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Verfahren zur Erhöhung der Dynamik bei einem Ubertragungssystem mit
oberer Aussteuerungsgrenze Unter Dynamik eines Übertragungssystems versteht man
in erster Näherung das Verhältnis der höchstzulässigen Spannung zur niedrigsten
Spannung. Genauer versteht man darunter das Verhältnis dieser Spannungen, nachdem
zuvor die auf die einzelnen Frequenzanteile entfallenden Energieanteile entsprechend
der frequenzabhä,ngigen Gehörempfindlichkeit bewertet worden sind.
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Die höchste Spannung ist gegeben durch die Grenze, bei deren Überschreitung
Verzerrungen oder sonstige den Betrieb gefährdende Umstände eintreten. Jedes Übertragungssystem
enthält solch eine obere Grenze. Gleichfalls besteht eine untere Grenze, welche
durch die Störwirkung von Fremdl;eräuschen bedingt ist. Es ist nicht mehr möglich,
mit einem solchen System Nutzspannungen zu übertragen, welche gleich oder kleiner
sind als die Höhe der Störspannung.
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Es gibt damit zwei Möglichkeiten, welche grundsätzlich geeignet sind,
die Dynamik eines Übertragungssystems zu erhöhen: i. Hinaufsetzen der oberen Aussteuerungsgrenze
durch entsprechende Dimensionierung und 2. Verminderung der Störspannung.
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Beide Möglichkeiten haben praktische Grenzen. Man kann die obere Dynamikgrenze
in einem Übertragungssystem in der Weise erhöhen; daB man denjenigen Gliedern, welche
nur in einem begrenzten Bereiche verzerrungsfrei arbeiten, eine ent-#prechend höhere
räumliche Abmessung gibt. Dieser
Fall kann gegeben sein bei Übertragern,
welche durch .die nicht linearere Eigenschaften des darin enthaltenen Eisenkerns
nur in einem begrenzten Aussteuerungsbereich verzerrungsfrei arbeiten. I,ntsprechendes
gilt auch für alle diejenigenGlieder, bei denen eine aufzubringende Leistung die
Grenze darstellt, wie z. B. Verstärker oder Senderendstufen. In allen diesen Fällen
stellt der wirtschaftlich tragbare Rahmen eine schließliche Grenze für die räumliche
Abmessung dar. Beispielsweise würde eine Verzehnfachung der Leistung eines Rundfunksenders
von ioo auf iooo kW etwa eine Verdreifachung, io, der abgebbaren Nutzspannung bedeuten;
dadurch würde die Dynamik um io db erhöht. Bei Schallaufnahmegeräten ist die Erhöhung
der Aussteuerungsgrenze bestimmt durch die Aussteuerungsgrenze des Schallträgers.
Auch bei Schallträgern kann man die Dynamik dadurch erhöhen, daß man eine größere
räumliche Abmessung des Schallträgers zuläßt. Im' allgemeinen sind aber die räumlichen
Abmessungen von Schallträgern auf ein gewisses Höchstmaß beschränkt. Eine weitere
Erhöhung der Dynamik ist dann nur durch eine Verringerung der Spieldauer zu erreichen.
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Außer dem wirtschaftlichen Grund besteht eine Schwierigkeit der Hinaufverlegung
der oberen Dynamik-grenze darin, daß die störende Einwirkung «uif einen Nachbarkanal
ebenfalls um denselben Faktor erhöht wird. Bei Fernleitungen und drahtlosen Cbertragungssystemen
haben alle Kanäle untereinander eine schädliche Kopplung, d. h. die Nutzspannung
der einen Leitung wird zu einem Bruchteil im Nachbarkanal hörbar und wirkt dort
als Störspannung. Dasselbe gilt auch für Rundfunksender, welche auf benachbarten
Wellen liegen und von einer Empfangsstelle aus abgehört werden.
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Wenn einer dieser Sender seine Leistung erhöht, so würde dieser Sender
selbst einen .Dynamikgewinn davontragen, die Dynamik des Nachbarsenders aber verringert
werden, wenn seine eigene untere Dynamikgrenze gebildet wird durch das Übersprechen
eines im Wellenband benachbarten Senders.
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Betrachtet man eine Gruppe von Übertragungswegen gemeinsam und ist
bei allen diesen Übertragungswegen die untere Dynamikgrenze gegeb--n durch Störungen,
welche aus einem Nachbarkanal kommen, so kann in ,diesem Fall die Dynamik nur erhöht
werden durch eine Steigerung der Übersprechsicherheit.
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Die Störspannung kann ferner auch herrühren aus einer Kopplung mit
dem Starkstromnetz. Das dadurch im Übertragungsweg erzeugte sog. Netzbrummen ist
sehr bekannt bei solchen Geräten oder Anlagen, welche ihre Betriebsspannungen durch
Stromversorgungsteile aus dem Starkstromnetz beziehen. Die Herabsetzung dieser Art
von Störspannungen ist mit einem erheblichen technischen und wirtschaftlichen Aufwand
für magnetische Abschirmung, Siebketten, räumlich getrennte Anordnung usw. verbunden.
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Bei Cbertragungswegen, welche drahtlose Verbindungsstrecken enthalten,
entstehen atmosphärische Störungen. Eine absolute untere Grenze der Störspannung
ist gegeben durch elementare Elektronenbewegungen, welche durch die Wärme entsprechend
einem statistischen Wahrscheinlichkeitsgesetz verursacht werden. Der gehörsmäßige
Eindruck des Rauschens ergibt eine Störung von - 112 db, bezogen auf i mW.
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Bei Schallträgern besteht eine untere Störgrenze durch Rauhigkeiten
des Schallplattenmaterials, durch die körnige Struktur .der fotografischen Schichten
von Tonfilmstreifen, oder durch eine körnige Struktur der auf '-\Iagnetofonbänder
aufgebrachtem magnetisierbaren Schicht.
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Nach Ausnutzung aller praktisch durchführbaren und wirtschaftlich
tragbaren Möglichkeiten, die Dynamik zu erhöhen, scheint eine endgültige Grenze
erreicht zu sein.
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Durch Veröffentlichungen sind aus den Vereinigten Staaten Versuche
bekanntgeworden, durch die eine Erhöhung der Dynamik um io db erreicht worden sein
soll. Bei diesen Versuchen wurde an den Eingang eines Übertragungsweges ein Verzerrer
und an seinen Ausgang ein Entzerrer geschaltet. Es wird also die Zusammensetzung
des Frequenzspektrums am Eingang des Übertragungsweges geändert und diese Änderung
am Ausgang wieder rückgängig gemacht. Es wurden jedoch dabei keinerlei Angaben darüber
gemacht, welches Übertragungsmaß diese Verzerrer und Entzerrer besitzen. Es ist
sehr wahrscheinlich, daß hierfür Frequenzkurven gewählt wurden, die sich für den
vorliegenden Fall durch einige Versuche ergeben haben.
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Die vorliegende Erfindung soll folgende Aufgabe lösen: Wenn in einem
Übertragungssystem die höchstzulässige Spannung in Abhängigkeit von der Frequenz
bekannt ist und wenn man ferner weiß, aus welchen Frequenzen sich der zu übertragende
Vorgang im statistischen Mittel zusammensetzt und außerdem Kenntnis über die Zusammensetzung
der innerhalb des Übertragungsweges entstehenden Störspannung vorliegt, so soll
aus diesen Unterlagen für jeden einzelnen Fall die günstigste Bemessung der Vorverzerrung
und der entsprechenden dem Übertragungsweg nachgeschalteten Entzerrer so zu bestimmen
sein, daß jeweils die höchstmögliche Dynamik des Systems erreicht wird.
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In Fig. i stellt i einen Übertragungsweg dar, der von
A nach
B führen möge. Diesen Übertragungsweg hat man sich sehr allgemein vorzustellen,
er kann z. B. auch drahtlose Verbindungen einschließen, er kann ferner auch einschließen
einen Schallaufnahme- und -wiedergabevorgang, bei dem bei A die Spannung dem Aufnahmegerät
zugeführt und bei B von dem Wiedergabegerät wieder abgenommen wird. (Hierbei kann
natürlich zwischen Aufnahme und Wiedergabe eine beliebige zeitliche Differenz liegen.)
Von diesem Übertragungsweg seien folgende Angaben bekannt: i. Die Aussteuerungsfähigkeit
des Übertragungssystems in Abhängigkeit von der Frequenz. Darunter soll verstanden
sein die Ab-
| hängigkeit einer an A angelegten Spannung von der |
| Frequenz, deren Amplitude gerade so bemessen ist, |
| daß die Aussteuerungsgrenze gerade eben erreicht |
| ist; 2. die Störspannung, welche im Übertragungs- |
| weg selbst erzeugt wird und am Ausgang B ge- |
| messen wird. |
| Der zu übertragende Vorgang (Sprache, Musik) |
| setzt sich nahezu stets aus eine Reihe von |
| einzelnen sinusförmigen Schwingungen zusam- |
| men. Die Anteile wechseln nach Zahl, Stärke |
| und Frequenz ständig. Insbesondere treten |
| bei großen Lautstärken und natürlich vorkom- |
| menden Klangbildern fast immer viele Einzel- |
| frequenzen zusammen auf. Der Augenblicks- |
| wert der Spannung setzt sich zu jedem ein- |
| zelnen "Leitpunkt aus den entsprechenden Augen- |
| blickswerten der Anteile zusammen. Im Augenblick |
| der höchsten Spitze. wo die Übersteuerungsgefahr |
| auftritt, ist die Feststellung der \'erteilnug des Ge- |
| samtwertes atif die Amplituden der Anteile von |
| besonderer Wichtigkeit. |
| Bei der Beurteilung der Störspannung muß man |
| andererseits der Tatsache Rechnung tragen, daß |
| die störende Wirkung abhängig ist von Eigen- |
| schaften des menschlichen Gehörs «-elches die ver- |
| schiedenen Frequenzgebieten entstammenden An- |
| teile verschieden bewertet. |
| Um das Zusammenwirken aller dieser Umstände |
| beurteilen zu können, wird der Betrachtung ein |
| Ersatzschaltbild gemäß Fig. i zugrunde gelegt. |
| Hierin ist eine Übertragungsleitung i, welche im |
| Sinne der oiligen Ausführungen ganz allgemein |
| zu vrrsteheil ist, von A nach B vorgesehen. Die |
| Freduenzabhängigkeit der Aussteuerungsgrenze |
| tröge in der Weise berücksichtigt sein, daß das |
| Überwachungsinstrument io, welches ein Über- |
| schreiten der Aussteuerungsgrenze anzeigen soll, |
| durch einen vorgeschalteten Vierpolg in seiner |
| Emptindlichkeit frequenzabhängig gemacht worden |
| ist, und zwar so, daß das Erreichen der Aus- |
| steuerungsgrenze immer durch denselben Ausschlag |
| des Instrumentes to angezeigt wird. Das Filter g |
| bewirkt also bei den Frequenzen, bei denen eine |
| geringe Spannung bereits eine Cbersteuerung be- |
| wirken würde,, eine entsprechende Überhöhung und |
| umgekehrt bei den Frequenzen, bei denen die Über- |
| tragungsleitung in der Lage ist, hohe Aussteuerun- |
| gen zuzulassen, eine entsprechende Dämpfung. Voll- |
| ausschlag des Instrumentes bedeutet also bei jeder |
| Frequenz volle Aussteuerung. Das Filter 9 hat also |
| einen t'`bertragungsfaktor, welcher invers zur _,#tis- |
| steuerungsempfindlichkeit des Übertragungsweges |
| im Punkte A herläuft. Vor den Eingang A sei nun |
| ein Vorverzerrer 2 mit einem gesuchten Frequenz- |
| gang Z«) zu schalten, während an den Ausgang |
| ein zu 2 inverses Filter 3 mit dem Frequenzgang |
| Z-' (f) geschaltet wird. Das hat folgende Wir- |
| kungen |
| i. für die Aussteuerung: Die aus einzelnen |
| Frequenzanteilen bestehende Zusammensetzung der |
| Nutzspannung N (f), welche aus der Quelle (Mikro- |
| fon) 6 kommen möge, wird durch den Verzerrer Z (f) |
| geändert: infolgedessen ist die Einstellung eines |
Regelgliedes h, welches bei einer Spannungsspitze so stark aufgedreht werden möge,
bis gerade das Instrument io die erreichende Aussteuerungsgrenze anzeigt, abhängig
vom Verlauf der Frequenzkurve Z (f) ; 2. für die Geräuschspannung: Die Empfindlichkeit
des menschlichen Ohres gegen Störgeräusche wird nachgebildet durch eine Meßeinrichtung,
welche aus einem Anzeigeinstrument 8 und einem Filter 7 besteht, dessen Frequenzgang
so bemessen sei, daß die Anzeige des Instrumentes 8 bei Anlegen einer Spannung veränderlicher
Frequenz dem gehörsmäßigen Eindruck entspräche.
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Die in der Leitung von A nach B entstehenden Störungen
werden nachgebildet durch einen Ersatzgenerator 4. Die Verteilung der Störspannung
R(f) uber das Frequenzspektrum wird ,durch den Entzerrer 3 verändert und damit auch
der Ausschlag des Instrumentes 8, äquivalent dem gehörsmäßigen Eindruck.
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Da die Wirkungen der Filter 2 und 3 mit den 1@requenzgängen Z (f)
und Z-' (f) sich stets gegenseitig autheben, ist die Anzeige des Instrumentes 8
für die 1\utzspannung um so höher, je hoher nian den Lbersetzungsfaktor k; am Regler
ii wählen kann, ohne die höchstzulässige Aussteuerung zu überschreiten.
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Wir denken uns einmal nur den Nutzgenerator El mit dem 1 requenzspektrum
A (j) eingeschaltet und dabei den Regler h so eingesteht, daß das Instrument io
geraue das Erreichen der @ussteuerungsgrenze anzeigt. Ein zweites Nlal sei der henerator
b abgeschaltet, datür nur der Ersatzgenerator iur die Storspannung 4 mit dem rrequenzspektrum
LZ (f)
eingeschaltet. Jie Autgabe besteht uarin, den gesuchten r redvenzgang
G (f) so zu bestimmen, daß das Verhäiiitis uer den beiden Generatoren entsprechenden
Ausschläge des Instrumentes 8 zu einem :Maximum wird.
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Das Vorhandensein vieler Einzelfrequenzen bei Aussteuerungsspitzen
kann man mit einem als Tonfrequenzspektrometer bezeichneten Gerät veranschaulichen,
bei dem man im Augenblick des Erreichens dieses Spitzenwertes auf dem Schirm einer
Braueschen Rohre die Amplituden der einzelnen F requenzteile in ihrer relativen
Stärke zueinander angezeigt sieht.
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Der Spitzenwert, welcher für die Aussteuerungsgrenze maßgebend ist,
entsteht daher durch das Zusammenwirken einer großen Reihe von Einzelfrequenzen.
Es ist nun unwahrscheinlich, daß die Maxima der Einzelwerte zeitlich so zusammenfallen,
daß sich gerade die Spitzenwerte der Anteile zu einem Gesamtspitzenwert zusammensetzen.
Es ist ferner sehr unwahrscheinlich, daß die einzelnen Frequenzen gerade so in einer
zeitlichen Aufeinanderfolge zusammentreffen, daß sie sich gegenseitig auslöschen.
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Fremde und allgemein bekannte Versuche haben ergeben, daß sich die
Phasenlage der Spannungen, welche von den Tönen einzelner Musikinstrumente im Orchester
erzeugt werden, nach statistischen Mittelwertgesetzen einstellt. Damit ergibt sich
als
wahrscheinlichster Spitzenwert ein quadratischer Mittelwert,
und man kann, wenn man die maximale Anzeige des Aussteuerungsmessers io mit A bezeichnet,
den Ansatz machen:
wobei k das Verhältnis Ausgangsspannung : Eingangsspannung beim Regler
k bezeichnet, N2 (f) ist das Quadrat der Nutzspannung, bezogen auf
die Bandbreite f des Gerätes, mit dem die Zerlegung der Nutzspannung in einzelne
Frequenzbereiche vorgenommen wurde. Z (f) ist die gesuchte Frequenzkurve des Verzerrers
und A (f) das Filter, welches invers zur frequenzabhängigen Empfindlichkeit
des Übertragungsweges gegen übersteuerungen zu denken ist. Diese Gleichung ist eine
Bestimmungsgleichung für k.
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Nach vorliegenden Versuchen ist ,der gehörsmäßige Eindruck einzelner
Frequenzen im Gehör angebbar durch eine Gehörsbewertungskurve. Wirken mehrere Frequenzen
zusammen, so kann man den Gesamteindruck im menschlichen Ohr dadurch errechnen,
daß man die entsprechend der Bewertungskurve des Ohres einzeln bewerteten Frequenzen
durch quadratische Addition in eine Ersatzspannung umrechnet. Dies werde nacheinander
für die Nutzspannung und für die Störspannung durchgeführt und dabei berücksichtigt,
daß der Verlauf der Ohrbewertungskurve infolge des Lautstärkeuntrerschiedes bei
der Nutzspannung verschieden ist von dem Verlauf bei der Rauschspannung. Setzt man
infolgedessen die Ohrbewertungskurve für .die Nutzspannung = hrs (f) und
bei der Rauschspannung entsprechend = 1a, (f), so kann man das Verhältnis
der beiden gehörsmäßigen Eindrücke, welches gemäß der gestellten Aufgabe zu einem
Maximum zu machen ist, ausdrücken durch
In diesem Ausdruck kann man k gemäß der Gleichung (i) ausrechnen und erhält nach
dem Einsetzen
Da das Integral im Zähler eine Konstante darstellt, während -die gesuchte Funktion
z (f) nur im Nenner vorkommt, kann man die gestellte Aufgabe dadurch lösen, daß
man die Funktion z (f) so bestimmt, daß durch ihrem Verlauf das Produkt der
beiden Integrale im Nenner zu einem Minimum wird. Diese Aufgabe ist als ein Variationsproblem
der reellen Funktionstheorie geschlossen lösbar und führt zu dem Ausdruck
Der vor dem Wurzelzeichen befindliche Faktor c kann beliebig gewählt werden, da
er einen frequenzunabhängigen Dämpfungsfaktor des gesuchten Filters darstellt. Da
nur der relative Frequenzverlauf gefragt ist, ist mit diesem Ergebnis die Aufgabe
gelöst.
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Dieser Ausdruck gibt damit den Frequenzgang an, den der Vorverzerrer
erhalten muß, damit die übertragende Dynamik ein Höchstmaß annimmt. Die Bedeutung
.der unter dem Wurzelzeichen der Gleichung (4) stehenden vier frequenzabhängigen
Ausdrücke werde der Hervorhebung halber wiederholt. Es bedeuten: R (f) dieVerteilung
der Störspannung nach der Frequenz und N (f) die entsprechende Verteilung
der Nutzspannung. Die Verteilung der Nutzspannung wird bei den Spitzenwerten der
Lautstärke je nach dem Charakter des Musikstückes eine andere sein, so daß sich
entsprechend für jede besondere Art des zu übertragenden Vorgangs (Art des Musikstückes,
Besetzung des Orchesters" Nachhallverhältriisse im Aufnahmeraum) auch eine entsprechend
andere günstigste Kurve z (f) ergeben müßte.
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Man legt in Wirklichkeit einen statistischen Mittelwert fest, so daß
unter Berücksichtigung dieser Mittelwertkurve sich auch eine bestimmte mittlere
Kurve der optimalen Vorverzerrung ergibt. Die Kurve h, (f) stellt die Abhängigkeit
derGehörsempfindlichkeit von der Frequenz fest bei dem unteren Störgeräusch, welches
sich zusammensetzt aus demGrundgeräusch, welches demÜbertragungsweg entstammt und
dem in der Wiedergabe vorliandenen akustischen Grundgeräusch. Unter a (f) ist ferner
eine Kurve zu verstehen; welche invers zur Empfindlichkeit des Übertragungsweges
gegen Übersteuerungen verläuft. Man kann die Gleichung "!. (f) auch folgendermaßen
ausdeuten: Wenn man nur Wert legen würde auf eine möglichst hohe Amplitude am Eingang
des Übertragungsweges, dann müßte man als günstigste Vorverzerrung
wählen. Legt man andererseits Wert darauf, den Absolutwert des Rauschens am Ausgang
des Übertragungsweges möglichst gering zu halten, so müßte man diese Kurve
Z (f) = c R (f) hr (f) .
wählen. Will man aber
das Verhältnis beider möglichst groß wählen, so muß man beide Umstände in gleichem
Maße berücksichtigen. Das sich ergebende Optimum erweist sich daher als das geometrische
Mittel der beiden extremen Lösungen. Diese Gleichung 1:ißt sich nun auf verschiedene
praktische Fälle anwenden.
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i. Übertragung über einen Übertragungsweg mit Grundgeräusch (Fig.
2) Es wird hierbei angenommen, daß das Nutzspektrum, gemessen mit Filtern von gleicher
prozentualer landbreite einen konstanten Verlauf zwischen 1,30 und
3000 )dz hat und unterhalb und oberhalb dieser Grenzen proportional der Frequenz
abfällt. Die Übersteuerutigsempfindlichkeit a (f) sei abhängig voii der Frequenz;
die Gehörkurve bei 30 1'11011 ist mit li, (f) eingezeichnet worden.
Die Störspannung soll einem rein thermischen Rauschen entsprechen und daher in gleichen
absoluten Bandbreitenintervallen dieselbe Energie enthalten. Mißt nian dabei beim
Nutzspektrum mit Filtern, welche in ihrer Breite proportional derFrequenzanwachsen,
so muß man einen Verlauf entsprechend R (f) angeben, welcher proportional mit der
Wurzel aus der Frequenz ansteigt. Das Rauschspektrum und die Olirkurve ergeben zusammen
einen Verlauf R (f) li, (f), welche sich bei einer logarithmisch unterteilten Ordinatenachse
einfach durch eine Addition beider Kurven ergeben. Der geometrischen Mittelwertbildung
entspricht bei einer logarithmischen Unterteilung der Ordinate ein Auftragen der
halben Differenz der Kurven R (f) h, (f) bzw. N (f) a (f)
von einem
bestinmiten Ordinatenwert aus. Man kommt so zu der optimalen Vorverzerrungskurve
"/_ (f), welche damit der optimalen Vorverzerrung für diesen I--all entspricht.
Genauere Berechnungen ergeben durch diese Vorverzerrung eine Verbesserung uni 1.1,7
db.
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Diese Kurve ist auch annähernd anwendbar für solche Übertragungen,
bei denen ein Abschnitt hochfrequent überbrückt werden muß. Die Störungen, welche
vom Empfänger aufgenommen werden. ',sönnen innerhalb der relativ kleinen Handbreite
des Empfangs als unabhängig von der Frequenz angesehen werden. Man würde daher eine
Verbesserung um annähernd 15 (1t) bekommen, wenn man die Frequen.zkurve beim Sender
entsprechend derKurve Z (f) verzerren und beim Empfänger entsprechend einer dazu
invers verlaufenden Kurve wieder entzerren würde.
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Bei handelsüblichen Rundfunkempfängern ist eine Maßnahme zur Verringerung
der Störungen in Form der sog. Klangblende vorgesehen. Dadurch werden zwar die Störungen
herabgesetzt, gleichzeitig aber auch die hohen Frequenzen beschnitten. 1)1e Erfindung
leistet eine Erhöhung der Dynamik durch gleichzeitige Maßnahmen an Sender und Empfänger,
ohne daß die bisherige Begrenzung des Frequenzbandes auftritt.
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2. Aufnahme und Wiedergabe von Schallplatten Bei vielen Schallaufnahmeverfahren,
insbesondere bei der Schallplatte, liegen die Verhältnisse insofern etwas komplizierter,
als die Verteilung der Rauschspannung nicht mehr gleichmäßig ist, sondern etwa entsprechend
der Kurve R (f) in Fig. 3 verläuft. :\uch ist die Empfindlichkeit der Schallaufnahme
gegen Übersteuerungen bekanntlich stark frequenzabhängig, und zwar droht bei tiefen
Frequenzen die Gefahr zu starker Auslenkungen und entsprechender Verzerrungen im
Schreiber, bei mittleren Frequenzen ein zu hoher Wert für die Geschwindigkeitsamplitude,
während bei hohen Frequenzen die Krümmung der Schallplatten zu groß wird.
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Ermittelt man entsprechend dem in vorigem Beispiel gezeigten Verfahren
die günstigste Vorverzerrung, so ergibt sich eine Frequenzkurve, welche gemäß der
Erfindung unter den genannten Voraussetzungen Schallplatten mit .der höchsten erreichbaren
Dynamik ergibt,