DE599478C

DE599478C - Verfahren zur Verbesserung der Klangfarbe von Sprache

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Publication number: DE599478C
Application number: DESCH93636D
Authority: DE
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Priority date: 1931-03-26
Filing date: 1931-03-26
Publication date: 1934-07-03

Description

XJm die Natürlichkeit der übertragenen Sprache zu erhöhen, hat man die übertragenen Frequenzbänder immer mehr und mehr verbreitert. Eine Verbreiterung des Frequenzbandes ist aber stets mit einem wirtschaftlichen Aufwand verbunden, da entweder die Grenzfrequenz der Leitung höher gelegt oder die Zahl der zu übertragenden Bänder (Mehrband-Fernsprechen) verringert werden muß.

Das Bestreben der Nachrichtentechnik geht dahin, mit geringem Aufwand an Frequenzbandbreite eine möglichst formgetreue Wiedergabe der Signale, insbesondere der Sprache, zu erzielen. Es hat sich als technisch ausreichend und wirtschaftlich tragbar erwiesen, bei Übertragung von Sprache sich lediglich auf den Frequenzbereich von 300 bis 2400 Hz zu beschränken. Der beim Sprechen wirklich entstehende und vom Ohr wahrnehmbare Umfang des Sprachfrequenzbandes ist wesentlich größer, er erstreckt sich etwa von ο bis iooooHz.

Für die Aufgabe, das übertragene Teilgebiet der Sprachfrequenzen (etwa 300 bis 2400 Hz) für die Wiedergabe unten und oben aus dem übertragenen Teilgebiet (von 300 bis 2400 Hz) durch nichtlineare Verzerrungen zu ergänzen, lagen bisher keine Lösungen vor. Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei Hochfrequenzübertragung von Sprache und Musik durch ein zusätzliches Zwischenorgan im Original unterdrückte oder ursprünglich nicht vorhandene Obertöne zu verstärken bzw. nach Wunsch zu erzeugen. Diese Angabe stellt jedoch keine Lösung der Aufgabe dar, denn es ist nicht gleichgültig, welche Frequenzen unterdrückt und dann nach Wunsch erzeugt werden. Bekannte Untersuchungen zeigen deutlich, daß es insbesondere bei der Sprache bevorzugte Frequenzbereiche gibt, die zur besonderen Kennzeichnung der Laute dienen: die sogenannten Hauptformantbereiche. Sie dürfen nicht unterdrückt werden, wenn der Laut hinreichend verständlich bleiben soll. Man kann diesen Untersuchungen entnehmen, daß bei Unterdrückung des Frequenzbereiches unter 600 Hz und oberhalb 2000 Hz noch eine erträgliche Verständlichkeit gewährleistet ist.

In der vorliegenden Erfindung wird der untere unterdrückte Bereich (etwa unterhalb 600 Hz) aus dem übertragenen Frequenzband (etwa 600 bis 2400 Hz) in Form von Difterenztönen und der obere unterdrückte Bereich als Summen- und Obertöne mit Hilfe eines nichtlinear verzerrenden Gliedes neu gebildet und dem übertragenen Frequenzband hinzugefügt. Hierbei werden also die Sprachfrequenzen der Hauptformantbereiche im normalen niederfrequenten Sprachbereich (ohne Hinzufügung einer Trägerfrequenz) zur Erweiterung der fehlenden Frequenzbereiche nach oben und nach unten herangezogen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird naturgemäß keine naturgetreue Wiedergabe erreicht, die ja den bisher bekannten Systemen auch mehr oder weniger fehlt. Beim

vorliegenden Verfahren zeigt es sich, daß die neu erzeugten Differenztöne, Summentöne und Obertöne in ihren Amplituden von denen der ursprünglichen Frequenzen etwas abweichen, aber mit Hilfe der (in Abb." 3 angegebenen) Abtrennung wird es ermöglicht, die Amplituden beider Bänder in ein angenähert richtiges Verhältnis zu setzen; diese Regelung ist bei dem bisher bekannten Verfahren nicht angewendet. Die erfindungsgemäß durch Differenztöne usw. ergänzte Sprache ist wesentlich natürlicher als die nicht ergänzte Sprache und kommt dem Original sehr nahe.

Die Abb. 1. bis 3 erläutern an Ausführungsbei spielen den Erfindungsgedanken.

Gibt man nach Abb. 1 ein Frequenzgemisch von 300 bis· 6000 Hz (Rundfunkübertragung) über eine normale Fernleitung auf ein nichtlinear verzerrendes Glied Vz, z. B. einen Kupferoxydulgleichrichter, ein im Knick der Kennlinie arbeitendes Elektronenrohr o. dgl., so entstehen infolge der in diesem Glied auftretenden nichtlineafen Verzerrungen im Fernhörer F Summentöne, Obertöne und Differenztöne, so daß das ursprüngliche Band erheblich erweitert wird, z. B. auf 20 bis 10 000 Hz. Das Auftreten der Differenztöne läßt den nicht übertragenen Bereich, z. B. die Stimmbandschwingung, neu entstehen. Für das Verfahren ergeben sich gewisse Beschränkungen, die sich am besten an Hand einer Berechnung zeigen lassen. Nimmt man an, daß nur die Stimmbandschwingung (Grundton) unterdrückt wird und aus den höheren Harmonischen als Differenzton neu gebildet werden soll, so ergibt sich seine Amplitude in erster Annäherung zu

I = c (II · III + ΠΙ · IV + IV · V +),

wobei II, II, IV, V die Amplituden der entsprechenden Teiltöne sind. Der Faktor c läßt sich bei gegebenem Schaltungsaufbau experimentell ermitteln und kennzeichnet die Größe der nichtlinearen Verzerrung.

Soll auch der zweite Teilton unterdrückt und dann neu gebildet werden, so ergibt sich analog:

ll = c (III-V+ IV-VI+ V-VII+).

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß das neu gebildete Teilgebiet verhältnismäßig starr mit dem verbleibenden und erzeugenden Restgebiet gekoppelt ist. Es werden daher gewisse Eigenheiten des ursprünglichen unteren Frequenzbereiches (z. B. die absolute Größe der Amplitude der Grundwelle und das Amplitudenverhältnis der Teiltöne sowie die Einschwingvorgänge) nur angenähert wiedergegeben. Mit Rücksicht auf die geringe Ohrempfindlichkeit im unteren 'Frequenzbereich tritt jedoch ein wesentlicher Unterschied zwischen der Klangfarbe des ursprünglichen und der neu gewonnenen Sprache nicht auf. Man darf natürlich das erzeugende Restgebiet nicht zu klein werden lassen, insbesondere die Hauptformantbereiche (siehe K. W. Wagner, Der Frequenzbereich von Sprache und Musik, ETZ 1924, Heft 19) nicht zu sehr beschränken, da sonst eine merkliche Verschlechterung des gewünschten Effekts eintritt.

XJnter den Hauptformantbereichen sollen hier die Gebiete um 800 und 2000 Hz angenommen werden. Durch die Übertragung dieser Bereiche wird auf alle Fälle eine noch ausreichende . Silbenverständlichkeit erzielt, da die wesentlichen Formanten der Vokale mit übertragen werden. Die Formantbereiche der Konsonanten, die zum großen Teil jenseits 3000 Hz liegen, werden im allgemeinen im heutigen Fernsprechverkehr nicht mit übertragen, da der Konsonant bereits durch den Einschwingvorgang des folgenden oder vorausgehenden Vokals genügend gekennzeichnet ist (Backhaus, Z. f. techn. Physik Heft 1, 1932).

Ausgedehnte Versuche ergaben, daß noch gute Ergebnisse erzielbar sind, wenn das Frequenzgebiet unter 600 Hz unterdrückt und dann durch Differenztonbildung aus dem verbleibenden Restgebiet neu erzeugt und in einem bestimmten Amplitudenverhältnis wieder zugesetzt wurde. Es ergibt sich hier- bei sogar eine wenn auch geringfügige Steigerung der Silbenverständlichkeit von etwa 3 Prozent.

Die Abb. 2 stellt beispielsweise die Ergänzung der auf dem Übertragungsweg verlorengegangenen Sprachfrequenzen unter 300 Hz dar. Das auf die Apparatur gegebene Frequenzband besitzt hiernach eine Breite von 300 bis 8000 Hz. Über den Verstärker V₁ gelangt das Frequenzband an das nichtlinear verzerrende Glied Vz₁. Da lediglich das untere Band neu erzeugt werden soll, werden durch einen Bandpaß Bp₁ oder auch einen Tiefpaß die Frequenzen oberhalb 300 Hz unterdrückt. Die Unterdrückung der Frequenzen unter 50 Hz mit Hilfe des Bandpasses Bp₁ dient lediglich zur Befreiung von induzierten Störfrequenzen, die aber mit dem Verfahren selbst nichts zu tun haben.

Durch das Potentiometer P können die Amplituden der neu erzeugten unteren Teiltöne im Verhältnis zu dem vor dem Ver- 115 stärker V₁ abgegriffenen Restgebiet geregelt werden. Hinter dem Mischungsübertrager ist dann ein Frequenzband von 50 bis 8000 Hz vorhanden.

Die Abb. 3 stellt die Neubildung der Frequenzen unter 300 und über 6000 Hz dar. Das über den Übertragungsweg gelangende

Restgebiet von 300 bis 6000 Hz gelangt zunächst auf einen Bandpaß Bp₂, der nur ein Frequenzband γοη iooo bis 4000 Hz hindurchläßt. Von hier aus gelangt das verschmälerte Restgebiet über einen Verstärker V₂ auf den nichtlinearen Verzerrer Vz₂. Die bei dem Verzerrungsvorgang entstandenen Frequenzen werden zwei getrennten Bandfiltern Bp₃ und Bp₁ zugeführt, um die Frequenzbänder 6000 bis 10 000 Hz und 50 bis 300 Hz in ihrem Amplitudenverhältnis untereinander und zum Restgebiet 300 bis 6000 Hz regelbar zu machen. Hinter dem Mischungsübertrager ist dann ein Frequenzband von 50 bis ι ο 000 Hz erzielt.

Grundsätzlich läßt sich mit Hilfe ,dieses Verfahrens auch ein mittlerer Frequenzbereich der Sprache z. B. von 1400 bis 1800 Hz unterdrücken und neu bilden. Doch ist hier eine merkbare Verbesserung der Klangfarbe weder zu erwarten noch erzielbar. Das Hauptanwendungsgebiet des Verfahrens liegt in der Wiederergänzbarkeit des unteren Frequenzbereichs der Sprache. Hierbei bieten sich zwei vorteilhafte Ausnutzungsmöglichkeiten. Überträgt man das bisher in der Fernsprechtechnik übliche Frequenzband von 300 bis 2400 Hz, so kann man am Ende des Übertragungsweges die erste und zweite Harmonische der Männerstimme, die etwa bei 125 und 250 Hz liegen, und die erste Harmonische (Grundschwingung oder Stimmbandschwingung) der Frauenstimme, die bei etwa 250 Hz im Mittel liegt, neu bilden und damit das Restgebiet nach unten hin erweitern. Hierdurch wird unter Beibehaltung des gegebenen Übertragungsbereiches von 300 bis 2400 Hz eine sehr merkbare Verbesserung der Klangfarbe erzielt. Bekanntlich gehen die Bestrebungen der Fernsprechtechnik in letzter Zeit dahin, die bisherige untere Grenze des übertragenen ■ Sprachfrequenzbandes von 300 nach 200 Hz zu erweitern, um eine größere Natürlichkeit, d. h. bessere Klangfarbe der Sprache zu erzielen. Dies würde erfordern, daß sämtliche Elemente des Übertragungsweges eine Erweiterung ihres Frequenzbereiches nach unten hin erfahren, was jedoch z.B. bei den Zwischenverstärkern auf Schwierigkeiten stößt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen ist eine Frequenzbanderweiterung nach unten hin ohne irgendwelche besondere Vorkehrungen auf dem Übertragungswege

möglich. Lediglich am Ende des Übertragungssystems ist eine zusätzliche und verhältnismäßig einfache Apparatur zur Wiederergänzung des unteren Frequenzbereiches erforderlich.

Die zweite Ausnutzungsmöglichkeit ist bei Weitverkehrsverbindungen gegeben, bei denen man aus wirtschaftlichen Gründen das zu übertragende Frequenzband möglichst schmal wählen muß. Ist man daher in der Lage, an Stelle eines Frequenzbandes von 300 bis 2400 Hz ein solches von nur 600 bis 2400 Hz bei annähernd derselben Sprachgüte zu übertragen, so bedeutet der Gewinn von 300 Hz einen wirtschaftlichen Erfolg. Man kann dann entweder den Bereich von ο bis 600 Hz mit Schnelltelegraphie, d.h. mit einer eine größere Nachrichtenmenge in der Zeiteinheit befördernden Telegraphic, belegen oder bei Trägerstromausnutzung des Übertragungsweges mehr Bänder bei fest gegebener Fre- quenzbandbreite des Übertragungssystems übermitteln. Nimmt man z. B. ein Transozeankabel an, das sechs Gesprächsbänder von 1800 Hz Breite übermitteln soll, so kann durch die Unterdrückung von jeweils 300 Hz bei jedem Band 6 X 300 = 1800 Hz, d. h. noch ein siebentes Band von 1500 Hz und ein Telegraphierweg von 300 Hz gewinnen. Oder man kann unter Verzicht auf die Vermehrung der Bänder die Sprachgüte der einzelnen. Bänder heben, so daß am Ende des Übertragungsweges anstatt eines 1800 Hz breiten Sprachfrequenzbandes ein 2100 Hz breites Band zur Verfügung steht.
, Das Verfahren läßt sich natürlich auch für die Neubildung unterdrückter Frequenzbereiche bei Musik anwenden. Insbesondere lä,ßt es sich für die Wiederergänzung der unteren Frequenzen sehr gut verwenden. Da aber, wie schon zuvor erwähnt, das neu gebildete Frequenzgebiet sowohl hinsichtlich seiner Amplitudenverhältnisse als auch der Einschwingvorgänge eng mit dem erzeugenden Restgebiet verbunden ist, ergeben sich hier gewisse Fälschungen der Klangfarbe. Die too wiederergänzte Musik wird zwar als besser und voller klingend als die nicht ergänzte im Frequenzbereich beschnittene empfunden, bleibt jedoch hinter der Original wiedergabe aus den genannten Gründen zurück.

Eine Anwendung des Verfahrens wird daher bei Musik im allgemeinen nicht in Frage kommen, da das Bestreben besteht, derartige Darbietungen mit hohem Aufwand an Frequenzbandbreite möglichst originalgetreu zu übermitteln.

Eine weitere wichtige Anwendungsmöglichkeit ergibt sich für die Telegraphic Zur Erzielung eines schmalen Frequenzspektrums ist man bestrebt, am Sender die Zeichen abzuflachen, d. h. die hohen Frequenzen zu unterdrücken. Am Empfänger will man jedoch möglichst steile Zeichen erhalten, um die Telegraphiergeschwindigkeit erhöhen zu können. Man hat zu diesem Zwecke am Ende des Übertragungsweges komplizierte, differenzierende Schaltungen vorgesehen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es jedoch möglich, die hohen Frequenzen aus den tiefen als Summen- und Obertöne zu gewinnen. Es ist-lediglich darauf zu achten, daß die Amplituden der Obertöne der Furierbedingung genügen, die sich aus der Gleichung ergibt:

E =

_ 4

sin W₀1 H sin 3 w_ot + — sin 5 w_ot + ...

Man erhält dann bei genügender Zahl der Glieder eine praktisch ausreichende Rechteckkurve.

Auch hier ist der wirtschaftliche Erfolg dadurch gegeben, daß man entweder die einzelnen Telegraphiebänder verschmälert und damit mehr Bänder auf einem frequenzbegrenzten Übertragungsweg unterbringen kann, oder indem man die Telegraphiergeschwindigkeit in den einzelnen Kanälen steigern kann.

Das nichtlinear verzerrende Schaltelement wird für die Wiederergänzung der Sprache zweckmäßig mit überwiegend quadratischer Kennlinie ausgestattet. Für die Verbesserung der Zeichenform periodischer Signale ist die Form der Kennlinie durch die obengenannte Furierbedingungen gegeben.

Die Regelbarkeit der nichtlinearen Verzerrung kann beispielsweise durch Verlagerung des Arbeitspunktes auf der Kennlinie eines Elektronenrohres mit Hilfe einer Vorspannung erfolgen. Das Hervorheben oder Unterdrücken der geradzahligen bzw. der ungeradzahligen Harmonischen kann in bekannter Weise durch Schaltungen (z. B. Gegentaktschaltung) bewirkt werden.

Claims

Patentansprüche:

i. Verfahren zur Verbesserung der Klangfarbe von Sprache oder der Zeichenform periodischer Zeichen in Übertragungssystemen, bei dem vor der Übertragung auf den Sender durch Siebmittel bei Sprache nur die Hauptformantbereiche, im wesentlichen ein Frequenzband von 600 bis 2400 Hz, bei Telegraphic nur der tiefe Frequenzbereich des periodischen Zeichens übermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß durch nichtlinear verzerrende Schaltelemente, z. B.-Elektronenröhren, Detektoren usw., die vor oder auf dem Übertragungsweg unterdrückten Frequenzbereiche unterwegs oder am Empfänger neu gebildet werden, so daß eine Verbreiterung des Frequenzbandes nach oben und unten erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung nichtlinear verzerrender Glieder gemäß Anspruch 1 jedes zu übertragende Frequenzband verkleinert und dadurch die Zahl der einem Übertragungsweg aufgedrückten Frequenzbänder (Telegraphie- oder Telephoniebänder) vergrößert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der nichtlinearen Verzerrungen nur Teilgebiete des ursprünglichen Frequenzgemisches benutzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den neu geschaffenen Frequenzbereichen Teilgebiete durch 'Siebketten unterdrückt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie des Verzerrungsgliedes z. B. durch eine entsprechende Vorspannung veränderlich gemacht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das nichtlineare Verzerrungsglied gegebenen Amplituden z. B. durch Vorschaltung eines Spannungsteilers o. dgl. regelbar gemacht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nichtlineare Verzerrungsglieder in an sich bekannten Schaltungsanordnungen (z. B. Gegentaktschaltung u. dgl.) derart verwendet werden, daß der Verzerrungsvorgang hinsichtlich des Auftretens geradzahliger oder ungeradzahliger höherer Harmonischer regelbar gemacht wird.
8. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf dem gegebenen Übertragungsweg übertragene Frequenzband mit Hilfe der nichtlinearen Verzerrungsglieder verbreitert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

BERLIN. OEDIiUCKT IN DER REICUSDRUCKEREl