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Verfahren zur formgetreuen Übertragung von in ihrer Amplitude stark
schwankenden Strömen Die Wiedergabe elektrisch übertragener Musik, Sprache u. dgl.
in ihrer natürlichen Dynamik, d. h. unter voller Wahrung der zeitlich schwankenden
Lautstärkeunterschiede, bereitet erhebliche Schwierigkeiten, die in erster Linie
durch die Eigenschaften der Übertragungsmittel bedingt sind. Besteht das Übertragungssystem
beispielsweise aus einer Leitung mit Verstärkern, so ist die Amplitude der zu übertragenden
Ströme nach unten durch die in der Leitung vorhandenen Störgeräusche und nach oben
durch die Aussteuerungsgrenze der Verstärker, die zulässige Spulenbelastung und
die Gefahr des Übersprechens begrenzt. Bei der Übertragung durch Schallplatten ist
die untere Lautstärkengrenze durch das Nadelrauschen und die obere Grenze durch
die Ganghöhe der Schallrille festgelegt. Entsprechendes gilt auch für die Übertragung
durch einen Tonfilm, bei dem sich die Lautstärke des aufgezeichneten Tones zwischen
Grenzen bewegen muß, die einerseits durch die Störgeräusche, andererseits durch
den Umfang der Schwärzungsskala bzw. durch die Breite des Tonstreifens gegeben sind.
Bei der drahtlosen Übertragung, z. B. im Rundfunk, darf ebenfalls die Lautstärke
mit Rücksicht auf die atmosphärischen und sonstigen Empfangsstörungen einen bestimmten
Wert nicht unterschreiten, während sie nach oben durch die vorhandene Senderleistung
begrenzt ist.
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Aus diesen Gründen ist man gezwungen, bei der Aufnahme die natürliche
Dynamik durch Regelung von Hand oder automatische Regelung, z. B. durch Amplitudenbegrenzer,
erheblich einzuengen, wodurch aber häufig der natürliche Eindruck des übertragenen
Klangbildes stark beeinträchtigt wird.
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Man hat daher - von der Erkenntnis ausgehend, daß der technische Zwang
zur Einschränkung der Dynamik nicht so sehr durch den Wiedergabeapparat, sondern
fast ausschließlich durch das Übertragungsmittel gegeben ist - bereits Anordnungen
angegeben, die es ermöglichen, die natürliche Dynamik bei der Wiedergabe in gewissen
Grenzen wiederherzustellen. Die hierfür bekannten Verfahren verwenden beispielsweise
einen Steuerstrom, dessen Amplitude bei der Aufnahme bzw. vor dem Eintritt der zu
übertragenden Nutzströme in das die Verengerung der Dynamik bedingende Übertragungsmittel
entsprechend der vorgenommenen Amplitudenbegrenzung geregelt wird. Man hat dadurch
die Möglichkeit, bei der Wiedergabe der übertragenen Ströme bzw. am Ende des Übertragunsmittels
die ursprüngliche Am-t,
plitudenverhältnisse mit Hilfe eines
durch den Steuerstrom gesteuerten Regelverstärkers herzustellen.
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Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß sie dämpfungsabhängig arbeitet.
Werden beispielsweise die übertragenen Nutzströme und der Steuerstrom infolge einer
Frequenzabhängigkeit der Dämpfung des Übertragungsmittels verschieden stark gedämpft,
so bereitet es Schwierigkeiten, die Regelung am Ende des Übertragungsmittels in
der für die natürliche Wiedergabe der ursprünglichen Lautstärkev erhältnisse erforderlichen
Weise durchzuführen, da die Amplitude der Steuerfrequenz nicht mehr ein einwandfreies
Maß für die am Anfang des Übertragungssystems vorgenommene Dämpfungsänderung darstellt.
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Das gleiche gilt für eine andere bekannte Anordnung zur Regelung der
Dynamik, bei der die Verengerung der Dynamik am Anfang des Übertragungssystems durch
Änderung der Größe einer Gleichspannung zu einer die Wiederherstellung der ursprünglichen
Dynamik bewirkenden Einrichtung am Empfangsende des Übertragungssystems übertragen
wird. Auch hier besteht die Gefahr, daß bei .Änderungen in der Dämpfung und Ableitung
der die Steuergleichspannung übertragenden Leitung Fehlsteuerungen stattfinden.
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Nach einer anderen bekannten Schaltung werden am Anfang des Übertragungssystems
feste Widerstände mit nichtlinearer Kennlinie in solcher Form verwendet, daß das
Amplitudenspektrum im Sinne einer zunehmenden Begrenzung großer Amplituden verzerrt
wird. Am Ende des Übertragungssystems werden dann wiederum derartige Widerstände
mit nichtlinearer Kennlinie verwendet, die jedoch einen entgegengesetzten Kennlinienverlauf
besitzen und eine Amplitudenentzerrung bewirken sollen. Derartige Einrichtungen
haben jedoch den erheblichen Nachteil, daß sowohl bei der Amplitudenverzerrung am
Anfang des Übertragungssystems als auch bei der Amplitudenentzerrung am Ende des
übertragungssystems durch die bekannte Wirkung der amplitudenverzerrenden Mittel
Obertöne der zu übertragenden Frequenzen gebildet werden, die die Wiedergabe sehr
störend beeinflussen. Dabei tritt die bekannte Tatsache besonders störend in Erscheinung,
daß die durch eine nichtlineare Verzerrung einmal erzeugten Obertöne durch eine
Amplitudenentzerrung nicht wieder beseitigt werden können.
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Diese Nachteile werden nach dem Verfahren der Erfindung dadurch vermieden,
daß das Maß der bei der Aufnahme bzw. am Anfang des Übertragungssystems vorgenommenen
Verengerung des Amplitudenbereiches als Frequenzänderung übertragen wird. Diese
Frequenzänderung kann in verschiedener Weise durchgeführt werden, und zwar lassen
sich dabei die Verfahren verwenden, .die in der Fernmeßtechnik zur Übertragung von
Meßwerten verschiedenster Art bekannt sind. Eine bekannte Anordnung zur Fernanzeige
von veränderlichen physikalischen Größen arbeitet beispielsweise derart, daß entsprechend
der Meßgröße die Frequenz eines Hochfrequenzgenerators verändert wird, so daß auf
der Empfangsseite die Änderungen der physikalischen Größe als entsprechende F requenzänderungen
der Hochfrequenzschwingung festgestellt und in eine entsprechende Anzeige umgewandelt
werden können. Dieses Verfahren läßt sich auch im vorliegenden Fall anwenden. Zweckmäßiger
erscheint es jedoch im allgemeinen, einen besonderen Steuerwechselstrom zu benutzen,
dessen Frequenz in Abhängigkeit von dem bei der Aufnahme bzw. am Anfang des übertragungssystems
verwendeten Dämpfungsregler oder zum mindesten gleichzeitig mit ihm geändert wird
und somit stets ein einwandfreies und von allen Dämpfungsschwankungen unabhängiges
Maß für die am Anfang des Übertragungssystems vorgenommene Dämpfungsänderung darstellt.
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Die Übertragung der veränderlichen Steuerfrequenzen kann zusammen
mit den zu steuernden Strömen erfolgen, und zwar zweckmäßig in einem Frequenzbereich,
der außerhalb des Frequenzbandes der zu steuernden Ströme liegt. Dieser Frequenzbereich
kann unter oder über dem Tonfrequenzband liegen. In manchen Fällen ist jedoch dem
unteren Frequenzbereich der 'Vorzug zu geben, z. B. bei der drahtlosen Übertragung
und bei der Verwendung von Schallplatten, da hier die Verwendung des oberen Bereichs
mit Rücksicht auf die Möglichkeiten einer Störung durch in ihrer Welle benachbarte
Sender bzw. wegen der Benachteiligung der hohen Frequenzen Schwierigkeiten macht.
Die Verwendung des unteren Frequenzbereichs bedeutet dabei praktisch keinen Nachteil,
da die untere F requenzgrenze der Tonwiedergabeeinrichtung (Lautsprecher) in der
Regel beträchtlich oberhalb der unteren Frequenzgrenze der Verstärker liegt.
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Im übrigen ist es auch möglich, die erforderliche Frequenzänderung
in der Form der Änderung einer Impulshäufigkeit durchzuführen, d. h. also ein Verfahren
anzuwenden, wie es zur Übertragung von Meßwerten in der Fernmeßtechnik als sogenanntes
Impulsfrequenzverfahren bekannt ist. Die hierfür benutzten Mittel lassen sich jedoch
zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung nicht ohne weiteres verwenden,
da die Änderung der Impulshäufigkeit in viel zu
die Modulation des
Senders S gemeinsam durch beide erfolgt.
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Hinter dem Empfänger E werden die IN#utzströme durch entsprechende
Filter F2 und F4 von den Steuerströmen wieder getrennt. Die das Filter F4 passierenden
Steuerströme werden im Gleichrichter G2 gleichgerichtet, wobei wieder die erzeugte
Gleichspannung von der Frequenz abhängig ist, und zur entsprechenden Regelung des
Verstärkers V3 benutzt.
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Bei der Anwendung der Schaltung für Schallplatten- oder Ton£ilmübertragung
würde an die Stelle des Senders S der Plattenschreiber bzw. die Aufzeichnungsvorrichtung
und an die Stelle des Empfängers E die Tonabnahinevorrichtung treten. Bei der Übertragung
über Drahtleitungen könnten die PunkteS und E durch eine Verstärkerleitung verbunden
sein.
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Es ist ferner möglich, die Nutzströme und die Steuerströme getrennt,
z. B. über verschiedene Kanäle eines Mehrfachsystems, zu übertragen. Bei der Tonfilmübertragung
würde dies bedeuten, daß die Steuerfrequenz auf einem besonderen Tonstreifen neben
dem eigentlichen Tonstreifen aufgezeichnet wird.
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Fig. 3 zeigt eine der zahlreichen Möglichkeiten, die Frequenz des
Steuerstromes von der Größe einer gleichgerichteten Spannung abhängig zu machen.
Über die Klemmen K1 werden die Wechselströme, durch deren Amplituden die erzeugte
Frequenz bestimmt sein soll, einem Gleichrichter G1 zugeführt. Die gleichgerichteten
Ströme verzweigen sich im Ausgang des Gleichrichters und gelangen einerseits zu
der Wicklung W1 eines besonderen Transformators T, andererseits zu den Klemmen K2,
von denen sie z. B. gemäß Fig. r und 2 zur Regelung eines Verstärkers abgenommen
werden können.
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Die Wicklung Wi gehört zu einem Transformator T, dessen Eisenkern
insgesamt vier verschiedene Wicklungen trägt. Die Wicklung W4 bildet zusammen mit
dem Kondensator Cl einen Schwingungskreis, der im Gitterkreis einer Oszillatorröhre
R1 liegt. Die Schwingungserzeugung erfolgt in bekannter. Weise dadurch, daß der
Anodenkreis mit Hilfe der Wicklung W3 auf die Wicklung W4 des Gitterkreises rückgekoppelt
ist. Die Frequenz der erzeugten Schwingung ist im wesentlichen durch die Induktivität
W4 und die Kapazität Cl bestimmt. Die Induktivität W4 läßt sich nun in weiten Grenzen
dadurch ändern, daß die Sättigung des Eisenkernes geändert wird. Dies wird nach
dem dargestellten Beispiel dadurch erreicht, daß der vom Gleichrichter G1 kommende
Gleichstrom einer besonderen Vormagnetisierungswicklung Wi zugeführt wird. Die Eisensättigung
und damit auch die Frequenz des von der Oszillatorröhre erzeugten Wechselstromes
ist demzufolge von der Amplitude der über die Klemmen K1 zugeführten Wechselströme
abhängig. Die Abnahme der erzeugten Steuerfrequenz erfolgt über eine weitere Wicklung
W2, deren Endpunkte über ein Filter F3 mit einem den möglichen Schwankungen der
Steuerfrequenz angepaßten Durchlässigkeitsbereich mit den Klemmen K3 verbunden sind.
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Erforderlichenfalls kann die Schaltung so ausgebildet werden, daß
zwischen der Amplitude der an den Klemmen K1 zugeführten Wechselspannung und der
Frequenz des an den Klemmen K3 entnommenen Steuerwechselstromes eine lineare Beziehung
besteht.
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Die in Fig.4 wiedergegebene Schaltung zeigt eine Möglichkeit, mittels
der Steuerfrequenz eine Gleichspannung zu erzeugen, deren Größe in einer bestimmten
Beziehung zu :der Frequenz des: Steuerstromes steht. Der Steuerstrom wird über die
Klemmen K4 zugeführt und nach dem Durchgang durch ein Filter F4 über .einen Übertrager
U1 dem Gitterkreis einer Verstärkerröhre R2 zugeführt, in deren Anodenkreis die
Primärwicklung eines Übertragers U2 liegt. Die Sekundärwicklung dieses Übertragers
bildet zusammen mit dem Kondensator C2 einen Schwingungskreis, der zweckmäßig auf
eine an der oberen oder unteren Grenze des Steuerfrequenzbereiches liegende Frequenz
abgestimmt ist. Die Stärke des in dem Schwingungskreis fließenden Stromes ist somit
in bekannter Weise von der Frequenz des zugeführten Stromes abhängig, da auf dem
aufsteigenden bzw. absteigenden Ast der Resonanzkurve gearbeitet wird.
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Die Gleichrichtung des im Schwingungskreis fließenden Wechselstromes
kann in irgendeiner Weise erfolgen, z. B., wie dargestellt, durch einen Trockengleichrichter
oder. Detektor D, der mit der Induktivität und Kapazität des Schwingungskreises
in Reihe liegt. An den Klemmen K5, die an die beiden Pole des Gleichrichters angeschlossen
sind, tritt somit eine Gleichspannung auf, deren Größe in bestimmter Weise von der
über die Klemmen K4 zugeführten Steuerfrequenz abhängig ist. Bei geeigneter Ausbildung
der Schaltung kann die erzeugte Steuergleichspannung beispielsweise der zugeführten
Steuerfrequenz proportional sein.
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Wenn die Dämpfung im Übertragungsweg der Steuerfrequenz starken Schwankungen
ausgesetzt ist oder z. B. die Amplitude des Steuerstromes eine unerwünschte Frequenzabhängigkeit
zeigt, so empfiehlt es sich, an einer geeigneten Stelle Amplitudenregler'oder amplitudenbegrenzende
Mittel zu verwenden, um die Amplitude des ankommenden Steuerstromes möglichst konstant
zu halten und
großen Zeiträumen erfolgt. Für eine Anwendung im vorliegenden
Fall ist vielmehr die Bedingung zu erfüllen, daß die Impulsfrequenz der durch die
Geschwindigkeit der Dämpfungsschwankungen bedingten Regelgeschwindigkeit angepaßt
ist. Die veränderliche Impulsfrequenz kann in verschiedener Weise, zweckmäßig als
Modulation eines S:--- erstroms, übertragen werden.
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Eine gewisse Gefahr bei der Verwendung des unteren.Frequenzbereichs
für die Übertragung der Steuerfrequenzen kann darin bestehen, daß bei der gemeinsamen
Übertragung der Steuerfrequenzen und der durch sie zu steuernden Nutzströme über
Übertragungsmittel mit nichtlinearer Kennlinie (z. B. Audion) eine Kombinationsbildung
eintritt. Dieser Gefahr kann aber ohne weiteres dadurch begegnet werden, daß die
Amplitude der Steuerfrequenzen genügend klein gehalten wird. Hierin liegt ein weiterer
Vorteil gegenüber dem bekannten Verfahren, bei welchem die Amplitude des Steuerstromes
das Maß für die vorzunehmende Regelung bildet und somit das Auftreten großer Amplituden
des Steuerstromes nicht verhindert werden kann.
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In der Zeichnung sind einige prinzipielle Ausführungsmöglichkeiten
für das Verfahren gemäß der Erfindung wiedergegeben.
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Fig. i zeigt ein grundsätzliches Schema, nach welchem ein beliebiges
Übertragungssystem zur Anwendung gelangen kann. Fig. 2 veranschaulicht die Anwendung
für eine drahtlose- Übertragung, während Fig. 3 und q. Einzelheiten der Schaltung
wiedergeben.
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In Fig. i bedeutet !1I ein Mikrophon und L einen Lautsprecher, z.
B. zur Aufnahme und Wiedergabe von Musik. Die vom Mikrophon 1l kommenden Wechselströme
werden zunächst durch die Verstärker Vi und T12 und nach ihrer Übertragung über
ein beliebiges Übertragungssystem US durch einen weiteren Verstärker V3 verstärkt,
ehe sie dem Lautsprecher L zugeführt werden. Mit Rücksicht auf die beschränkten
übertragungseigenschaften des Übertragungssystems US ist der Verstärker L'2 als
Regelverstärker ausgebildet, indem sein Verstärkungsgrad durch die z. B: vor ihm
abgezweigten und mittels eines Gleichrichters G1 gleichgerichteten Ströme regelbar
und von der Amplitude der zu übertragenden Ströme abhängig gemacht ist. Die Regelung
kann in bekannter Weise, z. B. durch Gitterpotentialverlagerung, durch Steuerung
eines Potentiometers o. dgl., erfolgen.
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Die vom Gleichrichter G1 kommenden gleichgerichteten Ströme werden
gleichzeitig dazu benutzt, um die Frequenz eines Oszillators 0 entsprechend zu ändern.
Die Frequenz dieses Oszillators bildet also jeweils ein Maß für die im Verstärker
h2 vorgenommene Dämpfungsänderung.
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Nach der Übertragung durch das Übertragungssystem US werden die Steuerfrequenzen
durch einen Gleichrichter G2 gleichgerichtet, und zwar derart, daß die im Ausgangskreis
des Gleichrichters auftretende Gleichspannung jeweils ein Maß für die Frequenz des
ankominenden Steuerstromes und somit ein Maß für die im Verstärker T12 vorgenommene
Dämpfungsänderung bildet.
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Diese Steuergleichspannung wird nun dazu benutzt, den Verstärkungsgrad
des regelbaren Verstärkers h3 entsprechend zu ändern, und zwar in dem Sinn, daß
die im Verstärker V,. vorgenommene Dämpfungserhöhung bzw. -verminderung durch eine
entsprechende Dämpfungsverminderung bzw. -erhöhung ganz oder in gewissen Grenzen
wieder ausgeglichen und vom Lautsprecher L die übertragene Musik angenähert in ihrer
natürlichen Dynamik wiedergegeben wird. Die Regelung des Verstärkers V3 kann in
bekannter Weise, z. B. durch Gitterpotentialverlagerung oder durch Steuerung eines
Potentiometers bzw. von Dämpfungselementen, vorgenommen werden.
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Die Regelung des Verstärkers v2 und die gleichzeitige Steuerfrequenzänderung
braucht nicht, wie dargestellt, selbsttätig durch die zu übertragenden Ströme vorgenommen
zu -werden, vielmehr genügt es in gewissen Fällen, die Regelung von Hand, z. B.
nach Angabe eines Lautstärkemessers, durchzuführen. Auch dann erfolgt die selbsttätige
Wiederherstellung der ursprünglichen Dynamik bei der Wiedergabe in der beschriebenen
Weise.
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Fig.2 zeigt als Anwendungsbeispiel der Erfindung ein drahtloses Übertragungssystem,
bei dem die Steuerfrequenz dem zu übertragenden Tonfrequenzband unterlagert wird.
Die vom Mikrophon 111 kommenden Wechselströme werden nach ihrer Verstärkung durch
den Verstärker V1 dem Regelverstärker L'2 zugeführt. Zugleich mit der Regelung des
Verstärkungsgrades dieses Verstärkers erfolgt eine entsprechende Frequenzänderung
der Schwingung des Oszillators 0 durch die von dem Gleichrichter G1 gelieferte,
der Amplitude der zu übertragenden Nutzströme entsprechende Gleichspannung.
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Im Ausgang des Regelverstärkers T12 liegt ein für das Tonfrequenzband
durchlässiges Filter F1, während die Steuerfrequenzen ein Tiefpaßfilter F3 durchlaufen,
dessen obere Grenzfrequenz durch die höchste auftretende Steuerfrequenz bestimmt
ist und zweckmäßig unterhalb der unteren Grenzfrequenz des Hochpaßfilter s F, liegt.
Nach dem Durchgang durch die beiden Filter vereinigen sich die Nutzströme mit den
Steuerströmen. so daß
hierdurch jede Fälschung des gewollten Steuervorganges
zu verhindern. Auch für die Übertragung der Nutzströme können derartige Einrichtungen
erforderlichenfalls vorgesehen werden, um die Dämpfungsänderungen im Übertragungssystem
auszugleichen.
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Für den Steuerstrom lassen sich gegebenenfalls die vorerwähnten Amplitudenregler
ersparen, wenn mart für die Regelung der Nutzströme nicht die von der Frequenz des
Nutzstromes abhängige Steuerspannung für sich allein verwendet, sondern den Regelvorgang
vom Verhältnis dieser frequenzabhängigen Steuerspannung zu einer nur der Amplitude
des ankommenden Steuerstromes entsprechenden Steuerspannung abhängig macht. Man
kann hierdurch bei richtiger Bemessung der Schaltung erreichen, daß trotz schwankender
Dämpfung im Übertragungsweg die Größe der zur Regelung der Nutzströme entnommenen
Steuerspannung nur durch die Frequenz des Steuerstromes bestimmt ist.