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Verfahren zur Ubertragung von breitbandigen Tons ignalen Die Erfindung
befaßt sich mit einem Verfahren zur Übertragung von breitbandigen Tonsignalen.
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Bei schmalbandigen Sprachsignalen ist es bereits bekannt, das Sprachsignal
in mehrere Spektralbereiche aufzuteilen, deren Intensitätsschwankungen durch Gleichrichtung
in mit der Lautstärke schwankende Hilfssignale umzuwandeln, die sehr schmalbandig
übertragen werden. Empfängerseitig werden synthetische Sprachsignale dadurch gewonnen,
daß Generatoren oder Rauschgeneratoren Ersatzsignale erzeugen, die den ursprünglichen
Spektralbereichen zugeordnet sind und mit Hilfe von Modulatoren diese Ersatzsignale
mit den senderseitig abgegebenen Hilfssignalen moduliert werden.
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Ein derartiges System ist unter der Bezeichnung 'tVocoder" bekannt.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, mit einer Bandbreite von 400 bis 500
Hz Sprachsignale zu übertragen, zu deren tfbertragung man normalerweise 3 kHz Bandbreite
benötigt. Aufgrund des relativ unzureichenden Ergebnisses konnte sich dieses Verfahren
nicht breit durchsetzen. Es können nämlich auf diese Weise zwar durchaus verständliche
Sprachinformationen übertragen
werden, jedoch ist die Erkennung
des Sprechers nicht mehr möglich, da Tonhöhens chwankungen und die spezifischen
Spracheigenarten nicht mit übertragen werden.
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Die Erfindung stellt sich eine erheblich erweiterte Aufgabe, nämlich
mit relativ geringer Bandbreite die Ubertragung breitbandiger Tonsignale (von ca.
12 bis 16 kHz), vorzugsweise hochwertiger musikalischer Darbietungen zu ermöglichen,
so daß als Endergebnis mit ca. 6 bis 8 kHz Bandbreite die Ubertragung eines hochwertigen
Tonsignals ähnlich einem High-Fidelity-Signal möglich ist.
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Die Erfindung geht von der Feststellung aus, daß das menschliche Gehör
nur bis zu einer bestimmten Frequenz, die je nach Versuchsperson etwas unter oder
oberhalb von 5 kHz liegt, in der Lage ist, bestimmte Töne nach harmonischen Gesetzen
einander zuzuordnen.
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So ist es z. B. jedem einigermaßen musikalischen Menschen möglich,
zu einem Grundton von 2 kHz den Oktavton von 4 kHz eindeutig zu bestimmen. Bereits
sehr viele Versuchspersonen sind jedoch nicht mehr in der Lage, zu 3 kHz den 6-kHz-Oktavton
genau zu bestimmen.
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Praktisch keine Versuchsperson kann mit Sicherheit zu einem 4-kHz-Ton
den entsprechenden 8-kHz-Oktavton festlegen. Höhere Oktavtöne können bis ca. 10
% verstimmt werden, ehe wenigstens ein Teil der Versuchspersonen diese Verstimmung
bemerkt.
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Aufbauend auf dieser Erkenntnis schlägt die Erfindung vor, daß senderseitig
das Tonsignal (z.B. mittels eines Tiefpasses) in einen tieferen und einen höheren
Frequenzbereich unterteilt wird und der tiefere Frequenzbereich direkt übertragen
wird und anstelle des
höheren Frequenzbereichs die Amplitudeninformationen
der durch Aufspaltung dieses Frequenzbereiches mittels Bandpäs sen entstandenen
Frequenzteilbereiche übertragen werden, und empfängers eitig diese Amplitudeninformationen
zur Modulation von etwa in der Mitte senderseitig aufgeteilten Frequenzteilbereiche
liegenden Ersatz signalen dienen und diese derart gewonnenen synthetischen T onsignale
der Frequenzteilbereiche des höheren Frequenzbereichs mit dem empfangenen Tonsignal
des tieferen Frequenzbereichs addiert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur gemeinsamen
Ubertragung dieser Amplitudeninformationen mit dem tieferen Frequenzbereich Pilotfrequenzen
dienen, die oberhalb des tieferen Frequenzbereiches liegen und einen niedrigen gegenseitigen
Frequenzabstand (von z.B. 50 oder 100 Hz) aufweisen und empfängerseitig diese Pilotsignale
(z.B. mittels multiplikativer Demodulatoren) demoduliert werden. Dadurch erreicht
man, daß nicht für jede Information ein separater Kanal vorgesehen werden muß. Weiterhin
wird vorgeschlagen, die Frequenzabstände der Pilotfrequenzen gleich groß zu wählen.
Das hat den Vorteil, empfängerseitig durch Frequenzve rvielfachung der gemeinsamen
Subharmonischen die Pilotfrequenzen zur multiplikativen Demodulation erzeugen zu
können.
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Nach einer weiteren Ausbildung wird der Frequenzabstand gleich der
Netzfrequenz bzw. beim Fernsehen der Rasterfrequenz (50 bzw. 60 Hz) oder einem ganzzahligen
Vielfachen dieser Frequenz gewählt, um bereits auf beiden Seiten vorhandene Frequenzen
zu verwenden. Nach einem weiteren Merkmal wird vorgeschlagen, daß zur gemeinsamen
Übertragung des tieferen
Frequenzbereichs und der Amplitudeninformationen
des höheren Frequenzbereiches die letzteren sequentiell einem einzigen, oberhalb
des tieferen Frequenzbereiches liegenden Hilfsträger aufmoduliert werden und empfängers
eitig dieser Hilfsträger demoduliert wird und die Amplitudeninformationen durch
eine synchron mit der senderseitigen sequentiellen Modulation arbeitende Zeitselektion
wieder getrennt werden.
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Nach einer weiteren Ausbildung ist vorgesehen, daß zur Synchronisation
der zur Zeitselektion dienenden Schalteinrichtungen auf der Sender- und Empfängerseite
Vielfache oder Subharmonische der Frequenzen dienen, die beiden Seiten zur Verfügung
stehen, z. B. Netzfrequenz oder bei Fernsehübertragungen Rasterfrequenz bzw. Zeilenfrequenz.
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Nach einem weiteren Merkmal wird vorgesehen, daß bei getrennter Ubertragung
des tieferen Frequenzbereiches und der Amplitudeninformationen des höheren Frequenzbereiches
bei sequentieller Ubertragung ein Hilfsträger und bei simultaner Ubertragung mehrere
Hilfsträger zur Anwendung kommen, deren Frequenz dem Ubertragungskanal angepaßt
ist.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind sehr vielfältig.
So kann man z.B. über zwei Telefonkanäle (2 x 3 kHz) ein vollwertiges Rundfunksignal
übertragen. Darüber hinaus ist es z. B. bei Fernsehen möglich, ein vollwertiges
Tonsignal mit allen bekannten Verfahren zu übertragen, die eine Abtastfrequenz gleich
der Zeilenfrequenz verwenden und deshalb mit Rücksicht auf das Abtasttheorem nur
eine maximale Bandbreite von 7, 5 kHz zulassen.
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Insbesondere trifft dies zu bei der Ubertragung von Tonsignalen während
der Horizontalaustastlücke.
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Anhand der Ausführungsbeispiele der beigefügten Zeichnungen sei im
folgenden die Erfindung und weitere ihrer Merkmale und Vorteile näher erläutert.
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In Fig. la, die die senderseitige Anordnung zeigt, ist 1 die Eingangsklemme,
der das breitbandige zu übertragende Tonsignal zugeführt wird. 2 ist ein Tiefpaß,
dessen Bandbreite abhängig von der qualitativen Anforderung zwischen 5 und 8 kHz
liegen kann. Die Bandpässe 3, 7 und 11 spalten den höheren, den Tiefpaß nicht passierenden
Frequenzbereich in Teilbereiche auf, wobei diese Aufspaltung vorzugsweise mit einer
logarithmischen Staffelung erfolgt. So kann man z.B. die Oktave von 7 kHz bis 14
kHz in 12 Teilbereiche zerlegen, die den Halbtönen dieser Oktave entsprechen. Nach
den Filtern 3, 7 und 11 folgen Gleichrichter 4,8 und 12, die die in die betreffenden
Frequenzbereiche fallenden Signalanteile gleichrichten und somit eine von der Lautstärke
dieser Signale abhängige Hilfsspannung sehr niedriger Bandbreite (z. B. 50 oder
100 Hz) erzeugen. Diese lautstärkeabhängigen Hilfssignale werden zwecks Ubertragung
den mit den Generatoren 6, 10 und 14 erzeugten Pilotfrequenzen fl, f2 und f3 in
den Modulatoren 5, 9 und 13 aufmoduliert. Die Frequenzen f1 bis f3 dieser Pilotsignale
liegen bei gemeinsamer Ubertragung mit dem tieferen Frequenzbereich oberhalb der
Frequenzgrenze des Tiefpasses 2 und haben einen Frequenzabstand von etwa z.B. 50
oder 100 Hz. In besonders vorteilhafter Weise wird vorgeschlagen, den Frequenzabstand
der Pilotsignale gleich der Netzfrequenz bzw. beim Fernsehen gleich der Rasterfrequenz,
d.h. in Europa gleich 50 Hz und in Amerika gleich 60 Hz, oder einem Vielfachen dieser
Frequenzen zu wählen.
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In einer Mischschaltung 15 werden schließlich die so gewonnenen n
Pilotsignale mit dem den Tiefpaß verlassenden bandbreitenbegrenzen Tonsignal addiert
und in an sich bekannter Weise entweder direkt oder einem Träger aufmoduliert übertragen.
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Fig. lb zeigt die empfängerseitige Anordnung. Dabei ist 16 der Eingang
des übertragenen Signals. Für den Fal 1, daß es in modulierter Form übertragen worden
ist, ist 16 der Eingang nach der Demodulation. 17 ist ein empfängerseitiger Tiefpaß,
dessen Bandbreite weitgehend identisch ist mit der Bandbreite des senderseitigen
Tiefpasses 2. Mit 18, 23 und 28 sind multiplikative Demodulatoren für die Pilotfrequenzen
bezeichnet. 21, 26 und 31 sind Signalquellen mit den unmodulierten Pilotfrequenzen
f1, f2 und f3, die zwecks multiplikativer Demodulation ebenfalls den Demodulatoren
18, 23 und 28 zugeführt werden. 19, 24 und 29 sind einfache Tiefpaßschaltungen,
deren Bandbreite der Bandbreite der senderseitigen amplitudenabhängigen Hilfssignale
angepaßt sind (also z. B. eine Bandbreite von ca. 50 oder 100 Hz aufweisen). 20,
25 und 30 sind wiederum Modulatoren, mit denen die rückgewonnenen amplitudenabhängigen
Hilfssignale Ersatzfrequenzen f , f und f modulieren, die jeweils etwa x y z in
der Mitte der Durchlaßbereiche der senderseitigen Bandpässe 3, 7 und 11 liegen.
Diese Ersatzfrequenzen werden mit den Generatoren 22, 27 und 32 erzeugt. In der
Addierschaltung 33 werden schließlich die so modulierten Hilfsfrequenzen mit dem
vom Tiefpaß 17 kommenden bandbreitenbegrenzten Tonsignal addiert und über den Verstärker
34 dem Lautsprecher 35 zugeführt.
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Die Frequenzen fl, f2 und f3 der Generatoren 21, 26 und 31, die zur
multiplikativen Demodulation benötigt werden, müssen mit an sich bekannten Mitteln
mit den entsprechenden Frequenzen auf der Sender seite synchronisiert werden. Dies
kann auf verschiedenste
Weise erfolgen. Einmal ist es möglich, diese
Frequenzen durch Frequenzvervielfachung einer an beiden Orten zur Verfügung stehenden
Grundfrequenz, z.B. der Netzfrequenz oder bei Fernsehübertragungen der Ras terfrequenz,
zu gewinnen. Selbstverständlich kann man aber auch zusätzliche Hilfssignale zur
SynchrDnisation dieser Oszillatoren übertragen.
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Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 2a und 2b sind für gleiche
Teile die gleichen Bezugszeichen wie bei den Fig. la und lb verwendet.
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In Fig. 2a, die die senderseitige Anordnung zeigt, ist anstelle der
Multiplikatoren 5, 9 und 13 und der Oszillatoren 6, 10 und 14 der Fig. la nur ein
einziger Oszillator 38 und ein einziger Multiplikator 37 vorgesehen. 36 ist eine
Schalteranordnung, die zeitlich nacheinander die durch Gleichrichtung der Gleichrichter
4, 8 und 12 gewonnenen amplitudenabhängigen Hilfssignale der Modulationsschaltung
37 zuführen. Die Ubertragung dieser Hilfssignale erfolgt also zeitsequentiell über
ein einziges Pilotsignal. Empfängers eitig wird deshalb auch nur ein einziger Demodulator
39 zur Demodulation dieses Pilotsignals benötigt. Das demodulierte Signal wird über
die Schaltereinrichtung 40 mit den Speicherschaltungen 41, 42 und 43 verbunden.
Dabei läuft der Schalter 40 synchron mit dem senderseitigen Schalter 36, so daß
am Ausgang der Speichereinrichtungen 41, 42, 43 wieder die gleichen Hilfssignale
erscheinen wie senderseitig hinter den Gleichrichtern 4, 8 und 12. Die Synchronisation
dieser beiden Schalter kann mit an sich bekannten Schalotungen erfolgen.
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So kann z. B. dieser Schalter mit einer Frequenz gleich einem ganzen
Vielfachen der Netzfrequenz oder einem Vielfachen der Rasterfrequenz bei Fernsehübertragungen
oder auch mit einer Frequenz gleich
einer Subharmonischen der Zeilenfrequenz
bei Fernsehübertragungen synchronisiert werden. Dabei kann die Anfangsphase z.B.
mit dem Vertikalsynchronisierimpuls bei Fernsehsignalen synchronisiert werden. Bei
Anwendung außerhalb des Fernsehens kann man aber auch das Synchronisiersignal zusätzlich
übertragen. Mit den hinter den Speicherschaltungen 41, 42, 43 gebildeten Hilfssignalen
werden wiederum die Ersatzfrequenzen f , f und f mit Hilfe der Modulax y z toren
20, 25 und 30 moduliert.
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Für den Fall, daß es zulässig ist, daß zwei Ubertragungskanäle zur
Anwendung kommen, ist es besonders vorteilhaft, den tieferen Frequenzbereich in
dem einen Ubertragungskanal zu übertragen und in dem zweiten Ubertragungskanal Pilotfrequenzen
zu übertragen, deren Frequenzabstand so groß ist, daß mit Hilfe einfacher Selektionsmittel
und einfacher Demodulatoren eine empfängerseitige Trennung möglich ist und somit
keine multiplikative Demodulation erforderlich ist. Genauso ist es denkbar, die
sequentielle Ubertragung der Amplitudenhilfssignale in einem vom tieferen Frequenzbereich
abgetrennten zweiten Kanal zu übertragen. Da die Bandbreite für die Ubertragung
dieser Hilfsfrequenzen sehr schmal sein kann, können sie in einem Bruchteil der
Bandbreite eines Telefonkanals übertragen werden.
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7 Patentansprüche 2 B1. Zeichn.