DE2904426A1 - Analog-sprach-codierer und decodierer - Google Patents

Description

KARL H. WAGNER sooo München 22

GEWÜRZMÜHLSRASSE 5 St POSTFACH 246

6. Februar 1979 78-LK-3413

Harald E. W. Bode, North Tonawanda, N.Y./ U.S.A.

Analog-Sprach-Codierer und Decodierer

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Codierer und Decodierer für Sprache und andere geeignete Töne, und zwar insbesondere auf die Realzeiterzeugung der Obertonstruktur der Sprache oder anderer ausgewählter Töne und auf die übertragung dieser Obertonstruktur auf Trägersignale mit einer hinreichenden Menge an Obertönen, so daß der Träger mit den Eigenschaften des in den Codierereingang eingegebenen Originalton "spricht" oder "singt" oder zur Vorführung gelangt.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Vorrichtung vorzusehen, die mit einer beträchtlich verbesserten Verständlichkeit und Wiedergabetreue arbeitet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat dabei den Vorteil, daß sie eine wesentlich vereinfachte Schaltung verwendet. Ferner zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine erhöhte Zuverlässigkeit. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Analog-Codier- und Decodiervorrichtung vorzusehen, die außerordentlich vielseitig anwendbar ist. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht dabei darin, daß ein beträchtlich verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Rauschzahl) erreicht wird.

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Es sei nunmehr der Stand der Technik diskutiert. Bekannte Analog-Codierer und Decodierer zur Übertragung der Obertonstruktur der Sprache oder anderer geeigneter Töne auf einen neuen Träger arbeiten mit einer Vielzahl von schmalen Bandpassfiltern, die den gesamten Sprachfrequenzberexch abdecken, wobei jeder dieser Bandpassfilter mit einem Gleichrichter und einer Siebschaltung (ripple filter) im Codierabschnitt verbunden ist, um Steuerspannungen zu erzeugen, welche den relativen Amplituden der Obertöne der Sprache oder anderer ausgewählter Töne entsprechen, die in den Eingang eingespeist werden, und wobei ferner eine Vielzahl von Schmalbandfiltern im Docodierabschnitt vorgesehen ist, und zwar entsprechend denjenigen des Codierabschnitts, und zwar unter Vorausschaltung von spannungsgesteuerten Verstärkern. Ferner weisen diese Codierer und Decodierer Mittel auf, um nicht erklingende Töne, wie beispielsweise "s"-Töne oder Konsonanten zu synthetisieren, wobei diese Mittel aus einem Rauschgenerator und einer durch die Stimme aktivierten Schaltung bestehen, welch letztere das Rauschsignal in den Decodierabschnitt bei Vorhandensein von "s"-Tönen oder Konsonanten einspeist, und welche das Trägersignal in den Decodierabschnitt bei Vorhandensein von Vokalen oder klingenden (ausgesprochenen) Tönen eingibt.

Dieser Schaltprozess ist stets mit einer endlichen Zeitkonstante verbunden, was im Falle von Explosionskonsonanten, wie beispielsweise b, p, d, t, g, k und q, die getreue Verarbeitung der Sprachtöne ernsthaft stört. Es wurde nunmehr erkannt, daß dann, wenn ein Hochfrequenzteil des Sprachtons vom Prozess der Codierung und Decodierung ausgeschlossen wird und direkt vom Eingang des Codierers zum Ausgang des Decodierers eingespeist wird? wo die Rekombination mit den im Niederfrequenzbereich verarbeiteten Signalen erfolgt, die Verständlichkeit und Wiedergabetreue beträchtlich erhöht werden kann, ohne daß die beabsichtigte Wiedergabe der verarbeiteten ausgesprochenen stimmnaften Töne nachteilig beeinflußt wird.

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Ein Hauptmerkmal der Erfindung besteht daher darin, mindestens einen Teil der Synthese der nicht erklungenen (nicht ausgesprochenen) Töne zu umgehen, und zwar durch die Verwendung einer direkten Überbrückung (Nebenweg) für die höheren Frequenzen vom Stimmeneingang zum Decodiererausgang. In der Praxis hat sich ein Nebenweg für Frequenzen oberhalb 3200 Hertz als außerordentlich wirkungsvoll herausgestellt, wobei sich eine beeindruckende Verbesserung der Verständlichkeit des Systems ergibt, und zwar ohne Störung der Codierung und Decodierung von ausgesprochenen stimmhaften Tönen unterhalb 3200 Hz infolge des Maskiereffekts, der vollständig die Tonhöhe (oder Tonhöhen) des in den Decodierereingang eingegebenen Trägers bewahrt, ohne die verbleibenden Obertöne eines erklungenen Tons eingespeist durch den Hochfrequenznebenweg zu enthüllen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Äusführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Analog-Sprachcodierers und Decodierers gemäß der Erfindung mit einem Hochfrequenz-Nebenweg sowie Mitteln zur Synthetisierung von nicht über den Nebenweg gelaufenen Teilen der Sprachfrequenzen;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Hochfrequenznebenweg und einem Codier- und Decodierabschnitt mit erweitertem Bereich;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines typischen Codier- und Decodierkanals;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Steuerschaltung zur Durchführung der Vokal/Konsonanten-Diskriminierung und von Sehaltfunktionen.

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In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 die Eingangsklemme für Sprach- und andere geeignete Tonsignale bezeichnet. Mit 2 ist die Eingangsklemme für das Trägersignal bezeichnet. Das von Klemme 1 empfangene Sprachsignal wird über einen Verstärker 3 in einen Signalbus (Sammelleitung) 4 eingegeben, der seinerseits die Einspeisung in die Bandpassfilter 5, 19, 23, 27, 31 usw. bis 35 vornimmt, und ferner erfolgt die Einspeisung in das Hochpassfilter 39, das Tiefpassfilter 46 und das Hochpassfilter 51. Die Bandpassfilter 19 bis 35 repräsentieren eine Gesamtheit von 13 von den 5 Eindrittel-Oktaven-Filtern gezeigt in Fig. 1, und zwar unter Bildung des Codierfiltersatzes dieses speziellen Ausführungsbeispiels. Das Hochpassfilter 39 bildet den Hochfrequenznebenweg und weist auch die Schaltstufe 43 und den Spannungsfolger 45 auf, um die Einspeisung in die Ausgangsstufe 16 vorzunehmen.

Im Codierabschnitt erkennt man, daß die Ausgänge der Bandpassfilter 5, 19, 23, 27, 31 usw. bis 35 Gleichrichter, wie beispielsweise Gleichrichter 6, speisen, die mit Belastungswiderständen (Bezugszeichen 7) und Filterkondensatoren (Bezugszeichen 8) in Verbindung stehen und ferner mit Tiefpassfiltern (Bezugszeichen 9) zur Siebfilterung. Durch bekannte Schaltungen, die durch den Kasten 99 symbolisiert sind, werden die an den Tiefpassfilterausgängen (Bezugszeichen 9) erhaltenen Steuerspannungen in Steuerströme umgewandelt und in die Steuerklemmen von Operations-Steilheitsverstärker 13, 21, 25, 29, usw. bis 37 eingespeist. Diese Operations-Steilheitsverstärker wirken als Spannungs-gesteuerte Verstärker, deren Verstärkung direkt proportional ist zu den an den Tiefpass-Siebfilterausgängen erhaltenen Steuerspannungen, und den in den einzelnen Bandpassfiltern des Codierabschnitts vorhandenen Signalamplituden .

Man erkennt, daß die Ausgänge der Operations-Steilheitsverstärker verbunden sind mit den Bandpassfiltern 14, 22, 26, 30, 34 usw. bis 38, wobei der Frequenzbereich jedes Codierfilters identisch mit dem des entsprechenden Decodierfilters ist, wenn

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nicht die direkten Signalpfade zwischen den Siebfiltern 9 und den Stromquellen 99 geöffnet sind und die Siebfilterausgangsgrößen und die Stromquelleneingangsgrößen mit den speziellen Klemmen 275 verbunden sind, um die Herstellung von Kreuzverbindungen zwischen den Codierkanälen eines Frequenzbereichs mit den Decodierkanälen eines anderen Frequenzbereichs zu erleichtern.

Die Operations-Steilheitsverstärker .des Decodierabschhitts erhalten ihre Audio- oder Toneingangssignale über einen Signalbus 100, der alternativ das stimmhafte oder ertönte Signal des Trägers oder das nicht stimmhafte Signal eines Rauschgenerators führt, und zwar abhängig von der Art des Sprachsignals an Klemme 1, was im folgenden noch diskutiert wird. Man erkennt, daß die Signalsammelleitung 100 alternativ in die invertierenden und nicht invertierenden Eingänge der Operations-Steilheitsverstärker 13, 21, 25, 29, 33 usw. bis einspeist. Dies wird als zweckmäßig angenommen gegenüber der Phasenumkehr beim Ansprechen der Bandpassfilter, was am größten ist zwischen dem -3 dB'-Punkt auf einer Seite und dem -3 dB-Puu-kt auf der anderen Seite des Filterbereichs.

Betrachtet man nunmehr die stimmaktivierte Schaltung, so erkennt man das Tiefpassfilter 46, welches in eine Diode 47 einspeist, die mit dem Belastungswiderstand 48 und Ladekondensator 49 verbunden ist, und von wo aus die gleichgerichtete Spannung in das Siebfilter 50 eintritt. Das Hochpassfilter speist in die mit Belastungswiderstand 53 und Ladekondensator 54 verbundene Diode 52, von wo aus die gleichgerichtete Spannung in Siebfilter 55 eintritt. Wenn nunmehr die gesamte Signalenergie unterhalb 2000 Hz die oberhalb 2000 Hz übersteigt, wie beispielsweise in Sprachvokalen, so übersteigt die positive Gleichspannung, erhalten am Ausgang des Siebfilters 50 die am Ausgang des Siebfilters 55 erhaltene, und die Ausgangsgröße des Komparators 60 wird positiv. Wenn andererseits die gesamte Signalenergie oberhalb 2000 Hz diejenige unterhalb

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2000 Hz übersteigt, wie beispielsweise bei "s"-Tönen, so übersteigt die positive Spannung am Ausgang des Siebfilters 55 die am Ausgang des Siebfilters 50 erhaltene Spannung, und die Ausgangsgröße des !Comparators 60 wird negativ. Die Ausgangsgröße des !Comparators 60 wird von einer Inverterstufe 70 verfolgt, an deren Ausgang Spannungen entgegengesetzter Polarität erhalten werden.

Die Ausgangsgröße des Komparators ist verbunden mit einer Stromsteuerschaltung aus Widerstand 61, Diode 62, Belastungswiderstand 63, Ladekondensator 64 und Transistor 66 mit Emitterwiderstand 65, wobei der Kollektor dieses Transistors über einen Schalter mit der Steuerklemme des Operations-SteilheitsVerstärkers 43 verbunden ist, der als eine spannungsgesteuerte Verstärkungsstufe dient. Wenn die Ausgangsgröße des Komparators 60 negativ wird, was dann auftritt, wenn die "s"-Tonenergie von Signalbus 4 die der stimmhaften Töne übersteigt, so schaltet die eben beschriebene Stromsteuerschaltung den Verstärker 43 ein. In ähnlicher Weise wird der Operationssteilheitsverstärker 78 dann eingeschaltet, wenn die Ausgangsgröße des Komparators 60 ins Negative geht.

Wenn die Ausgangsgröße des Komparators 60 ins Positive geht, wie dies dann der Fall ist, wenn die Vokaltonenergie die der "s"-Töne übersteigt, so geht die Ausgangsgröße der Inverterstufe 70 ins Negative, und der Operations-Steilheitsverstärker 86 wird eingeschaltet durch die Wechselwirkung der Stromsteuerschaltung, bestehend aus Widerstand 90, Diode 91, Belastungswiders tand 92, Ladekondensator ⁹³ und dem Transistor 98 mit Emitterwiderstand 94, und zwar unter der Annahme, daß der Schalter zwischen dem Kollektor des Transistors 98 und der Steuereingangsgröße des Verstärkers 86 sich in der in Fig. 1 gezeigten Position befindet.

Somit ergibt sich für die Arbeitsweise der durch die Stimme aktivierten Schaltung folgendes, wenn die Schalter an den Steuereingängen der Operationssteilheitsverstärker sich in den

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in Fig. 1 gezeigten Positionen verbinden:

a) der Hochfrequenznebenweg oberhalb 3200 Hz wird bei Anwesenheit der "s"-Töne aktiviert,

b) der Geräuschgenerator wird durch das Vorhandensein von "s"-Tönen aktiviert, und

c) das Trägersignal wird aktiviert durch das Vorhandensein von Vokalen oder hohen Tönen unterhalb 2000 Hz.

Durch Drehen des Steuerschalters unter dem Verstärker 43 nach rechts und durch Erzeugung einer festen Vorspannung über Widerstand 67 wird der Hochfrequenznebenweg dauernd aktiviert, was für einige Zwecke des Systems zweckmäßig ist. Durch Drehen der Schalter unter 78 und unter 86 (die miteinander verbunden sein können) nach rechts, wird der Rauschgenerator abgeschaltet, und die durch Stimme aktivierte Schaltung wird für den spannungsgesteuerten Verstärker 86 abgeschaltet, der nunmehr eine feste Vorspannung über Widerstand 95 empfängt und mit einer festen Verstärkung arbeitet. Diese Schaltereinstellung ist am effektivsten, wenn der Schalter unter 43 auf eine stabile Verstärkung eingestellt ist oder für die nicht geschaltete Betriebsart des Hochfrequenz-Nebenwegkanals.

Das Volumen oder die Stärke des Hochfrequenznebenwegs, das in die Ausgangssummierstufe 16 eingespeist wird zusammen mit den Decodierausgangsfiltern benötigt nicht irgendeine Volumeneinstellung, sobald die Verstärkung durch richtige Komponentenauswahl eingestellt ist. Das relative Volumen des Rauschgenerators und der Trägerquelle vom Eingang 2 wird mit Hilfe des Potentiometers 89 eingestellt. Im Interesse des Erhalts eines optimalen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses werden die Eingangsschaltungen verbunden mit den Verstärkern 3 und 82 mit einer Überlastungsanzeigeschaltung ausgestattet, wie sie für Audiosysteme bekannt ist und nicht in Fig. 1 dargestellt ist. Ferner kann eine zusätzliche Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses dadurch erreicht werden, daß man in bekannter Weise eine automatische Verstärkungssteuerschaltung zur dynamischen Kompression des Stimmeneingangspfades einfügt und eine zugehörige

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automatische Verstärkungssteuerschaltung für die dynamische Expansion im Ausgangspfad vorsieht.

Es sei bemerkt, daß die in Fig. 1 gezeigte Schaltung im Rahmen der Erfindung abgewandelt werden kann. Beispielsweise kann der Bereich der schmalen Bandpassfilter der Codier- und Decodierabschnitte über die 3200 Hz-Grenze hinaus erstreckt werden, um die ertönten oder stimmhaften Töne oder andere Töne, die zur Verarbeitung ausgewählt sind, zu verbessern. Ein Beispiel eines solchen erweiterten Systems ist in Fig. 2 dargestellt.

Vergleicht man den Analog-Codierer und Decodierer der Fig. 2 mit dem der Fig 1, so erkannt man Ähnlichkeiten. Die Hauptunterschiede zwischen dem System der*Fig. 2 und dem der Fig. sind die folgenden:

a) die Bandpassfilterbereiche von sowohl den Codier- als auch Decodierabschnitten des Systems entsprechend der Fig. 2 werden auf 5080 Hz ausgedehnt, und zwar unter Einschluß der Filter 131 und 135 im Codierabschnitt und der Filter

^134 und 138 im Decodierabschnitt. Sowohl der Codier- als auch der Decodierabschnitt sind ebenfalls erweitert durch zugehörige Gleichrichter und Siebfilter im Codierabschnitt und zugehörige Stromquellen und Operations-Steilheitsverstärker 133 und 137 im Decodierabschnitt, und sie besitzen dabei spezielle Klemmen 276, wie beispielsweise Klemmen 275 in Fig. 1, zur Herstellung von Kreuzverbindungen zwischen den Codierer- und Decodierer-Kanälen.

b) Der HOchfrequenznebenweg kann auf eine Uberkreuzungsfrequenz von 5080 Hz geschaltet werden, wie dies im Beispiel gemäß Fig. 2 gezeigt ist, wobei der Schalter 136 offen und der Schalter 184 geschlossen ist, und wobei ferner der Hochfrequenzteil des Eingangssignals durch das Hochpassfilter 139, die Summierstufe 185, den spannungsgesteuerten Verstärker oder Gate 143, den Spannungsfolger 145 und den Widerstand 183 zum Ausgangssummierverstärker 116 läuft; oder die Schaltung kann auf eine Kreuzungsfrequenz von 3200 Hz erfolgen, wobei der Schalter 136 geschlossen und der Schal-

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ter 184 offen ist, in welchem Falle die Codierfilterausgänge für Frequenzbereiche von 3200 bis 4032 Hz und von 4032 bis 5080 Hz das Signal von Bus 104 in die Summierstufe 185 einspeisen, wobei der direkte Nebenweg hinab auf 3200 Hz erweitert wird, während die Ausgangssignale von den Decodierfiltern für die Bereiche von 3200 bis 4032 Hz und von 4032 bis 5080 Hz daran gehindert werden, die Ausgangssummierstufe 116 zu erreichen.

Im Beispiel gemäß Fig. 2 erkennt man, daß vor den Codierfilter 135 eine Inverterstufe 197 geschaltet ist. Dies erfolgt zum Zwecke des Vermeidens von Signalauslöschungen an den Überkreuzungsfrequenzen zwischen den Filtern 131 und 135 und auch zwischen den Filtern 135 und 139 infolge des Phasenansprechens der Bandpassfilter, welches am größten ist zwischen dem -3 dB-Punkt auf der einen Seite und dem -3 dB-Punkt auf der anderen Seite des Filterbereichs, und wobei ferner eine ähnliche Phasenbeziehung zwischen Bandpassfilter 135 und dem benachbarten Hochpassfilter 139 vorhanden ist.

In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel sind die auswählbaren Kreuzungsfrequenzen auf 3200 und 5080 Hz beschränkt. Man erkennt aber, daß mit der Anzahl der gezeigten Bandpassfilter die Erweiterung eine dritte Frequenz, nämlich 4032 Hz einschließen könnte. Ferner könnten zusätzliche Bandpassfilter hinzuaddiert werden, um den Bereich von Codierer und Decodierer nach oben zu erweitern, obwohl es eine praktische Grenze gibt, um den Hochfrequenznebenweg effektiv zu machen« Es sei darauf hingewiesen, daß Bandpassfilter für Frequenzbereiche von weniger als den Eindrittel-Oktaven-Filtern, gezeigt in den Beispielen der Fig. und 2, verwendet werden könnten.

Ferner können die durch Bezugszeichen 106 in Fig. 2 identifizierten Gleichrichter* die für sämtliche den Codierfiltern folgende Gleichrichter typisch sind, und auch die durch Bezugszeichen 147 und 152 identifizierten Filter durch Präzisionsvollwellengleichrichter gemäß dem Stand der Technik substituiert sein.

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Vollständige Schaltungseinzelheiten eines typischen Codier- und Decodierkanals sind in Fig. 3 gezeigt. Hier ist das Codierbandpassfilter durch die Operationsverstärker 202 und 209 mit den zugehörigen passiven Komponenten repräsentiert. Typischerweise bildet der Operationsverstärker zusammen mit den Widerständen 203, 204, 205 und 206 und den Kondensatoren 207 und 208 eine bekannte Schaltung eines Resonanzfilters. Das gleiche gilt für den Operationsverstärker 209 in Verbindung mit den Widerständen 210, 211, 212 und 213 und den Kondensatoren 214 und 215. Wenn nunmehr die Resonanzfrequenz eines der Resonanzfilter durch einen Faktor von 1,0865 unter die Mittenfrequenz eines gegebenen dritten Oktavenbereichs plaziert wird und die Resonanzfrequenz des anderen Resonanzfilters durch einen Faktor von 1,0865 oberhalb der Mittenfrequenz plaziert wird und wenn ferner die Resonanzfilter für ein Q von 7,7 und eine Verstärkung von 1,75 ausgelegt wird, so wird ein Bandpassfilter erhalten aus der Kombination der zwei Resonanzfilter mit Einheitsverstärkung, und zwar mit einem -3 dB-Abfall an beiden Flanken des dritten Oktavenbereichs und mit einem Abfall von ungefähr 36 dB pro Oktave auf beiden Seiten des Filterbereichs.

In Fig. 3 erkennt man ferner die Schaltungseinzelheiten eines Präzisionsvollwellenglöichrichters bekannter Konstruktion und bestehend aus dem Operationsverstärker 216, den Dioden 217 und 218 und den Widerständen 219, 220, 221, 222 und 223, wobei dieser Gleichrichter mit der Integratorstufe verbunden ist, und zwar mit Operationsverstärker 224, Kondensatoren 225 und Widerständen 226 und 227.

Auf die Integratorstufe mit dem Operationsverstärker 224 folgt ein Tiefpass-Siebfilter mit Operationsverstärker 228, Widerständen 229 und 230 und Kondensatoren 231 und 232. Infolge der Verwendung eines Präzisionsgleichrichters folgen die an der Ausgangsklemme 233 erhaltenen Gleichspannungen sehr dicht den Signalamplituden, eingespeist in die Eingangsklemme 201.

Die an der Ausgangsklemme 233 des Codiererkanals erhaltenen

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Gleichspannungen werden in die Eingangsklemme des Decodiererkanals eingespeist. Am Eingang dieses Kanals erkennt man eine Präzisionsstromquelle bekannten Aufbaus bestehend aus dem Operationsverstärker 235 mit Transistor 236 und Diode 237 und ferner mit dem Eingangswiderstand 260. Diese Präzisionsstromquelle spricht auf die positiven Gleichsteuerspannungen, erzeugt im Codierabschnitt an. Die Größe des Eingangswiderstandes 260 bestimmt die Größe des Steuerstroms, der in den Steuereingang 239 des Operations-Steilheitsverstärkers 2 38 eingespeist wird,deren Verbindung mit der Präzisionsstromquelle als ein spannungsgesteuerter Verstärker dient. Das Trägersignal wird an die Trägereingangsklemme 261 angelegt und über einen Widerstand 240 an den invertierenden Eingang des Operations-Steilheitsverstärkers 238. Sowohl die invertierenden als auch die nicht invertierenden Eingänge des Verstärkers 238 sind über relativ kleinere Widerstände 241 und 242 an Erde gelegt. Die Stufe 238 ist durch einen Lastwiderstand 243 abgeschlossen, und zwar gefolgt von einem Spannungsfolger mit dem Operationsverstärker 244, um so eine Niederimpedanzsignalquelle für die Filterstufen mit den Operationsverstärkern 245 und 252 mit ihren zugehörigen passiven Komponenten vorzusehen. Die Resonanzfilter mit den Operationsverstärkern 245 und 252 haben genau die gleiche Funktion wie die Resonanzfilter mit den Operationsverstärkern 202 und 209, wie dies im einzelnen für den Codierabschnitt beschrieben ist. Die decodierten Signale werden an der Ausgangsklemme 259 abgegriffen und mit den decodierten Signalen der anderen Kanäle summiert, wie dies im einzelnen in den Fig. 1 und 2 beschrieben ist.

Fig. 4 zeigt die Steuerschaltung zur Vokal/Konsonant-Diskriminierung. Bezugszeichen 301 bezieht sich auf die Eingangsklemme für das Stimmensignal. Der Operationsverstärker 302 bildet mit den Widerständen 303 und 304 und den Kondensatoren 305 und 306 ein Tiefpassfilter für den Durchgang von stimmhaften Tönen, typischerweise unterhalb von 2000 Hz. Der Operationsverstärker 307 mit den Kondensatoren 308 und 309 und den Widerständen 310 und 311 bildet ein Hochpassfilter für den Durchgang der Konsonanten und "s"-Töne typischerweise oberhalb 2000 Hz. Sowohl

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das Tiefpassfilter mit Operationsverstärker 302 und das Hochpassfilter mit Operationsverstärker 307 werden gefolgt durch Präzisionsvollwellengleichrichter mit Operationsverstärker sowie zugehörigen Komponenten für den stimmhaften Ton oder Vokalkanal, und mit Operationsverstärker 32Ο und zugehörigen Komponenten für den Konsonanten- oder "s"-Ton-Kanal. Auf die Präzisionsvollwellengleichrichter folgen Integratorstufen mit dem Operationsverstärker 328 und zugehörigen Komponenten im Vokalkanal und Operationsverstärker 332 mit zugehörigen Komponenten im Konsonantenkanal, und schließlich folgend auf beide Integratoren Tiefpassfilter mit Operationsverstärker 336 mit zugehörigen Komponenten im Vokalkanal und Operationsverstärker 341 mit zugehörigen Komponenten im Konsonantenkanal. Die am Ausgang des Operationsverstärkers 336 erhaltenen Gleichspannungen werden über Widerstand 347 in den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 346 eingespeist, der als ein Komparator arbeitet. Die am Ausgang des Operationsverstärkers 341 erhaltenen Gleichspannungen werden über Widerstand 348 in den invertierenden Eingang des Komparators 346 eingespeist. Zum Zwecke der weiteren Xtfelligkeitsunterdrückung (Siebung) ist ein Pilterkondensator 350 zwischen den invertierenden und nicht invertierenden Eingangsklemmen des Operationsverstärkers 346 vorgesehen. Zum gleichen Zweck und zur Eliminierung unerwünschter Effekte irgendeiner Signalpegelunentschiedenheit ist ein einen hohen Wert aufweisender (positiver) Rückkopplungswiderstand vorgesehen, um eine geringe Verriegelung am letzten Signal hervorzurufen,, welches an der einen oder anderen Singangsklemme des Komparators 346 erhalten wurde.,

An der Äusgangsklemme 356 des Komparators wird eine positive Gleichspannung dann erhalten, wenn die stimmhafte (erklungene) Tonenergie die Energie der Konsonanten oder "s"-Töne übersteigt. Im Gegensatz dazu wird eine negative Gleichspannung dann erhalten, wenn die Energie der Konsonanten oder "s"-Töne die der stimmhaften Töne oder Vokale übersteigt.

Auf den Ausgang des Komparators 346 folgt eine Invertierstufe

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mit einem Operationsverstärker 352, so daß die an der Ausgangsklemme 357 erhaltenen Gleichspannungen die Inversion der an Klemme 356 erhaltenen Größen sind. Die Ausgangsgröße von Komparator 346 wird in die Schaltkreise für die Hochfrequenznebenwegsignale und die Rauschquellensignale eingespeist, und die Ausgangsgröße von Operationsverstärker 352 wird in den Schaltkreis für das Trägersignal eingegeben. Einzelheiten dieser Schaltkreise wurden unter Bezugnahme auf das Blockschaltbild der Fig. 1 erläutert.

Der Fachmann kann Zusätze und Änderungen an den hier beschriebenen Systemen und Schaltungen vornehmen. Beispielsweise kann eine Amplitudenfolgerschaltung aus einem Präzisionsgleichrichter und einem Siebfilter (Welligkeitsfil-ter) im Trägereingangskanal vorgesehen sein, und ein spannungsgesteuerter Verstärker kann im Rauschgeneratorkanal vorgesehen sein, so daß der Signalpegel vom Rauschgenerator stets in der richtigen Proportion zum Pegel vom Trägersignal vorliegt.

Weitere Abwandlungen oder Hinzufügungen zu den erfindungsgemäßen Systemen und Schaltungen sind Tast- und Halteschaltungen (Sample and Hold Circuits) von bekannter Konstruktion, um nach Wunach die codierte Vokalinformation, erhalten in einem gegebenen Augenblick, aufrechtzuerhalten.

Weitere Abwandlungen der Erfindung liegen im Rahmen fachmännischen Handelns.

Zusammenfassend sieht die Erfindung Analog-Sprachcodier- und Decodier-Systerne vor, und zwar unter Verwendung einer Vielzahl von Schmal-Bandpassfiltern mit damit verbundenen Gleichrichtern und Welligkeitsfiltern (Siebschaltungen) zur Spektralanalyse der Sprache oder anderer geeigneter Signale, und mit einer entsprechenden Vielzahl von Schmalbandpassfiltern mit damit verbundenen spannungsgesteuerten Verstärkern zur Wiederherstellung der Sprache mit entweder einem eingegebenen Träger oder einem Rauschsignal, angelegt an die spannungsgesteuerten Verstärkereingänge,

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wobei Träger- oder Rauschquellensignale durch eine stimmengesteuerte Schaltung ausgewählt werden, wobei der Träger infolge von stimmhaften Tönen oder Vokalen aktiviert wird, und die Rauschquelle beim Vorhandensein von nicht stimmhaften Tönen oder Konsonanten; erfindungsgemäß ist dabei insbesondere folgendes vorgesehen:

1. Die Verwendung eines direkten Nebenwegs (Bypass) für die hohen Sprachfrequenzen von der Stimmeneingangsgröße zum Decodierausgang unter Verwendung eines Hochpassfilters, der im wesentlichen die nicht stimmhaften Sprachtöne durchläßt,

2. Die Begrenzung des Bandpassfilterbereichs der Decodier- und Codierabschnitte auf die Grenz- oder Abtrennfrequenz des Hochpassfilters,

3. Schaltmittel, um sprachgesteuerte Schaltung mit einzuschliessen zur Aktivierung des Hochfrequenznebenwegs nur beim Vorhandensein nicht stimmhafter Sprachtöne, wobei schließlich ferner

4. Schaltmittel vorgesehen sind, um eine Rauschquelle einzuschließen zur Simulierung nicht stimmhafter Töne im Bereich der Bandpassfilter unterhalb der Grenzfrequenz des oben erwähnten Hochpassfilters bei Aktivierung durch die stimmengesteuerte Schaltung, und schließlich

5. das Einschließen einer Amplitudenkompressionsschaltung am Spracheingang und einer Amplituden-expandierenden Schaltung am Decodierausgang zum Zwecke der Vergrößerung des Signalzu-Rausch-Verhältnisses des Sprachcodierers und -decodierers.

Es sei bemerkt, daß (vgl. Fig. 3 und 4) Operationssteilheitsverstärker vor den Bandpassfiltern.angeordnet sind; in Fig. 3 ist mit 238 ein Operationssteilheitsverstärker bezeichnet, 244 ist der Operationsverstärker eines Spannungsfolgers und 245 ist der Operationsverstärker des ersten Resonanzfilters der Bandpassfilteranordnung aus Verstärkern 245 und 252. Durch die

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Gleichstromblockiereigenschaften der Filterkondensatoren 250 und 251 werden Ungleichgewichte der Operationssteilheitsverstärker 238 nicht zum Bandpassfilterausgang übertragen. Man hört auch kein Bums-Geräusch infolge der Verstärkungsübergänge des Operationssteilheitsverstärkers während des Betriebs der Vorrichtung. Man erhält durch die Erfindung nicht nur eine verbesserte Verständlichkeit, sondern auch verminderte Kosten. Der Stand der Technik sieht nicht die erfindungsgemäßen Maßnahmen vor, daß nämlich ein Hochfrequenzkanal vorgesehen ist und der direkte Durchgang der Hochfrequenz (nicht stimmhaften Komponente) kontinuierlich oder selektiv ist, wenn nicht stimmhafte Töne vorhanden sind. Die Verwendung der Operationssteilheitsverstärker zur Steuerung und zur Durchlaßsteuerung und der Operationsverstärker beim Filtern ist vorteilhaft und neu. Durch die Erfindung werden viele Kanäle eliminiert, und durch den direkten Hochfrequenz-Bypass ersetzt, was Kosten spart, ohne die Verständlichkeit zu verschlechtern, in der Tat sogar eine verbesserte Verständlichkeit hervorruft.

- Patentansprüche -

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Claims (19)

1. Patentansprüche

   1 .J Verfahren zur Verarbeitung von Sprache, g e k e η η zeichnet durch folgende Schritte: Codierung der Sprache in eine Vielzahl von Signalen entsprechend der Amplitude der Sprache in aufeinanderfolgenden Teilen des unteren und mittleren Bereichs des Frequenzspektrums der Sprache, die stimmhafte Sprache umfaßt, und in Steuersignale, die eine Repräsentation dann vorsehen, wenn die Sprache stimmhaft ist und wenn die Sprache nicht stimmhaft ist, und wobei die Vielzahl der Signale decodiert wird und der Decodierschritt folgende Schritte aufweist: Zulassung von Träger- und Rauschsignalen, Übertragung aufeinanderfolgender Teile des Spektrums der Trägersignale, wenn die Steuersignale, welche die stimmhafte Sprache repräsentieren, vorhanden sind und Übertragung aufeinanderfolgender Teile des Spektrums der Rauschsignale, wenn nicht stimmhafte Sprache repräsentierende Steuersignale vorhanden sind, und wobei die aufeinanderfolgenden Teile des Spektrums der Rausch- und Trägersignale und die aufeinanderfolgenden Teile der Sprachsignale einander entsprechen, und wobei ferner die Amplituden der Teile des Spektrums der Träger- und Rauschsignale variiert werden, die übertragen werden entsprechend den Amplituden der codierten Signale von Teilen des Spektrums der entsprechenden Sprache, wobei ferner der höhere Bereich des Spektrums der Sprache, der die nicht stimmhafte Sprache umschließt übertragen wird, und wobei der höhere Bereich des Sprachspektrums und der Teile der Träger- und Rauschsignale kombiniert werden, welche zur Reproduzierung der Sprache übertragen werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere und mittlere Bereich des Spektrums der Sprache, der die stimmhaften Töne umfaßt, und der höhere Bereich des Spektrums der Sprache, der die nicht stimmhaften Töne umfaßt, eine Frequenzüberkreuzung bei ungefähr 3000 Hz besitzen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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   ORIGINAL INSPECTED

   daß der Schritt der übertragung des höheren Bereichs des Spektrums, nur dann ausgeführt wird, wenn die die nicht stimmhafte Sprache repräsentierenden Steuersignale vorhanden sind.
4. 4. Verfahren zum Codieren und Decodieren von Sprache mit stimmhaften und nicht stimmhaften Tönen, die in tieferen und höheren Teilen des Sprachfrequenzspektrums liegen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: übertragung der Sprache in analoge elektrische Signale, Filterung der Signale zur Trennung der Signale entsprechend deren Frequenz in eine Vielzahl von Schmalbandsignalen, wobei das schmale Band das gesamte Spektrum der Sprache überdeckt, welches die stimmhaften Töne umfaßt, Gleichrichtung und Siebfilterung der Signale in jedem der Bänder zur Erzeugung einer Vielzahl von codierten Signalen entsprechend der Amplitude der Analogsignale, die in die Bänder gefiltert sind, selektive Aktivierung eines Trägersignals beim Vorhandensein stimmhafter Töne in der Sprache und eines Rauschsignals beim Vorhandensein nicht stimmhafter Töne in der Sprache, Veränderung der Amplituden des aktivierten Träger- oder Rauschsignals, die in einer Vielzahl von Frequenzbändern enthalten sind entsprechend den schmalen Bändern in Übereinstimmung mit der Amplitude der codierten Signale von den entsprechenden Bändern, Hochpassfilterung der analogen elektrischen Signale, um Komponenten davon direkt durchzulassen, und zwar entsprechend den nicht stimmhaften Sprachkomponenten, die in dem höheren Teil des Sprachspektrums enthalten sind und Kombination der hochpassgefilterten Signale und der amplitudenveränderten Träger oder Rauschsignale an einem Signalausgang zur Erzeugung einer die decodierte Sprache repräsentierenden Signalausgangsgröße.
5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man auch mindestens eines aus der Vielzahl von Schmalbandsignalen am oberen Ende des unteren Teils des Sprachspektrums kombiniert mit den Hochpassanalogsignalen und den Rausch- oder Trägersignalen am Signalausgang.

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6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch den Schritt des Aktivierens des Hochpassfilterns der analogen elektrischen Signale zum Durchtritt von Komponenten entsprechend den nicht stimmhaften Spektralkomponenten zur Kombination nur dann, wenn die nicht stimmhaften Tonkomponenten vorhanden sind.
7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den Schritt des Feststeilens, wann die Amplitude der analogen elektrischen Signale, die in dem ersten Frequenzband einschließlich der höheren Teile des Sprachspektrums liegen, die Amplitude der analogen elektrischen Signale übersteigen oder nicht übersteigen, die in einem zweiten Frequenzband liegen, welches die Frequenzen unterhalb des ersten Bandes enthält, und zwar einschließlich der unteren Teile des Sprachspektrums, und wobei der Schritt zur selektiven Aktivierung der Rausch- und Trägersignale ausgeführt wird bei Feststellung, wann die Amplitude der analogen elektrischen Signale in dem ersten Band die Amplitude der elektrischen Signale in dem zweiten Band übersteigt bzw. nicht übersteigt und wobei der Schritt der Aktivierung des Hochpassfilterschritts der analogen elektrischen Signale nur dann ausgeführt wird, wenn festgestellt wird, wann die Amplitude der analogen elektrischen Signale in dem ersten Band der Amplitude des elektrischen Signals im zweiten Band übersteigt.
8. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Band sämtliche im Spektrum der analogen elektrischen Signale enthaltenen Frequenzen aufweist, die unterhalb ungefähr 2 kHz liegen, und daß das zweite Band sämtliche Frequenzen enthält, die in dem Spektrum der analogen elektrischen Signale enthalten sind, die oberhalb ungefähr 2 kHz liegen, wobei der höhere Teil sämtliche Frequenzen in dem Sprachfrequenzspektrum oberhalb 3,2 kHz umfaßt.

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9. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hochpassgefilterten Analogsignale Frequenzkomponenten der Analogsignale oberhalb 5 kHz enthalten, und daß eines der Vielzahl von Schmalbändern ausgebildet ist aus einem Band benachbart zu ungefähr 5 kHz und einem Band unmittelbar benachbart zu dem Band, welches benachbart zu ungefähr 5 kHz liegt.
10. 10. System zum Codieren und Decodieren von Sprache mit stimmhaften und nicht stimmhaften Tönen, die in unteren und höheren Teilen des Sprachfrequenzspektrums liegen, gekennzeichnet durch Mittel zur Übertragung der Sprache in analoge elektrische Signale, Mittel zum Filtern der Signale zur Trennung der Signale entsprechend deren Frequenz in eine Vielzahl von Schmalbandsignalen, wobei die schmalen Bändern das gesamte Spektrum der Sprache überdecken, die die stimmhaften Töne umfaßt, Mittel zur Gleichrichtung und Siebfilterung der Signale in jedem der Bänder zur Erzeugung einer Vielzahl von codierten Signalen entsprechend der Amplitude der Analogsignale gefiltert in die Bandmittel zur Erzeugung einer Trägersignalquelle, Mittel zur Erzeugung einer Rauschsignalquelle, Mittel zur Auswahl des Trägersignals beim Vorhandensein von stimmhaften Tönen in der Sprache und des Rauschsignals beim Vorhandensein der nicht stimmhaften Töne in der Sprache, Mittel zur Veränderung der Amplituden des ausgewählten Träger- oder Rauschsignals, die in einer Vielzahl von Frequenzbändern enthalten sind entsprechend den schmalen Bändern in Übereinstimmung mit den Amplituden der codierten Signale aus den entsprechenden Bändern, Mittel zur Hochpassfilterung der analogen elektrischen Signale zum direkten Durchgang von Komponenten entsprechend der nicht stimmhaften Sprachtonkomponenten, die in dem höheren Sprachspektralbereich enthalten sind, und Mittel zur Kombination der Hochpass-gefilterten Signale und der Amplituden-veränderten Träger- oder Rauschsignale zur Erzeugung einer Signalsausgangsgröße, welche die decodierte Sprache repräsentiert.
11. 11. System natih einem oder mehreren der vorhergehenden An-

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    Sprüche, insbesondere nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Mittel, um ebenfalls mindestens eines aus der Vielzahl von Schmalbandsignalen am oberen Ende des unteren Teils des Sprachspektrums zu kombinieren mit den Hochpassanalogsignalen und den Rausch- oder Trägersignalen zur Erzeugung der Signalausgangsgröße.
12. 12. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Mittel zur Aktivierung der Hochpassfiltermittel zum Durchgang der Komponenten entsprechend den nicht stimmhaften Sprachkomponenten zu den Kombinationsmitteln nur dann, wenn die nicht stimmhaften Tonkomponenten vorhanden sind.
13. 13. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche t insbesondere nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Mittel zur Feststellung, wann die Amplitude der analogen elektrischen Signale, die in einem ersten Frequenzband liegen einschließlich der höheren Teile des Sprachspektrums, die Amplitude der analogen elektrischen Signale übersteigen oder nicht übersteigen, und zwar von elektrischen Signalen in einem zweiten Frequenzband, welches die Frequenzen unterhalb des ersten Bandes enthält, und zwar einschließlich der unteren Teile des Sprachspektrums, und wobei die Mittel zur Auswahl der Rauschund Trägersignale betätigt werden durch Feststellmittel bei Feststellung, wann die Amplitude der analogen elektrischen Signale in dem ersten Band die Amplitude der elektrischen Signale in dem zweiten Band übersteigt bzw» nicht übersteigt, und wobei die Mittel zur Aktivierung der Hochpassfilterung der analogen elektrischen Signale nur bei Feststellung betätigt werden, wenn die Amplitude der analogen elektrischen Signale in dem ersten Band die Amplitude des elektrischen Signals im zweiten Band übersteigt.
14. 14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

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    daß das zweite Band sämtliche Frequenzen, enthalten im Spektrum der analogen elektrischen Signale umfaßt, die unterhalb ungefähr 2 kHz liegen, und wobei das erste Band sämtliche Frequenzen umfaßt, die im Spektrum der analogen elektrischen Signale enthalten sind, und zwar die, die oberhalb 2 kHz liegen, und wobei ferner der erwähnte hohe Teil sämtliche Frequenzen im Frequenzspektrum der Sprache oberhalb 3,2, kHz enthält.
15. 15. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die hochpassgefilterten Analogsignale Frequenzkomponenten der Analogsignale oberhalb 5 kHz enthalten, und daß eines der Vielzahl der Schmalbänder ausgewählt ist aus einem Band benachbart ungefähr 5 kHz und einem Band benachbart zu dem Band, welches benachbart zu ungefähr 5 kHz liegt.
16. 16. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Veränderung der Amplituden des ausgewählten Trägersignals oder Rauschsignals eine Vielzahl von Operations-Steilheitsverstärkern aufweisen, deren jeder einen Verstärkungssteuereingang und einen Signaleingang aufweist für das ausgewählte Trägersignal oder Rauschsignal und wobei ferner Ausgänge vorhanden sind und wobei schließlich eine Vielzahl von Filtern jeweils für den Durchgang eines unterschiedlichen der schmalen Bänder vorgesehen ist, und wobei die Ausgänge der Verstärker mit diesen Filtern in Verbindung stehen, und wobei zudem Mittel . vorgesehen sind, um die codierten Signale an die Verstärkungssteuereingänge anzulegen, wobei jeder Verstärker an seinem Verstärkersteuereingang ein codiertes Signal empfängt, und zwar erzeugt aus einem unterschiedlichen der schmalen Bänder und wobei eines der Filter mit dem Ausgang verbunden ist, um das gleiche schmale Band zu filtern.
17. 17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anlegen Stromquellen aufweisen, die zwischen den Ver-

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    stärkersteuereingängen und den Gleichrichter- und Siebfiltermitteln liegen.
18. 18. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Auswahl der Rausch- oder Trägersignale und zur Aktivierung der Hochpassfiltermittel gesonderte Operationssteilheitsverstärker aufweisen, die Steuereingänge besitzen, und wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um Steuersignalausgangsgrößen von den Detektormitteln an die Steuereingänge anzulegen.
19. 19. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmalbandfiltermittel für die Analogsignale und die Veränderungsmittel für die ausgewählten Rausch- und Trägersignale Operationsverstärkerfilter aufweisen.

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