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Verfahren zur Verbesserung der Verständlichkeit bei der Übertragung
von Sprache beim Vorhandensein von Geräuschen Bei der physischen Erzeugung der Sprachlaute
besitzen die höheren Frequenzbereiche eine viel geringere Energie als das Gebiet
um 3oo Hz herum. Überträgt man daher die Sprache in ihrer ursprünglichen Amplitudenverteilung,
so werden die Amplituden oberhalb zooo Hz sehr leicht durch Geräusche auf dem Übertragungsweg
oder durch Raumgeräusche beim hörenden Teilnehmer verdeckt, wie aus der Abb. i hervorgeht.
Aus den Arbeiten von S h a n n o n über die Informationstheorie ergibt sich nun,
daß die Kanalkapazität, d. h. der auf einem Übertragungsweg höchstens zu übermittelnde
Nachrichtenfluß, aus der folgenden Formel ermittelt werden kann: C = 2 #
B # 21og
bits pro Sekunde. Dabei bedeutet C = Nachrichtenfluß = .
= Nachrichtenmenge/Zeiteinheit, B = Bandbreite des Übertragungsweges, Si = Signalleistung,
N = Rauschleistung,
= unterscheidbare Stufenzahl, 2log
= 21og = Schritt-
zahl z, P = nutzbarer Pegel = PS. - PN in Dezibel, s bits = binary
digits = Nachrichtenelemente im Zweierschrittsystem.
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Dieses bedeutet, daß der übertragbare Nachrichtenfluß C einmal von
der Bandbreite B, zum anderen aber
auchvom Verhältnis der Signalamplitude
zur Übertragung abhängt. Überschreitet bei der V bertragung von Sprache, von einer
bestimmten Frequenz ab, der Rauschwert den Sprachpegel, so strebt für diesen Bereich
nicht nur der Faktor 21og
nach Null, sondern auch der Faktor B wird um den durch das Geräusch verdeckten Teilbereich
des Frequenzbandes vermindert. Erfindungsgemäß soll nun der obere Frequenzbereich
gemäß Abb. 2 so weit gleichmäßig angehoben werden, daß z. B. die Frequenz von 3400
Hz (350o Hz) einen um etwa 4o bis 5o db höheren Pegelwert erhält. Dies hat zur Folge,
daß z. B. bei einem. Anschwellen des Geräusches auf dem Übertragungswege oder beim
hörenden Teilnehmer von 2o auf 6o phon nun nicht mehr eine Verringerung des Frequenzbandes
von z. B. 340o auf 7oo Hz erfolgt, sondern der volle Bandbreitenwert Bü = 34oo Hz
erhalten bleibt. Ohne Anhebung des oberen Frequenzbereiches könnte in diesem Beispiel
demnach nur der folgende Nachrichtenfiuß übermittelt werden.
Nach gleichmäßig steigender Anhebung der oberen Frequenzen bis auf den Wert von
7o db bei#34oo Hz wird nunmehr trotz des um 1o phon tiefer liegenden Geräusches
die ganze Bandbreite B übertragen, und wir erhalten bei demselben Nutzpegel (7o
- 6o = ro phon) wie vorhin
Dies bedeutet, daß der übertragbare Nachrichten-Inhalt rund auf das Fünffache angewachsen
ist, ohne daß besondere Maßnahmen auf dem Übertragungswege getroffen werden mußten.
Die nach der Rückwandlung in die ursprüngliche Amplitudenverteilung erzielbaren
Silbenverständlichkeiten bei 7oo Hz und 34oo Hz betragen SV7oo = 2o 0/0 und
SV34oo = 92 °/o. Danach ist auch die theoretisch erzielbare Silbenverständlichkeit
auf mehr als den 4fachen Wert angestiegen. Wenn auch in der Praxis durch andere
unvermeidliche Verluste (lineare und nichtlineare Verzerrungen, Rauschen und Instabilität
des Mikrophons) diese- hohen Werte nicht vollständig erreicht werden können, so
läßt sich doch eine beträchtliche Steigerung der Verständlichkeit in den Fällen
erzielen, bei denen mit einer starken Verdeckung der oberen :Sprachfrequenzen durch
Geräusche zu rechnen ist.
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Dies gilt insbesondere für Räume mit hohen Räumgeräuschen, wie z.
B. größere Büros, Geschäftsräume usw., (55 bis 65 phon). Auch UKW-Funkverbindungen
leiden öfters unter einem hohen Geräuschpegel.
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Entgegen den bisher bekannten Verfahren wird die Vergleichmäßigung
der Amplituden bereits am Mikrophon undgegebenenfalls nochzusätzlichim Mikrophonstromkreis
vorgenommen. Hierdurch -wird er-, reicht, daß die Einwirkung von -Leitungsgeräuschen,
z. B. Wählgeräuschen, schon von Anfang an vermieden wird. Die von anderer Seite
vorgeschlagene Amplitudenvergleichmäßigung von Sprache vor dem Verstärker vermeidet
daher den Einfiüß der Wählgeräusche nicht. Außerdem besteht der Nachteil, daß das-
Einmessen einer derartigen Leitung mit großen Schwierigkeiten verknüpft ist, weil
nunmehr der Meßton über das Fiequenzband hinweg nicht mehr mit gleicher Amplitude
gegeben werden darf, sondern einen dem Amplitudenverlauf der Sprachfrequenzen angepaßten
irequenzabhängigen Pegel haben muß. Andernfalls werden die Verstärker im hohen Frequenzbereich
übersteuert, und die am Leitungsende abzulesenden Pegelwerte weichen von der geradlinigen
waagerechten Pegellinie ab. Ferner sind derartig vorverzerrte Übertragungswege nur
zur Übertragung von Sprache geeignet; eine Umschaltung z. B. als WT-Leitung oder
für Eintontelegraphie, Bildtelegraphie .usw. ist ohne Ausschaltung der Verzerrer
nicht möglich. Ferner neigen solche Leitungen sehr stark zum Pfeifen in den höheren
Frequenzlagen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dagegen erreicht, daß die
aus dem Mikrophon bzw. Mikrophonstromkreis kommende Sprachenergie vollkommen gleichmäßig,
d. h. mit horizontalem Pegelverlauf, über das ganze zu übertragende Frequenzband
hinweg schon in die Anschlußleitung hineingeht und der gesamte Übertragungsweg seinen
geradlinigen horizontalen Pegelverlauf beibehalten kann.
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Es besteht natürlich die Möglichkeit, die Vergleichmäßigung der Sprachenergie
über das zu übertragende Frequenzband hinweg nicht bis zum theoretisch möglichen
Grenzwert, d. h. bis zum horizontalen Pegelverlauf gemäß Kurve C der Abb. 2, zu
treiben. So kann man den gewünschten Erfolg einer größeren Geräuschunabhängigkeit
auch durch eine allmählich steigende Anhebung des Pegels bis auf den Wert von 5o
db (statt 7o db) bei 34oo Hz erreichen. In diesem Fall ist die Entzerrung des Mikrophons
durch Resonanzhohlräume und gegebenenfalls durch elektrische Schwingungskreise im
Mikrophonstromkreis nicht so schwierig. Auch die Nebensprechwerte auf den Anschlußkabeln,
die mit steigender Frequenz schwerer zu beherrschen sind, können z. Zt. leichter
in den zulässigen Grenzen gehalten werden. Die in diesem Fäll erzielbare Bandbreite
beträgt gemäß Abb. 2, Kurve b, bei einem wirksamen Geräusch von 6o phon rund 9,ooo
Hz (statt 7oo Hz) und .bei einem wirksamen Geräusch von 50 phon rund 340o Hz (statt
üoo Hz), also die volle zu übertragende Bandbreite. Dabei ist noch zu bedenken,
daß das wirksame Geräusch beim hörenden Teilnehmer etwa um die Rückhördämpfung niedriger
ist als das Raumgeräusch. Bei einer Rückhördämpfung des Fernsprechapparates von
zo (2o) db kann das Raumgeräusch einen Wert von 6o (7o) phon annehmen, ehe eine
Wirkung von 5o phon am Hörer des Teilnehmers eintritt,
Wieweit man
mit der Linearisierung des Frequenzverlaufes der Mikrophonkurve geht, wird daher
unter anderem auch von dem technischen Fortschritt in der Herstellung nebensprecharmer
Anschlußkabel abhängen. Der zuletzt genannte Wert (Kurve b der Abb. 2) entspricht
etwa dem heute nach der Erfindung erreichbaren Stand der Technik.
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Um das ursprüngliche Amplitudenverhältnis im übertragenen Sprachfrequenzband
in Anpassung an das vorhandene Raumgeräusch beim hörenden Teilnehmer wiederherzustellen,
wird man die höheren Frequenzlagen des Hörers bedämpfen. Dies muß jedoch in einer
genau definierten Weise geschehen, so daß die Frequenzen um 340o Hz herum etwa 6
bis 1o db über das mittlere wirksame Raumgeräusch mit ihren Amplituden herausragen.
Da die Raumgeräusche verschiedener Geschäftsräume und Büros Unterschiede in der
Lautstärke aufweisen, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen,
etwa drei verschiedene Hörertypen vorzusehen, die je nach dem im allgemeinen vorhandenen
Raumgeräusch in den Handapparat einmalig einzusetzen sind.
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Dabei wird man die drei Typen z. B. folgendermaßen bemessen:
| Type I für Raumgeräusche von R < 40 phon, |
| Type II - - - R = 4o bis 55 phon, |
| Type III - - - R > 55 Phon. |
Das vorgeschlagene Verfahren läuft damit auf eine Umgestaltung der bisherigen Mikrophone
und Hörer hinaus. Dabei wird jedoch beim Mikrophon über die bisher üblichen Maßnahmen
entsprechend den neueren Erkenntnissen der Informationstheorie hinausgegangen und
beim Hörer eine Anpassung an die beim hörenden Teilnehmer wirksamen Geräusche zur
Erzielung der größtmöglichen Verständlichkeit vorgenommen.
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Eine weitere Maßnahme, die zur wesentlichen Verbesserung der Wiedergabe
der Sprache zusätzlich angewendet werden kann, ist die Einführung einer gegebenenfalls
zweiseitigen Amplitudenbegrenzung bei den Verstärkern des Übertragungsweges. Damit
werden auf der einen Seite die zu hohen -Amplituden, z. B. auch von Knackgeräuschen,
beseitigt und auf der anderen Seite die in einem bestimmten Abstand, z. B. so db,
vom Nutzsignal liegenden Geräusche unterdrückt. Die erste Maßnahme (Unterdrückung
der Knackgeräusche) kann auch in bekannter Weise durch eine Selenzelle direkt am
Fernsprechapparat vorgenommen werden, die zweite Maßnahme (Schwellstufe) wird zweckmäßigerweise
mindestens bei dem ersten und bei dem letzten der im Zuge der Leitung liegenden
Verstärker vorgesehen, um eine saubere Abtrennung des unteren Geräuschpegels auf
dem Übertragungswege zu erreichen.
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Als weitere Ausbildungsform der Erfindung wird vorgesehen, den Mikrophonstromkreis
mit einer Transistorschaltung auszustatten. Diese bietet den Vorteil, die Einebnung
der Frequenzkurve am Ausgang des Mikrophons bei Beschallung mit Sprache verlustlos
oder sogar mit einem Überschuß an Verstärkung vorzunehmen. Bisher war es nicht möglich,
spürbare Verbesserungen der Mikrophoncharakteristik ohne unerwünschte Einbußen an
der elektrisch abgegebenen Leistung zu erreichen. Dies ist jetzt durch die verstärkende
Wirkung des Transistors möglich, ohne daß wirtschaftlich nicht tragbare Eingriffe
in die Amtsschaltung zur Erhöhung von Speisespannung und Speisestrom für die Anschlußeinheit
vorgenommen werden müssen, weil der Strom- und Spannungsbedarf des Transistors auch
in einer mehrstufigen Schaltung mit den bestehenden Anschlußschaltungen gedeckt
werden kann.
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Als letzte wichtige Maßnahme wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
die Einführung einer Transistorverstärkerschaltung auch in den Hörerstromkreis vorgeschlagen.
Hierdurch kann die Anpassung des Hörers an die gewünschte Frequenzkurve wesentlich
leichter und ohne Verluste mit Hilfe bekannter elektrischer Entzerrungsglieder vorgenommen
werden. Damit besteht die Möglichkeit, in einem solchen Fall mit nur einer Hörertype
auszukommen und die gewünschten Entzerrungen elektrisch durch Umlöten in der Entzerrerschaltung
vorzunehmen. Hierzu tritt noch die Anhebung des Gesamtpegels im Hörerstromkreis
durch die verstärkende Wirkung des Transistors, wodurch ein genügend großer Abstand
des Hörpegels vom Störpegel des Raumgeräusches erzielt werden kann.
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Durch die mit dem Transistor gegebene Verstärkungsreserve ist auch
in anderer Hinsicht ein größerer Spielraum bei dem Gesamtaufbau des Fernsprechapparates,
z. B. Verbesserung der Rückhördämpfung, gegeben.
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Da jede der vorgeschlagenen Maßnahmen für sich allein bereits wesentliche
Vorteile bringt, ist es natürlich möglich, jede für sich anzuwenden bzw. beim Fortschreiten
der Technik, z. B. Verbesserung und Verbilligung des Transistors, auf die eine oder
andere Maßnahme (Anhebung der Mikrophonkurve durch akustische Resonanzhohlräume)
mehr oder weniger zu verzichten, soweit nur das angestrebte Gesamtziel der Vergleichmäßigung
der Mikrophonkurve erreicht wird.
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Zusammenfassend läßt sich sagen, daß es nach den vorangegangenen Vorschlägen
in Anlehnung an die Informationstheorie möglich ist, die größtmöglichste Zahl von
Nachrichtenelementen (bits) zu übertragen, wobei beim Mikrophon und beim Hörer Vorverzerrungs-und
Entzerrungsmaßnahmen angewendet werden, die die Tatsache des Vorhandenseins von
Geräuschen, z. B. Wählgeräuschen und Raumgeräuschen, weitgehend berücksichtigen.
Noch vor der Arbeit von Shannon liegt eine Betrachtung des Erfinders, die Frequenzteilbänder
und die Belegungszeit des Übertragungsweges an die Form der Nachricht anzupassen.
Diese Arbeit fand ihren Niederschlag in dem Patent 730 184 aus dem Jahre
194ö.
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Hier ist nun der umgekehrte Weg gegangen worden, die Nachricht in
ihrer Form, d. h. nach Frequenzband und Amplitudenumfang, den Übertragungsbedingungen
anzupassen, wobei auch noch der Einfluß des Raumes mit seinen Geräuschen beim hörenden
Teilnehmer in den Übertragungsbedingungen mit erfaßt ist.
Der nach
diesem Verfahren erzielbare Gewinn an Silbenverständlichkeit wird insbesondere beim
Vorhandensein von Geräuschen (Wählgeräusch, -Leitungsgeräusche, Fadingrauschen auf
dem Funkwege usw.) beträchtlich sein, ohne daß besondere Aufwendungen auf dem Übertragungswege
selbst erforderlich sind.