-
Übertragungssystem für die Übertragung breitbandiger Tonsignale Zusatz
zu P 2208805.7 In der Hauptanmeldung P 2208805.7 ist ein Verfahren zur Übertragung
von breitbandigen Tonsignalen vorgeschlagen worden, bei dem sendeseitig das Tonsignal
in einen tieferen und einen höheren Frequenzbereich unterteilt wird und der tiefere
Frequenzereich direkt übertragen wird, bei dem anstelle des höheren Frequenzbereiches
die Amplitudeninformationen der durch Aufspaltung dieses Frequenzbereiches mittels
Bandpässen eintstandenen Frequenzteilbereich übertragen werden, bei dem empfängerseitig
diese Amplitudeninforrnationen zur Modulation von etwa in der Mitte dieser senderseitig
aufgeteilten Frequenzteilberich liegenden Ersatzsignale dienen und diese derart
gewonnenen synthetischen Tonsignale der Frequenzteilbereiche des höheren Frequenzbereiches
mit dem empfangenen Tonsignal des tieferen Frequenzbereiches addiert werden Es hat
sich beim praktischen Betrieb eines Übertragungssystems unter Anwendung des vorgeschlagenen
Verfahrens herausgestellt, daß die empfängerseitige Wiederherstellung insebesondere
der menschlichen Stimme, sei es bei Sprache, sei es bei Gelang, den Anforderungen
an eine hochwertige Wiedergabe nicht in dem erwünschten Umfang gerecht wurde.
-
Die darauf angestellten Untersuchungen haben gezeigt, daß diese Erscheinung
mit der Eigenart der menschlichen Lauterzeugung zusammenhängt. Bei der menschlichen
Sprache handelt es sich nämlich um Tonsignale, die zumindest im oberen Frequenzbereich
ein kontinuierliches Spektrum besitzen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Übertragungssystem
so auszubilden, daß auch Tonsignale mit einer oben geschilderten Charakteristik
möglichst naturgetreu vom Empfänger wiedergegeben werden können.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Frfindung dadurch gelost
daß senderseitig ein zweiter, zusätzlicher Aufnahmekanal vorgesehen ist, dem Tonsignale
zugeführt werden die im oberen Frequenzbereich ein vorwiegend kontinuierliches Spektrum
besitzen, daß in diesem Aufnahmekanal ebenfalls eine Aufspaltung in einen unteren
und einen oberen Frequenzbereich stattfindet, daß das dem unteren Frequenzbereich
entsprechende Tonsignal mit dem entsprechenden Tonsignal des ersten Aufnahmekanals
in einer Addierschaltung zusammengefaßt und anschließend übertragen wird, daß das
Tonsignal des oberen Frequenzbereiches einer einzigen Gleichrichterschaltung zur
Bildung einer Amplitudeninformation zugeführt wird, daß diese Amplitudeninformation
ubertragen wird, und im EmpFänger zur Modulation einer Rauschspannung dient, deren
Frequenzspektrum demjenigen des oberen Frequenzbereich des senderseititj aufgenommenen
Tonsignals des zweiten Aufnahrnekanals entspricht.
-
Gemäß einer Weiterbildung des Übertragungssystems ist vorgesehen,
daß die Amplitudeninformationen des höheren Frequenzbereiches beider Aufnahmekanäle
zyklisch in jeweils aufeinanderfolgenden Zeitkanälen einem Hilfsträger aufmodul
iert werden.
-
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß für die Übertragung eines breiten
Frequenzbandes im oberen Frequenzbereich nur eine Frequenz benötigt wird.
-
Bei einer anderen Weiterbildung des Übertragungssystems, bei dem innerhalb
jedes Zyklus ein Zeitkanal fUr die Übertragung eines Synchronisiersignals vorgesehen
ist, wird die Amplitudeninformation, die dem oberen Frequenzbereich des zweiten
Aufnahmekanals entspricht, ze itlich unmittelbar vor dem Synchronisiersignal Ubertragen.
-
Dies hat insofern einen Vorteil, als ein Übersprechen von dem Kanal,
in welchem die Information fUr die Modulation der Rauschspannung übertragen wird
in einen der anderen Kanäle fUr die Amplitudeninformationen des höheren Frequenzbereiches
ausgeschlossen ist.
-
Eine möglichst gleichmäßige Wiedergabequalitat läßt sich dadurch erreichen,
daß empfängerseitig in einem geregelten Verstärker die Nachregelung der Amplitude
des Pilotsignals erfolgt, daß zur Regelung die Spannungsamplitude des Synchronisiersignals
dient, das der diesem Signal zugeordneten Klemme des rotierenden Schalters entnommen
wird und daß die an dieser Klemme anstehende Spannung Uber ein Siebglied mit groß
er Zeitkonstante (einige Sekunden) geführt wird.
-
Die Erfindung wird anhand der in den beigefügten Zeichnungen gezeigten
Einzelheiten des Übertragungssystems erläutert.
-
Fig.l zeigt eine Prinzip-Darstellung der Senderseite Fig.2 zeigt eine
Prinzip-Darstellung der Empfdngerseite Fig. 3 zeigt das mit den Amplitudeninformationen
der zyklisch aufeinanderfolgenden Frequenzteilbereichemodulierte Signal des tlilffrdgersbzw.
Pilotsignals Fig. 4 zeigt den Signalverlauf an verschiedenen Orten der Übertragungsweges
unter Berücksichtigung des Verhältnisses zwischen Abtastfrequenz und Bandbreite
des Pilotsignals.
-
Senderseltig sind, wie Fig. 1 zeigt, zwei getrennte Aufnahmekandle
vorhanden, die vereinfacht hier als Mikrofon 1 und Mikrofon 2 dargestellt sind,
denen jeweils ein Verstärker 3 bzw. 4 nachgeschaltet ist. Die zu dem ersten Aufnahmekanal
gehörenden Schaltungseinrichtungen sind im wesentlichen ein Tiefpaß 5, sowie die
Bandpässe 6, 7 und 8, deren Anzahl der Anzahl der gewUnschten Teilbereiche im oberen
Frequenzbereich entspricht. Sowohl der Tiefpaß 5 als auch die Bandpösse 6, 7 und
8 sind parallel am Ausgang des Versttirkers 3 angeschlossen.
-
Die Bandbreite des Tiefpasses 5 ist von dem gewunschten Umfang des
unteren Frequenzbereiches abhängig und liegt in den praktisch ausgefuhrten Anordnungen
etwa zwischen 4 bis 7 kHz.
-
Die Bandpässe 6, 7 und 8 teilen denjenigen Frequenzbereich, der oberhalb
der Grenzfrequenz des Tiefpasses 5 liegt in Frequenzteilbereiche auf, wobei die
Bandbreite der Bandpässe von der Gesamtbandbreite des oberen Frequenzbereiches und
der vorgesehenen Aufteilung dieses Frequenzbereiches, d.h.
-
der Anzahl der erforderlichen Bandpässe abhängig ist. Am Ausgang der
Bandpässe 6, 7 und 8 sind Gleichrichterschaltungen 11, 12 und 13 angeschlossen.
-
Die richten dds demjeweiligen Bandpass entsprechende Teilsignal gleich,
wodurch am Ausgang der Gleichrichterschaltungen eine von der Lautstärke abhöngige
Hilfsspannung, d.h. eine amplitudenabhängige Information geringer Bandbreite ansteht.
-
Damit ist also das Uber das Mikrofon 1 aufgenommene Signal in vier
Teilsignale aufgespalten, von denen eines, nämlich das dem unteren Frequenzbereich
entsprechendein der Original form erhalten bleibt, während die Ubrigen Teilsignale
lediglich als diskrete Amplitudeninformationen erkennbar sind.
-
Über einen zweiten Aufnahmekanal mit dem Mikrofon 2 und dem Verstärker
4 steht ein zweites Tonsignal an, das auch in einen unteren und einen oberen Frequenzbereich
aufgeteilt wird.
-
Dazu liegt am Ausgang des Verstärkers 4 einmal ein Tiefpaß 9, dessen
Bandbreite gleich oder kleiner derjenigen des Tiefpasses 5 ist, und andererseits
ein Hochpaß 10 für den gesamten oberen Frequenzbereich. Im Gegensatz zu dem ersten
Aufnahmekanal mit dem Mikrofon 1 und den nachgeschalteten Einrichtungen wird hier
das Gesamtsignal des oberen Frequenzbereiches einer Gleichrichteranordnung 14 zugeführt,
deren Ausgangssignal ebenfalls nur noch eine Ampl itudeninformation darstellt.
-
Alle Ampiitudeninformationen, also alle an den Ausgängen der Gleichrichter
11, 12, 13 und 14 anstehenden, gleichgerichteten Spannungen werden einer hier als
rotierenden Schalter 16 dargestellten Abtasteinrichtung zugeführt.
-
Dieser rotierender Schalter 16, bei dem es sich in der Praxis um einen
elektronischen zyklich arbeitenden Abtaster handelt, wie er fUr vielerlei Anwendungen,
bei denen ein Übergang von Raumvielfach zum Zeitvielfach stattfindet bekannt ist.
-
Der Abtaster 161 der Abtasteinrichtung 16 tastet mit einer bestimmten
Frequenz nacheinander alle Eingangskontakte 160 ab. Wie bereits angedeutet, sind
die Eingangskontakte 160 jeweils mit dem Ausgang einer Gleichrichtereinrichtung
verbunden.
-
Am Ausgang 162 des rotierenden Schalters 16 erscheinen damit nacheinander
Proben der zum Abtastzeitpunkt an den Eingangsklemmen 160 anstehenden Amplitudeninformationen.
Die Gesamtheit dieser Proben in Form von Spannung werten werden einem Modulator
18, dessen Aufbau und Arbeitsweise als in vielen Arten bekannt vorausgesetzt werden
kann, zugefuhrt.
-
Moduliert wird in dem Modulator 18 ein Hilfsträger oder Pilotsignal
der in einem Generator 19 erzeugt wird.
-
Das Ausgongssignal des Modulators 18 und die Ausgangssignale der Tiefpässe
5 und 9 werden in einer Summierschaltung 17 zusammengefaßt und als Sendersignal
übertragen, dies ist durch den Pfeil 20 angedeutet, Wie außerdem aus Fig.1 erkennbar
ist, liegt an einer der Eingangsklemmen 160 eine Spannungsquelle 15, die beispielsweise
eine negative Spannung seid;iewseirci innerhalb jedes Zyklus als Synchronisiersignal
für den noch zu erläuternden Empfänger Ubertragen.
-
In Fig.2 ist durch einen Pfeil 20, wie schon oben erwähnt, das übertragene
Signal angedeutet, das parallel einem Tiefpaß 21 und einem Bandpaß 22 zugeführt
wird.
-
Der Tiefpaß 21 entspricht hinsichtlich der Bandbreite genau dem Tiefpaß
5 auf der Senderseite, da er von dem Ubertragenen Signal 20 nur den in seiner Originalform
erhaltenen, unteren Frequenzteilbereich durchlassen soll.
-
Der von dem Bandpaß 22 durchgelassene Frequenzbereich entspricht der
fUr das modulierte Pilotsignal benötigten Bandbreite und liegt oberhalb der Grenzfrequenz
des Tiefpasses 21.
-
Es sei nur nebenbei erwähnt, daß es sich bei dem Signal 20 sender-
und empfongsseitig um das NF-Signal handelt, die fUr die eigentliche Aussendung
über die hier vollkommen unbeachtet gelassene Ubertragungsstrecke notwendigen Einrichtungen
sind hier nicht gezeigt und beschrieben.
-
Der Ausgang des Tiefpasses 21 ist mit einer Summierschaltung 34 verbunden.
-
Das von dem Bandpaß 22 durchgelassene mit den Amplitudeninformationen
modulierte Pilotsignal wird einem Demodulator 23 zugeführt, sodaß am Ausgang des
Demodulators 23 wieder die Gesamtfolge der Amplitudeninformationen abnehmbar ist,
die im wesentlichen die gleiche Signal folge wie die am Ausgang 162 der Abtasteinrichtung
16 (Fig .1 ) hat.
-
Diese Gesamtfolge der Amplitudeninformationen wird Uber einen Regelverstärker
38 auf den Eingang 262 eines rotierenden Schalters 26 gegeben. Schon aus der schematischen
Darstellung der Fig.2 erkennt man, daß es sich bei diesem Schalter 26 um einen gleichartigen
wie den Schalter 16 (Fig. 1) handelt, jedoch mit umgekehrtem Signal fluß, d.h.,
hier erfüllt dieser Schalter 26 keine Abtastsondern eine Verteiler-Funktion im Sinne
eines Überganges vom Zeitvielfach auf ein Raumvielfach.
-
Dies bedeutet, daß der Verteiler 261 mit der gleichen Frequenz umlaufen
muß wie der Abtaster 161 des Schalters 16. Da die einzelnen Frequenzteilbereiche
gemäß den Bandpässen 6, 7, 8 in festgelegten Zeitkanölen liegen, muß zwischen
demAbtaster
161 und dem Verteiler Synchronismus herrschen. Da in dem Zyklus senderseitig bereits
eine Zeitlage fUr die Übertragung eines Synchronisierzeichens vorgesehen ist und
dieses auch übertragen wird, muß empfängerseitig kieses Synchronisierzeichen wieder
selektiert und entsprechend ausgewertet werden. Dazu wird das am Ausgang des Regel
verstärkers 38 anstehende Gesamtsignal außer dem Schalter 26 auch noch einer Selektionseinrichtung
24 zugeführt. Diese Selektionseinrichtung 24 ist hier ein Amplifudensieb. Das Ausgangssignal
dieses Amplitudensiebes 24 wird einem Taktgenerator 25 zugeführt, dessen Taktfrequenz
die Zyklusfrequenz des Schalters 26 bestimmt und der durch das Ausgangssignal des
Amplitudensiebes 24 synchronisiert wird.
-
An den Ausgangsklemmen 260 des rotierenden Schalters 26 sind jeweils
Speicherkondensatoren 263 angeschlossen. In der Zeichnung sind diese aus Platzgründen
nur an den beschalteten Ausgangsklemmen 260 gezeigt.
-
Diese Speicherkondensatoren 263 speichern die uber den Verteiler 261
erhaltene Amplitudeninformation des jeweiligen Zeitkanals fUr die Dauer eines Zyklus.
-
Wie die Fig.2 weiterhin zeigt, enthielf der Empfdnger Oszillatoren
27, 28 und 29 die an Modulatoren 30, 31 und 32 angeschlossen sind. Die Oszillatoren
schwingen jeweils auf der Mittenfrequenz eines der durch die senderseitig vorgesehenen
Bandpässe 6, 7 und 8 selektierten Frequenzteilbereiches. Von den Speicherkondensatoren
263 gelangt jeweils die als Amplitudeninformation gespeicherte Spannung zu dem betreffenden
Modulator 30, 31 und 32, wo sie als Steuersignale für die Lautstarke der Ersatztöne
dienen.
-
Diese bisher beschriebenen Modulatoren 30, 31 und 32 mit den zugeordneten
Oszillatoren 27, 28 und 29 dienen zur Wiederherstellung des über den ersten Aufnahmekanal
mit dem Mikrofon 1 (Fig. 1) anstehenden oberen Frequenzbereiches.
-
Es hat sich aber in der Praxis gezeigt, daß die dort vorgenommenen
Aufteilung des oberen Frequenzbereiches von 6 bis 12 kHz in z.B. 12 Frequenzteilbereiche
für ganz bestimmte Tonsignale keine qualitatiqhohen Ansprüche genügende
Wiedergabe
gewiihrleistet. Eine Untersuchung des Frequenzspektrums von verschiedenen Musikinstrumenten
und der menschlichen Stimme führte zu der Erkenntnis, daß solche Tonsignale, deren
oberer Frequenzbereich ein gleichmäßiges bzw. kontinuierliches Spektrum darstellt,
bei der Wiederherstellung durch die Summe der bereits genannten diskreten Signale
von 12 Teilbereichen des oberen Frequenzbereiches qualitativ leiden.
-
Die Lösung dieses Problems zeigt das beschriebene Übertrogungssystem.
-
Für die Senderseite wurde bereits zusammen mit Fig.1 die Ausbildung
des zweiten Aufnahmekanals beschrieben. In Fig.2 ist u.a. eine Ausgangsklemme 264
gezeigt, deren Zeitlage im Gesamtzyklus derjenigen der Eingangsklemme 164 in Fig.1
entspricht, d.h. an der Klemme 264 des Empfängers steht die Amplitudeninformation
der Klemme 164 des Senders an, die mittels des Speicherkondensators 265 über einen
Zyklus gespeichert wird. Auch diese Amplitudeninformation wird wie alle anderen
einem Modulator 33 als Steuersignal zugeführt. Allerdings ist in diesem Fall ein
Rauschgenerator 36 mit nachgeschaltetem Hochpaß 35 an den Modulator 33 angeschlossen.
Das Ausgangssignal des Modulators 33 ist also ein in der Lautstärke veränderbares
Rauschsignal, dessen Frequenzspektrum durch entsprechende Abstimmung des Hochpasses
35 auf den Hochpaß 10 dem Rauschsignal auf der Senderseite gleich ist.
-
Das dem tieferen Frequenzbereich entsprechende Tonsignal des zweiten
Aufnahmekanals ist, wie bereits für Fig.1 beschrieben wurde, auf der Sendeseite
dem entsprechenden Tonsignal des ersten Aufnahmekanals zuaddiert worden. Damit ist
der Mehraufwand für die Verbesserung der Tonqual ität auf der Empfängerseite im
wesentlichen auf die Rauschquelle (32, 35, 36) beschränkt.
-
Die Ausgangssignale aller Modulatoren 30 bis 33 werden in einer Summierschaltung
34 mit dem Tonsignal des unteren Frequenzbereiches zusammengefaßt,
sodaß
das Ausgangssignal der Summienchaltung der Summe der senderseitig über beide Aufnahmekanäle
aufgenommenen Tonsignale entspricht.
-
Wie aus Fig.2 weiterhin hervorgeht, ist an eine der Ausgangsklemmen
260 des Schalters 26 ein Tiefpaß 37 geschaltet, dessen Ausgangssignal über eine
Verbindung einem Regel verstärker 38 als Steuersignal zugeführt wird. Die an dieser
Ausgangsklemme 260 anstehende Amplitudeninformation ist diejenige des Synchronisierzeichens,
das in dieser Zeitlage übertragen wird. Diese Amplitudeninformation wird in vorteilhafter
Weise zur Nächregelung der Amplitude des am Ausgang des Bandpasses 22 anstehenden
Pilotsignals ausgewertet.
-
Die Zeitkonstante des Tiefpasses 37 wird zweckmäßig in der Größenordnung
einer Sekunden gewählt. Die schaltungstechnische Realisierung der einzelnen Schaltkreiselemente,
wie z.B. des Regel verstärkers 38, der Modulatoren 30 bis 33 oder des Amplitudensiebes
24 gehört entweder zum handwerklichen Können oder diese Bausteine sind sogar in
handelsüblichen Ausführungen erhältlich.
-
In Fig.3 ist der zeitliche Verlauf des Pilotsignals in grober Darstellung
gezeigt.
-
Die Amplituden der einzelnen durch Ziffern bezeichneten Stufen entsprechen
den hier willkürlich gewählten Lautstärken der einzelnen Frequenzteilbereiche die
nacheinander durch den rotierenden Schalter 16 (Fig.1) abgetastet werden.
-
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß unter dem Gesichtspunkt einer
guten Wiedergabequalität die Reihenfolge der den Zeitkanäl en zugeordneten Frequenzteilbereiche
so gewählt ist, daß von diesen in einem Zyklus zuerst die Amplitudeninformation
über die niedrigste Frequenz des oberen Frequenzbereiches und zuletzt die über die
höchste Frequenz abgetastet wird.
-
In Fig.3 ist der über die gestrichelten Linien hinausgehende Pegel
derjenige des Synchronisierzeichens.
-
In Fig.4 ist noch einmal schematisch der Sender 5, ein Filter BP,
welches die Übertragungsbandbreite des Pilotsignais symbolisiert und der Empfänger
E dargestellt; anhand dieser Darstellung soll noch Frage der optimalen Pilotsignalbandbreite
im
Verhältnis zur Abtastfrequenz der rotierenden Schalter erörtert werden.
-
Der Einfachheit wegen sei angenommen, nur ein Kanal, hier der Zeitkanal
1 habe einAmplitudeninformation mit dem Maximalwert und alle anderen seien auf dem
O"Pegel.
-
Am Ausgang des senderseitigen rotierenden Schalters S erhält man eine
sogenannte Rechteckspannung wie in Fig.4a) und 4b) gezeigt. Die Rechteckspannung
wird zu der kontinuierlichen Spannungsform gewandelt unter dem Einfluß des Bandfilters
BP, dies gilt sowohl für den Kurvenverlauf unter 4a) als auch 4b). Die gestrichelten
Rechteckspannungen entstehen durch die empfängerseitige Abtastung der kontinuierlichen
Spannungen am Ausgang des Filters BP.
-
Wie in dem Verlauf 4a) zu sehen,sind hier die Filterbandbreite und
die Abtastfrequenz optimol aufeinander abgestimmt.
-
Der Verlauf 4b) zeigt, daß die Abtastfrequenz zu hoch ist im Verhältnis
zur Filterbandbreite; das bedeutet daß hier ein sogenanntes Übersprechen auf den
zweiten und sogar dritten Kanal entsteht.
-
Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein Übersprechen bei dem vorliegenden
Übertragungssystem im allgemeinen unkritisch ist, da es sich bei den Tonsignalen
des oberen Frequenzbereiches ohnehin um korrelierte Signale handelt.
-
Lediglich in einem Sonderfall muß dieses Übersprechen beachtet werden.
-
Dies ist der Fall bei dem Übersprechen des Rauschkanals in einen der
Kanüle mit einem Signal,das nur einem Teilbereich des oberen Frequenzbereiches enthält.
Dieser Fall ist deshalb störend weil das Rauschen einen stimmhoften Oberton beeinflußt.
-
Dieses Problem kann man durch eine günstige Ordnung in der Reihenfolge
der einzelnen Zeitlagen lösen. Man legt das Rauschen in eine Zeitlage unmittelbar
vor das Synchronisierzeichen, dessen Amplitudenwert unkritisch ist.
-
Will man auch die Gesamtlautstärke beeinflussen, z.B. im Sinne einer
Dynamikregelung, so kann man in dem Zyklus eine Zeitlage für die Übertagung eines
Dynamiksignals reservieren.
-
Diese Zeitlage ordnet man zweckmäßig unmittelbar hinter diejenige
des Synchronisiersignals ein, da dies unter dem erwähnten Gesichtspunkt des Ubersprechens
am günstigsten ist. Der Grund dafür ist, daß sich der Einfluß des Synchronisierzeichen
wegen der Konstanz des Wertes nicht störend bemerkbar macht.