die verbleibenden Perioden zeitlich derart dehnt, daß die entstandenen Lücken zwischen den verbleibenden Perioden ausgefüllt werden, und die die zeitlich gedehnte Periode in den sekundären Puls umwandelt.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn zur Bestimmung der Grundfrequenz eine Einrichtung mit einer Laufzeitkette für das rückumgesetzte Signal vorgesehen ist, und daß an den Abgriffen der Laufzeitglieder gleicher Verzögerungszeit zyklisch zu äquidistanten Zeitpunkten Amplitudenproben entnommen werden, die jede der Amplitudenproben mit dem rückumgesetzten Signal unter Differenzbildung vergleicht, und bei der die kürzeste Zeitspanne zwischen der Entnahme der ersten Amplitudenprobe und dem Auftreten eines Minimalwertes bei der Differenzbildung als Kriterium für die Grundfrequenz des rückumgesetzten Signals dient.

Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn als sekundärer Umsetzer eine Einrichtung vorgesehen ist, die die Information über die Grundfrequenz dem sekundären Puls entnimmt, die den sekundären Puls in ein Hilfssignal umwandelt, dieses in Abhängigkeit von der Grundfrequenz pro Periode zeitlich paketförmig preßt, und die dadurch entstehenden Lücken im Hilfssignal zur Wiedergewinnung des rückumgesetzten Signals durch Wiederholung der jeweiligen Periode auffüllt und die das rückumgesetzte Signal in den primären Puls umsetzt.

Gemäß einer zweckmäßigen Albgestaltung der Erfindung ist als primärer Umsetzer eine Einrichtung ίο vorgesehen, die aus dem primären Puk die Grundfrequenz des Signals ermittelt, die einen Teil der sich im Rhythmus der Grundfrequenz wiederholenden redundanten Perioden innerhalb des primären Pulses unterdrückt und die die verbleibenden Perioden zeitlich ' ι' derart zum sekundären Puls dehnt, daß die entstandenen Puislücken ausgefüllt werden und die zusätzlich die Grundfrequenz abgibt.

Vorteilhaft ist es hierbei, wenn zeitlich nach einer verbleibenden Periode jede zweite bis vierte unterdrückt wird.

Weiter ist eine Einrichtung von Vorteil, die eine Information über die Grundfrequenz dem sekundären Puls hinzufügt

Als sekundärer Umsetzer ist eine Einrichtung 2) besonders vorteilhaft, die die Information über die Grundfrequenz dem sekundären Puls entnimmt, die den sekundären Puls in Abhängigkeit von der Grundfrequenz pro Periode zeitlich paketförmig preßt und die dadurch entstehenden Pulslücken durch Wiederholung der jeweiligen Pulspakete auffüllt

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Aufführungsbeispiele soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 Blockschaltbild des Nachrichtenübertragungssystems mit 2 Endstellen gemäß der Erfindung.

F i g. 2 Blockschaltbild einer mit der primären Bitrate angesteuerten Endstelle.

Fig.3 Blockschaltbild einer mit der sekundären Bitrate angesteuerten Endstelle. F i g. 4 Blockschaltbild eines primären Umsetzers. F i g. 5 Blockschaltbild eines sekundären Umsetzers. Fig.6 Beispiel eines typischen Spannungsverlaufes eines stimmhaften Lautes in analoger Darstellung.

F i g. 7 Beispiel eines typischen Spannungsverlaufes ■t 5 eines stimmhaften Lautes in digitaler Darstellung und

F i g. 8 Beispiel eines gedehnten digitalen Signales der sekundären Bitrate.

Das in F i g. 1 gezeigte Blockschaltbild eines Nachrichtenübertragungssystems gemäß der Erfindung enthält eine erste Endstelle 1, eine zweite Endstelle 2, zwei die beiden Endstellen verbindende Übertragungsmedien, beispielsweise Kabel 3 und 5, einen primären Umsetzer 4, der die beiden Kabel 3 und 5 miteinander verbindet und einen sekundären Umsetzer 6, der einerseits an die Endstelle 2 angeschaltet ist und der andererseits mit dem Kabel 5 verbunden ist

Von der Endstelle 1 werden zur Endstelle 2 Sprachinformationen mit Hilfe von digitalen Übertragungsverfahren wegen deren geringerer Störanfälligkeit übertragen. Das hier als Kabel ausgeführte, die Endstelle 1 mit dem Umsetzer 4 verbindende Übertragungsmedium 3 erlaubt eine Übertragung der in digitale Signale umgesetzten Sprache mit einer Bitrate, die eine gute Sprachqualität ermöglicht, beispielsweise also 19 kbit/s. Das Übertragungsmedium 5 läßt dagegen nur eine niedrigere Bitrate, beispielsweise 6 kbit/s zu. Die Ursache kann in der minderen Qualität des Kabels zu finden sein, wenn ein solches verwendet wird oder aber

darin, daß eine Funkverbindung verwendet wird, bei der Sender und Empfänger keine Sichtverbindung haben, in der Endstelle 1, die als Blockschaltbild in Fig.2 dargestellt ist, wird ein beispielsweise vom Mikrophon 7 aufgenommenes Sprachsignal im auch als Codierer bezeichneten Analog-Digitalwandler 9 in ein digitales Signal der höheren auf dem Übertragungsmedium 3 in F i g. 1 verwendeten Bitrate, die als primäre Bitrate bezeichnet wird, umgesetzt. Als Modulationsart empfiehlt sich, wie schon vorher dargelegt, Pulscodemodulationen oder aber Deltamodulation. Das codierte Sprachsignal gelangt von dem Analog-Digitalwandler 9 auf das Übertragungsmedium 10, das sowohl als Kabel als auch als Funkstrecke ausgeführt sein kann. Die auf dem Übertragungsweg 12 mit der primären Bitrate codierten, ankommenden Sprachsignale werden mit Hilfe des auch als Decodierer bezeichneten Digital-Analogwandlers 11 in ein Analogsignal umgesetzt und können beispielsweise mit Hilfe des Lautsprechers 8 hörbar gemacht werden.

Im Gegensatz zu dem in Fig.2 dargestellten Blockschaltbild einer Endstelle deren Analog-Digital-Wandler bzw. Digital-Analogwandler mit der primären Bitrate arbeiten, zeigt F i g. 3 ein Blockschaltbild einer mit der sekundären Bitrate angesteuerten Endstelle. Diese enthält zusätzlich einen dem Analog-Digitalwandler 9 in F i g. 3 nachgeschalteten primären Umsetzer 13 und ein dem Digital-Analogwandler 11 vorgeschalteten sekundären Umsetzer 14. Je ein Blockschaltbild dieser beiden Umsetzer sind in F i g. 4 und F i g. 5 dargestellt

Der primäre Umsetzer 13 setzt das vom Analog-Digitalwandler 9 in Fig.3 abgegebene digitalisierte Sprachsignal der primären Bitrate um in ein digitales Sprachsignal der sekundären Bitrate, während der sekundäre Umsetzer 14 das ankommende digitalisierte Sprachsignal der sekundären Bitrate umsetzt in ein digitalisiertes Sprachsignal der primären Bitrate, das im Digital-Analogwandler 11 dann in ein z. B. mit Hilfe des Lautsprechers 8 hörbares Sprachsignal überführt wird. Bevor zwei mögliche Methoden der Umsetzung der digitalisierten Sprachsignale näher erläutert werden, sei zum leichteren Verständnis dieser Methoden im folgenden kurz die Zusammensetzung der Sprache beschrieben.

Die Sprache setzt sich zusammen aus Vokalen, Halbvokalen, stimmhaften Konsonanten, stimmlosen Konsonanten und Explosivlauten. Stimmlose Konsonanten werden nur durch Geräusche gebildet, also nicht durch Stimmbandschwingungen, während bei stimmhaften Konsonanten Geräusche und Stimmbandschwingungen zusammenwirken. Die durch Geräusche erzeugten Laute weisen ebenso wie die Explosivlaute ein kontinuierliches Spektrum auf im Gegensatz zu Vokalen, die ein Linienspektrum aufweisen. Das Linienspektrum weist eine durch die Stimmbandlänge festgelegte und durch äußere Reize beeinflußbare Grundfrequenz auf und eine Anzahl von ganzzahligen Vielfachen dieser Grundfrequenz. Die semantische Bedeutung eines Vokales wird, wie Helmholtz festgestellt hat, fast ausschließlich von der Umhüllenden des Frequenzspektrums geprägt und bleibt nahezu unbeeinflußt von der Grundfrequenz des Lautes und von der gegenseitigen Phasenlage der einzelnen Frequenzkomponenten. Charakteristisch für jeden einzelnen Vokal ist die Lage von einigen ausgeprägten Maxima in der Hüllkurve des Frequenzspektrums, den sog. Formanten. Eine Darstellung des typischen Spannungsverlaufes eines stimmhaften Lautes (Vokales) in der Zeitebene zeigt Fig.6. Ihr ist zu entnehmen, daß sich die Schwingung mit der Zeit t 1 periodisch wiederholt, die der Grundfrequenz des Sprachsignals umgekehrt proportional ist, unabhängig davon, ob die in F i g. 6 abgebildete Schwingung die Grundfrequenz enthält oder nicht. Die Tatsache nun, daß sich der Kurvenverlauf nach der Zeit 11 periodisch wiederholt, kann derart ausgenutzt werden, daß bei dem Zwischensprachsignal,

ίο das aus Vokalen und Konsonanten besteht, beispielsweise zwei hintereinander folgende redundante Perioden weggelassen werden, und daß diese Zwischenräume durch Dehnen der noch vorhandenen Schwingungsperioden ausgefüllt werden. Dieses gedehnte Hilfssprach-

i'j signal kann mit langsamerer Bitrate, also beispielsweise der erwähnten sekundären Bitrate abgetastet werden, ohne einen wesentlichen Informationsverlust im Vergleich zu dem mit der primären Bitrate abgetasteten Signal in Kauf nehmen zu müssen. Bei dieser ersten

2(- Methode wird also die Ausdünnung des Zwischen sprachsignals, also auch der Konsonanten, die ebenfalls im Rhythmus der Grundfrequenz zerhackt werden, im analogen Bereich vorgenommen.

Im Gegensatz dazu verzichtet die zweite Methode auf

die Rückumsetzung des digitalen Sprachsignals in ein analoges Sprachsignal, die Ausdünnung und die Dehnung des analogen Sprachsignals und die Umsetzung in ein zu übertragendes digitales Signal der sekundären Bitrate. Es wird nur, wie Fig.4 für den

jo primären Umsetzer zeigt, die Grundfrequenz des digitalen Signals der primären Bitrate in der mit 16 bezeichneten Schaltung festgestellt, im Ausdünner 15 beispielsweise jeweils zwei redundante Perioden unterdrückt und eine Information über die Grundfrequenz

J5 dem gedehnten Signal hinzugefügt Anschließend

werden die verbleibenden Perioden ebenfalls im

Ausdünner 15 im Verhältnis der Unterdrückung

entsprechend gedehnt.

F i g. 7 zeigt ein Beispiel eines typischen Spannungs-

Verlaufes eines stimmhaften Lautes in digitaler Darstellung, bei dem sich, wie schon in F i g. 6 angedeutet, die Vokale mit der Periode 11 periodisch wiederholen. Beispielsweise werden die 2. und 3. redundante Periode dieses Signals unterdrückt und die erste Periode

gedehnt auf die Gesamtperiodendauer

Γ= 11 + /2 + 13. F ig. 8 zeigt das gedehnte Signal.

Der in Fig.5 dargestellte sekundäre Umsetzer wandelt das ankommende digitale Sprachsignal der sekundären Bitrate ebenfalls ohne Änderung der

so Modulationsart und der Frequenzlage in das digitale Signal der primären Bitrate um. Dazu wird durch die in F i g. 5 mit 18 bezeichnete Schaltung dem ankommenden Signal der sekundären Bitrate die Information über die Grundfrequenz entnommen und im Auffüller 17 das gedehnte Signal gemäß der Grundfrequenzinformation und im vorgegebenen Verhältnis gepreßt und die entstehenden Zwischenräume durch Wiederholen der jeweils ersten Periode aufgefüllt Das vom Auffüller 17 abgegebene digitale Signal der großen Bitrate wird anschließend vom Digital-Analogwandler 11 in Fig.3 in ein analoges Sprachsignal rücküberführt und kann mit Hilfe des Lautsprechers 8 hörbar gemacht werden. Diese zweite Methode hat den Vorteil, daß keine zusätzlichen Verluste entstehen durch Umsetzen des digitalen Signals der primären Bitrate in ein Analogsignal und dieses Analogsignals in ein digitales Signal der sekundären Bitrate bzw. des digitalen Signals der sekundären Bitrate in ein Analogsignal und dieses

Analogsignals in ein digitales Signal der primären ||

Bitrate. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den g

Fortfall der in der Zeichnung nicht näher gezeigten,
zusätzlich notwendigen Digital-Analog- bzw. Analog-Digiialumsetzer. >

Hierzu 2 Hlatt Zeichnungen ||

Claims (10)

211 12 288 Patentansprüche:

1. Nachrichtenübertragungssystem mit wenigstens zwei Endstellen zur digitalen Übertragung von Sprache oder von Signalen mit wiederholt auftretenden aufeinanderfolgenden periodischen Anteilen, bei dem der die wenigstens zwei Endstellen verbindende Übertragungsweg aus wenigstens zwei ^Vegabschnitten besteht, die unterschiedliche Übertragungsqualität aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß für die Übertragung innerhalb der Endstellen und auf geeigneten Wegabschnitten eine für die Sprach- oder Signalübertragung günstige primäre ßitrate gewählt ist, und daß an den Enden der Wegabschnitte, die nur eine Übertragung mit einer niedrigeren als der primären Bitrate gestatten. Umsetzer vorgesehen sind, die die primäre Bitrate in eine diesen Wegabschnitten angepaßte jeweilige niedrigere sekundäre Bitrate und umgekehrt umsetzen.

2. System nach Anspruch t. dadurch gekennzeichnet, daß in den Endstellen sendeseitig Codierer vorgesehen sind, die die eingangsseitigen Signale: in den primären Puls umsetzen, und daß empfangsseitig Decodierer vorgesehen sind, die den primären Puls in den eingangsseitigen Signalen entsprechende ausgangsseitige Signale umsetzen.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dab die Codierer und die Decodierer für Pulscodemodulation vorgesehen sind.

4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierer und die Decodierer für Deltamodulation vorgesehen sind.

5. System nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als primärer Umsetzer eine Einrichtung vorgesehen ist, die den primären Puls in das ursprüngliche Signal rückumsetzt, die aus dem rückumgesetzten Signal die Grundfrequenz bestimmt, die einen Teil der sich im Rhythmus der Grundfrequenz wiederholenden redundanten Perioden des rückumgesetzten Signals unterdrückt, die die verbleibenden Perioden zeitlich derart dehnt, daß die entstandenen Lücken zwischen den verbleibenden Perioden aufgefüllt werden und die die zeitlich gedehnte Periode in den sekundären Puls umwandelt.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Grundfrequenz eine Einrichtung mit einer Laufzeitkette für das rückumgesetzte Signal vorgesehen ist, und daß an den Abgriffen der Laufzeitglieder gleicher Verzögerungszeit zyklisch zu äquidistanten Zeitpunkten Amplitudenproben entnommen werden, die jede der Amplitudenproben mit dem rückumgesetzten Signal unter Differenzbildung vergleicht, und bei der die kürzeste Zeitspanne zwischen der Entnahme der ersten Amplitudenprobe und dem Auftreten eines Minimalwertes bei der Differenzbildung als Kriterium für die Grundfrequenz des rückumgesetzten Signals dient.

7. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als sekundärer Umsetzer eine Einrichtung vorgesehen ist, die die Information über die Grundfrequenz dem sekundären Puls entnimmt, die den sekundären Puls in ein Hilfssignal umwandelt, dieses in Abhängigkeit von der Grundfrequenz pro Periode zeitlich paketförmig preßt und die dadurch entstehenden Lücken im Hilfssignal zur Wiedergewinnung des rückumgesetzten Signals durch Wiederholung der jeweiligen Periode auffüllt und die das rückumgesetzte Signal in den primären Puls "· umsetzt.

8. System nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als primärer Umsetzer eine Einrichtung vorgesehen ist, die aus dem primären Puls die Grundfrequenz des Signals ermittelt die

!·■■ einen Teil der sich im Rhythmus der Grundfrequenz wiederholenden redundanten Perioden innerhalb des primären Pulses unterdrückt, die die verbleibenden Perioden zeitlich derart zum sekundären Puls dehnt, daß die entstandenen Pulslücken ausgefüllt

- ·"> werden und die zusätzlich die Grundfrequenz abgibt

9. System nach Anspruch 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, da3 zeitlich nach einer veihleibenden Periode jede zweite bis vierte unterdrückt wird.

10. System nach Anspruch 5 und 8, dadurch -'» gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine Information über die Grundfrequenz dem sekundären Puls hinzufügt.

U. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als sekundärer Umsetzer eine Einrich-

2"· tung vorgesehen ist, die die Information über die Grundfrequenz dem sekundären Puls entnimmt, die den sekundären Puls in Abhängigkeit von der Gi und frequenz pro Periode zeitlich paketförmig preßt und die dadurch entstehenden Pulslücken

«ι durch Wiederholung der jeweiligen Pulspakete auffüllt.