DE722607C

DE722607C - Verfahren zur besseren Ausnutzung des UEbertragungsweges

Info

Publication number: DE722607C
Application number: DESCH117471D
Authority: DE
Inventors: Dr Karl-Otto Schmidt
Original assignee: KARL OTTO SCHMIDT DR
Current assignee: KARL OTTO SCHMIDT DR
Priority date: 1939-01-14
Filing date: 1939-01-14
Publication date: 1942-07-22

Description

Die Untersuchungen von M. Grützmacher und W. Lottermoser (über ein Verfahren zur trägheitsfreien· Aufzeichnung von Melodiekurven,* Akustische Zeitschrift Heft 5, 1937) lassen erkennen, daß es zweckmäßig ist, die Frequenzschwankungen der Sprachgrundfrequenz innerhalb eines gesprochenen Satzes mit zu übertragen. Hierdurch wind nicht nur die Natürlichkeit, sondern auch die Verständlichkeit des übertragenen Satzes verbessert.

Es ist bereits bekannt, auf die Empfangsseite ein gleichmäßiges Mitgehen der Grundfrequenz, die auf der Empfangsseite erzeugt wird, mit der Originalgrundfrequenz zu erzielen. Zu diesem Zwecke wird aus der Sprachgrundschwingung eine besondere Steuerfrequenz über ein Filter von 20 Hz Bandbreite und demnach großer Einschwingverzögerung auf der Sendeseite erzeugt, die auf der Empfangsseite zur sinngemäßen Verschiebung der Frequenzlage der auf der Empfangsseite vor-

handenen Grundschwingung dient. Beim Fehlen von Vokalen verschwindet die Steuerfrequenz: Hierdurch wird auf der Empfangsseite der Geräuschgenerator eingeschaltet, der Zischlaute erzeugt. Gemäß der Erfindung wird jedoch die Originalsprachgrundschwingung mit nur geringer Laufzeitverzögerung mit übertragen. Hierdurch wird; eine wesentlich getreuere Wiedergabe der Sprachgrund- »o schwingung erreicht. Ferner kann dasselbe Frequenzband zur Übertragung des Geräuschanteils der Zischlaute verwendet werden, so daß nicht nur der Vokalgenerator, sondern auch der Geräuschgenerator auf der Empfangsseite wegfallen können.

In Abb. ι wird an einem Schaltungsbeispiel gezeigt, wie die durch das Hauptpatent geschützte Anordnung unter einem etwas erhöhten Aufwand an Frequenzbandbreite verbessert werden kann.

Hierin bedeuten:	.BP_n
Ve	.Gl_n
V₀	■ TP_n
Gl₀	V_n
TP₀	.. Mod,
V₀₀	..BP_11n
Mod₀
BP₀
BP₁...
Gl₁..
TP₁..	■. BF _m
V₁...	.. DM_n
Mod_t.	*.. TF_n*
BP₁₁.	*■Gl'_n*
BP₀	--BF_n
DM₀	..SpV_n
TP₀
VV
*BF₁₁.*
DM₁ .
*TF₁..*
Gl\..
BF₁ ..
SpV₁.

■ Eingangsverstärker

: Verstärker des Modulationssystems M₀ (Sprachgrundschwingung) : Gleichrichter (nichtlinearer Verzerrer) des Modulationssystems M_u • Tiefpaß des Modulationssystems M₀

■■ Verstärker vor dem Modulator des Modulationssystems M_n Modulator mit der Trägerfrequenz von iooo Hz Bandpaß (iooo ... 1500 Hz) im Modulationssystem M₀ Bandpässe zur Auf teilung des Sprachfrequenzbandes in η Teilbereiche Gleichrichter der Modulationssysteme M₁... M_n

Tiefpässe (o ... 50 Hz) der Modulationssysteme M₁... M_n ⁸5

Verstärker der Modulationssysteme M₁... M_n Modulatoren der Modulationssysteme M₁... M_n Bandpässe am Ausgang der Modulationssysteme M₁... M_n Bandpaß des Sprachgrundschwingungsteilbereiches 9°

Demodulator des Sprachgrundschwingungsteilbereiches Tiefpaß des Sprachgrundschwingungsteilbereiches Frequenzvervielfacher des Sprachgrundschwingungsteilbereiches Bandpässe der Empfangsseite 95

Demodulatoren der Empfangsseite
Tiefpässe der Empfangsseite

Gleichrichter der Empfangsseite (zur Erzeugung der Gitterverlagerungsspannung)
Bandpässe der Empfangsseite
Sperrverstärker der Empfangsseite
Ausgangsverstärker der Empfangsseite

Die am Eingang E der Anordnung eintreffende Sprache mit einem Frequenzbereich von z. B. ο ... 8000 Hz wird über den Eingangsverstärker V_E auf die im Hauptpatent beschriebene und hier nochmals eingehender dargestellte Schaltungsanordnung gegeben.

Zusätzlich tritt jedoch noch eine Schaltungsanordnung zwischen den Punkten σ-& und c-d auf der Serideseite und zwischen e-f und g-h auf der Eimpfangsseite dazu. Die Wirkungsweise des Zusatzes ist folgende:

Unterhalb der Punkte a-b erfolgt die übliche und aus dem Hauptpatent bekannte Aufteilung der Sprache in mehrere Teilbänder zur Auswertung ihres Energieinhaltes. Oberhalb der Punkte a-b wird die Sprache in ihrem vollen Umfang über den Verstärker V₀ dem Modulationsgerät M₀ zugeführt. Am Eingang dieses Modulationsgerätes befindet sich ein ^l°5 Gleichrichter Gl₀ (z. B. in der Form eines Kupferoxydulringmodulators). Hier wird das Sprachfrequenzspektrum nichtlinear verzerrt. Es entstehen neben Summen- und Oberfrequenzen auch Differenzfrequenzen. Diese Dif- no ferenzfrequenzen ergeben bei den Vokalen der Sprache im eingeschwungenen Zustand die Sprachgrundschwingung des jeweiligen Sprechers. Bei Zischlauten, deren Hauptformanten vornehmlich. oberhalb 3000 Hz liegen, treten ebenfalls Differenzfrequenzen auf, die jedoch einen engen unregelmäßigen Frequenzabstand im verzerrten Bereich von ο.. .500 Hz hinter dem Gleichrichter besitzen und dementsprechend einen ebenfalls geräuschartigen Charakter erhalten.

Diese Differenzfrequenzen und die im Qri-

ginal bereits mehr oder weniger vorhandenen Sprachgrundschwingungen werden nunmehr durch einen Tiefpaß TP₀ mit dem Frequenzbereich von ο ... 500 Hz vom übrigen verzerrten Sprachgemisch abgetrennt. Da der gesamte Umfang des Sprachfrequenzbandes .zur Differenzfrequenzbildung herangezogen wurde, ergibt sich der Vorteil, daß der Grundton bei Vokalen oder ein Geräuschspektrum bei Zischlauten von Anfang an in ausreichender Stärke vorhanden ist. Der Frequenzumfang des Tiefpasses mußte den verhältnismäßig großen Bereich von ο ... 500 Hz überspannen, da bei Frauenstimmen innerhalb der Melodiekurve des Satzes die Sprachgrundschwingung bis auf 500 Hz ansteigen kann. Außerdem ergibt sich durch ein breiteres Frequenzband eine bessere Erfassung der Zischlaute und eine geringere Einschwingzeit.

Das Differenzfrequenzband wird hinter dem Verstärker F₀₀ auf einen Modulator gegeben, der es in den Frequenzbereich von z.B. 1000 bis 1500 Hz transportiert. Über den Bandpaß BP₉ wird dieses Frequenzband nunmehr auf die Leitung gegeben.

Auf der Empfangs sei te, ergibt sich das ähnliche Bild, wie es im Hauptpatent dargestellt ist. Abweichend davon werden nunmehr statt der festen Frequenzen 120, 240, 360 Hz usw., die im Sender gewonnenen und mitüibertragenen tiefen Frequenzen im Bereich von ο ... 500 Hz im Vervielfacher VV vervielfacht und unter Vorschaltung der zugehörigen Bandpässe BP'\ usw. in. bekannter Weise in den Modulationsgeräten M\, M'₂ usw. gesteuert.

Zur Steuerung werden die Sperrverstärker Sp V₁ bis Sp V_n verwendet, die in bekannter Weise z..B. durch Gitterpotentialverlagerung die vom Frequenzvervielfacher erzeugten Frequenzen nach ihrer Aufteilung hinter den Bandpässen im Rhythmus und in der Amplitude der Energieänderungen innerhalb der einzelnen Bandbereiche beeinflussen. Die Änderung der Gittervorspannung der Sperrverstärker wird durch Gleichspannungen bewirkt, die von den Gleichrichtern Gl₁ bis Gl_n erzeugt werden.
Die Aufteilung des übrigen Sprachbandes durch die Bandpässe 5P₁ bis BP_n ist diesmal so vorgenommen, daß im unteren Bereich bis etwa 1000 Hz die alte im Schaltungsbeispiel des Hauptpatentes beschriebene Frequenzbandeinteilung bestehen bleibt. Für den Bereich von 1000 bis 8000 Hz sind jedoch die Bereiche der Bandpässe erweitert worden, so daß in diesem Falle nur mit 18 Bandpässen der Energieinhalt des gesamten Sprachspektrums von ο ... 8000 Hz erfaßt wird. Es erscheint zweckmäßig, die Bereiche der Bandpässe oberhalb 1000 Hz derart zu erweitern, daß die oberen Bereiche einen größeren Umfang erhalten als die Bereiche in der Nähe von 1000 Hz. Der Bereich des Bandpasses BP_n könnte in diesem Falle z. B. das Frequenzband von 5000 ... 8000 Hz umfassen.

Es ist auch möglich, mit nur 10 Bandpässen auszukommen und dementsprechend den zu übertragenden Bereich noch weiter zu verrin¹ gern. Die Zahl der Teilbänder wird mindestens fünf, jedoch nicht mehr als zwanzig betragen müssen. Wird die Zahl 5 unterschritten, so ist es nicht mehr möglich, die erforderliche Zahl der Charakteristiken für den einzelnen Vokal zu erhalten. Eine Vermehrung der Teilbänder über 20 bedeutet eine Vermehrung des wirtschaftlichen Aufwandes ohne Erzielung eines weiteren technischen Gewinnes.

Für die Wahl der Durchlaßbreiten der Tiefpässe TP₁ bis TP_n sind folgende Gesichtspunkte maßgebend.

Wenn es sich nur darum handelt, eine Nachricht, z. B. einen Pressebericht, über eine große Entfernung durchzugeben, so daß die Nachrichtenübermittlung nicht die Form eines Gespräches annimmt, so kann man verhältnismäßig lange Gesamtlaufzeiten zulassen Man kann daher auch die Einschwingzeiten der Bandpässe BP₁ bis BP_n ziemlich groß werden lassen und damit die Filter so schmal machen, daß die verhältnismäßig langsam sich ändernden Energieinhalte der einzelnen Teiltonbereiche der Sprache getreu übertragen werden. Untersuchungen an Oszillogrammen geben hier eine Mindestbandbreite von 10 Hz. Die Übertragung derart schmaler Bänder ist für diesen Zweck bereits bekannt, allerdings ohne den Hinweis, daß auf diese Weise nur eine einseitig gerichtete Nachrichtenübermitt- ^lot) lung möglich ist.

Verwendet man nur 10 Kanäle und überträgt eine Männerstimme im Bereich von 50 bis 250 Hz, so wäre es möglich, mit einem insgesamt zu übertragenden Frequenzband von 100 -I- 200 Hz (= 10 Kanäle mit 10 Hz Bandbreite + 200 Hz für Stimmbandgrundschwingung) auszukommen. Die Gesamtlaufzeit beträgt dann in einer Richtung rund 500 ms ohne Berücksichtigung der Gesamt- »'° laufzeit der Leitung. Der zulässige Wert von 250 ms für die Gesamtlaufzeit beim Gespräch auf einer Leitung wird daher weit überschritten, so daß diese Art der Übertragung auf eine vorwiegend einseitige Nachrichtenübermittlung beschränkt bleiben muß. ■: »

Will man die vorstehend beschriebene Anordnung zur Übermittlung von Gesprächen verwenden, so wird man höchstens 200 ms auf die Apparatur entfallen lassen dürfen unter der Voraussetzung, daß dei Funkweg zur Übertragung benutzt wird und damit die

Gesamtlaufzeiten der ganzen Verbindung den Wert von 250 ms nicht überschreiten. In diesem Falle müßten die Tiefpässe eine Bandbreite von rund 25 Hz erhalten. Da grundsätzlich 4 Filter von 25 Hz in einer Verbindung hintereinandergeschaltet sind, deren Laufzeiten sich addieren, ergibt sich in diesem Falle eine Gesamtlaufzeit allein der 4 Filter von 4 χ Y₂S sec = 160 ms. Hierzu

to treten noch die Laufzeitverluste in den 2 hintereinandergeschalteten Bandpässen z.B.BP₁ und BP₁ mit ungefähr 12 ms und sonstige Verlustzeiten in der Apparatur, so daß die Gesamtlaufzeit der Apparatur allein auf rund

»5 200 ms anwächst.

Der Aufwand an Frequenzbandbreite ergibt sich in diesem Falle unter Zugrundelegung von 10 Teiltonkriterien und Übertragung einer Männerstimme im Bereich von 50 bis 250 Hz zu: (10 χ 25) + 200 = 450 Hz.

Will man indessen ein Gespräch über eine lange Kabelverbindung, z. B. ein Transozeankabel, nach diesem Verfahren ermöglichen, so muß eine Verlustzeit durch den Einschwing-

Vorgang des Kabels von mindestens 150 ms abgezogen werden, so daß für die Gesamtapparatur nur noch eine Verlustzeit von 100 ms verbleibt. In diesem Falle wären 50 Hz breite Durchlaßbereiche für die vier schmalen Filter zu wählen, wie dies auch in dem Schaltungsbeispiel der Abb. 1 geschehen ist.

Der Aufwand an Frequenzbandbreite beträgt in diesem Falle unter Zugrundelegung von zehn Teiltonkriterien und Übertragung einer Männerstimme im Bereich von 50 bis 250 Hz rund 700 Hz (= [10X50]+200) oder bei Übertragung von Männer- und Frauenstimmen rund 1000 Hz. Dies bedeutet gegenüber dem normalen Sprachfrequenzumfang von 300 bis 2400 Hz immerhin eine Einsparung an Frequenzbandbreite auf ein Drittel bzw. auf die Hälfte.

In den Abb. 2 und 3 wird noch eine Schaltungsanordnung gezeigt, die es mit bekannten Schaltmitteln gestattet, trotz Beibehaltung eines schmalen Frequenzbandes für die Grundtonübertragung, die Übertragung der Frauenstimmen mit zu ermöglichen.

In der Abb. 2 bedeuten:

V₀ Gt₀

BP_P

Mod_M

Mod_F

SpV

BP₀

V_F

Gl₁

TP

Gl₂

SpV

BP

Verstärker im Grundschwingungszweig

Gleichrichter im Grundschwingungszweig (nichtlineares Glied)

Bandpaß für die Männerstimme

Bandpaß für die Frauenstimme

Verstärker nach dem Bandpaß BP_M

Modulator zur Verlagerung der Grundschwingung der Männerstimme

Modulator zur Verlagerung der Grundschwingung der Frauenstimme

Sperrverstärker

Bandpaß am Ende des Grundschwingungszweiges

Verstärker im Kennzweig für die Frauenstimme

Gleichrichter im Kennzweig für die Frauenstimme

Tiefpaß im Kennzweig für die Frauenstimme

Gleichrichter im Kennzweig für die Frauenstimme

Sperrverstärker im Kennzweig für die Frauenstimme

Bandpaß

Zwecks Übertragung der Frauenstimme wird hinter den Punkten a-b der Abb. 2 nach der Differenztonbildung durch den Gleichrichter Gl_a zunächst mit Hilfe der Bandpässe BP_M und BPp ein Kriterium für das Auftreten der Frauenstimme geschaffen. Wird die Einrichtung von einer Männerstimme besprochen, so sperrt diese mit Hilfe der Gitter-

,55 Spannungsverlagerung den Sperrverstärker SpV der Abb. 2 und alles bleibt wie in der Beschreibung zur Abb. 1 angegeben ist. Tritt jedoch im Bereich des Bandpasses BP_M keine wesentliche Spannung auf, sondern liegt die Hauptenergie im Bereich des Bandpasses BPp, so bleibt der Sperrverstärker SpV offen und erzeugt einmal über den Modulator Mod_P unter Zusatz einer Frequenz von 750 Hz ein Seitenband von 1000 ... 1200 Hz, das damit no in die Lage des jetzt nicht vorhandenen Seitenbandes der Männerstimme fällt und von dem Bandpaß BP₉ (1000 ... 1200) durchgelassen wird. Gleichzeitig wird über den Verstärker Vp ein Kriterium über die Leitung gegeben, das in dem schmalen Frequenzbereich von 1200 ... 1220 Hz übertragen werden kann, da hier nur eine einmalige Angabe während eines Gespräches im allgemeinen genügt.

Auf der Empfangsseite dient dieses Kriterium gemäß Abb. 3 dazu, dem Vervielfacher VV die richtige Grundfrequenz zuzuführen.

In der Abb. 3 bedeuten:

5P₀₁', 5P₀₂'usw.= Bandpässe
DM₀, DM₀'usw.= Demodulatoren
TP Gl

SpV₁,

VD

VV

Tiefpaß

Gleichrichter

Sperrverstärker für die Männerstimme

Sperrverstärker für die Frauenstimme

Frequenzverdoppeier

Frequenzvervielfacher

Ist hinter dem Bandpaß BP'₀₂ eine Spannung vorhanden, so wird das über den Fre-

■tg quenzverdoppelerFD erzeugte Frequenzband von 250 ... 450 Hz auf den Vervielfacher gegeben, während der Sperrverstärker SpV_M gesperrt ist.

Im allgemeinen dürft'e jedoch der erzielte . Frequenzbandgewinn von rund 200 Hz den zusätzlichen Aufwand nicht rechtfertigen. Wenn jedoch auf alle Fälle an Frequenzbandbreite gespart werden muß, sind diese Schaltungsbeispiele noch dadurch weitgehend zu verbessern, daß zur Freigabe der einzelnen Frequenzbereiche Schaltungen moderner Rückkopplungssperren, so z. B. das Differentialprinzip, angewendet werden.

Zur vollständigen technischen Lösung des Problems ist es notwendig, die durch die Einschwingzeit der Filter hervorgerufenen Laufzeitdifferenzen zwischen den einzelnen Teiltonbändern und auch innerhalb ihres Durchlaßbereiches durch entsprechende Phasenentzerrungsmittel in bekannter Weise auszugleichen.

Claims

Patentansprüche:

i. Verfahren zur besseren Ausnutzung des Übertragungsweges, insbesondere für zweiseitig gerichteten Verkehr, nach Patent 594 976, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprachgrundschwingung mitübertragen wird und durch Frequenzver-

vielfachung am Empfangsende zur Erzeugung eines Frequenzspektrums dient, derart, daß zu der bisherigen Amplitudensteuerung durch die Energieinhalte der einzelnen zugehörigen Teiltonbereiche nunmehr noch eine Steuerung der Frequenzlage des gesamten Frequenzspektrums hinzutritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprachgrundschwingung zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Amplitude in bekannter Weise durch Differenzbildung aus dem gesamten Sprachfrequenzumfang gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine einseitige Nachrichtenübermittlung schmale Bänder mit hierdurch bedingten langen Laufzeiten, dafür aber geringem Frequenzumfang verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Teilbänder mindestens 5> jedoch im allgemeinen nicht mehr als 20 beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschwingzeit und damit die Durchlaß- s₅ breite der Bandpässe so gewählt wird, daß bei einer Verwendung im Gegensprechverkehr die Gesamtlaufzeit von 250 ms für die gesamte Verbindung in einer Richtung nicht überschritten wird. _go

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen