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Verfahren zur Verringerung des Aufwandes an Kanalkapazität bei der
-Übertragung von Nachrichten Nach der Informationstheorie wird der für den Übertragungsweg
,notwendige Aufwand an Kanalkapazität durch drei Größen bestimmt. Diese sind erstens
die _Frequenzbandbreite der zu übertragenden Nachricht, zweitens die Übermittlungszeit
(Dauer) der zu übertragenden Nachricht, drittens die Amplitudenstufenzahl . der
zu übertragenden Nachricht. Die letzte .Größe wird oft auch als Geräuschabstand
definiert, da das Grundgeräusch (weißes Geräusch) die Zahl der unterscheidbaren
Amplitudenstufen bestimmt.
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Die obengenannten drei Größen lassen sieh in folgender Formel zusammenfassen:
Dabei wird nunmehr der Nachrichtenfluß L in bits/s (= binary digits) im Zweierschrittverfahren
gemessen.
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Diese Zusammenhänge sind durch die Arbeiten_von Shannon und von Wiener
bekannt.
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Bei vielen Nachrichtenarten wird nun der Nachrichtenfluß zeitweilig
quasistationär, d. h. er gibt nur an, daß dieselbe Nachricht in unveränderter Frequenz-
und Amplitudenverteilung für einen bestimmten Zeitraum weiterzuübertragen ist. Dies
ist z. B. der Fall, wenn gesprochene Vokale übertragen werden. Der Vokal wird dabei
über eine Zeitdauer von iQo bis 300 ms unverändert übermittelt, so daß die
Füllkurve des Vorganges praktisch keine Änderung der Amplitude aufweist. Ähnliches
gilt bei der Übertragung von Fernsehbildern, bei denen sich beträchtliche Flächenanteile
von Bild zu Bild oder auch im Bilde selbst nicht ändern.
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Daraus ergibt sich, daß als weiterer wesentlicher Faktor die Änderung
des Nachrichtenflusses in der Zeiteinheit (t) oder auch seiner frequenzabhängigen
Amphtudenhüllkurve in bestimmten zeitlichen Abständen (T) für die Übertragung einer
Nächrichtenmenge entscheidend ist.
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Es sind bereits Verfahren zur besseren Ausnutzung des Übertragungsweges
bekannt, bei denen das gesamte vom Sprecher ausgehende Sprachband oder zumindest
die für die Sprachübertragung wichtigen Frequenzgebiete (Formantbereiche) durch
teilweise sich überlappende Bandfilter mit geringen Einschwingzeiten in (beispielsweise
etwa zwanzig) Teilbänder aufgeteilt wild, deren jeweiliger Energieinhalt zur proportionalen
Steuerung der jedem Band zugeordneten, aber sonst in beliebiger Frequenzlage gewählten
Hilfsfrequenz bzw. Hilfsfrequenzen dient. Auf diese Weise werden nunmehr über den
Übertragungsweg lediglich eine Reihe von Hilfsfrequenzen mit ihren durch die Steuerung
bedingten, aber verhältnismäßig schmalen Seitenbändern und somit geringerem Bedarf
an Landbreite übermittelt werden, die am anderen. Ende des Übertragungsweges einzelne,
den Hilfsfrequenzen sinngemäß zugeordnete, von vornherein festgelegte, über das
gesamte Sprachgebiet verteilte und dem Energieinhalt der ursprünglichen Teilbänder
proportionale Frequenzen steuern. Hierdurch wird die Umhüllende des ursprünglichen
Sprachfrequenzbandes unter Umständen unter Verzicht auf die Wiedergabe der einer
jeden Person eigentümlichen Stimmlage und des beim Sprechen auftretenden Hebens
und Senkens der Stimme mit großer Annäherung wieder gebildet. Bei diesem bekannten
Verfahren werden zwar die Teilbänder gebildet, aber keine Differentiation, sondern
eine* Integration je Teilband vorgenommen.
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Es sind ferner Verfahren bekannt, bei denen nur Differenzwerte des
Nachrichteninhalts übertragen werden, wie es bei der Deltamodulation der Fall ist.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Aufwandes
an Kanalkapazität bei der Übertragung von Nachrichten. Erfindungsgemäß wird mit
Rücksicht .auf die bei den meisten Nachrichtenarten zeitlich vorherrschende geringe
Änderungsgeschwindigkeit des Nachrichtenflusses innerhalb eines Frequenzteilbandes
oder an einer entsprechenden Stelle des Bildrasters nicht die erste, sondern die
zweite Ableitung der Nachrichtenmenge nach der Zeit innerhalb dieses Teilbandes
oder des Bildrasters durch eine entsprechende Schaltung ermittelt und übertragen,
wobei erstens vor der Differenzierung eine Umbildung des Nachrichtenflusses in Teilbänder
vorgenommen wird, zweitens die Zahl der Teilbänder zweckmäßig derart gewählt wird,
daß eine etwaige Mehrdeutigkeit nicht stört und keine zu großen Einschwingverzerrungen
entstehen, drittens nach der Differenzierung eine Aufteilung auf zwei Arten von
Kanälen mit konstanter Amplitude und variabler Frequenz und variabler Amplitude
und konstanter Frequenz erfolgt und viertens die Periode der Differentiation der
Nachricht bzw. dem Teilband der Nachricht angepaßt wird. Dem Verfahren nach der
Erfindung liegt die für ein Frequenzteilband der Nachricht gültige Formel zugrunde:
oder auch
Auf Grund dieser Formeln, die sich durch entsprechende Schaltungen realisieren lassen,
kann man nun folgende Vereinfachungen auf dem Übertragungswege erzielen.
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Die sich im allgemeinen gleichzeitig nach den beiden Koordinaten Frequenz
und Amplitude auch im Teilband ändernde Nachricht kann nunmehr so übertragen werden,
daß für jedes Teilband auf einem Übertragungswege (Kanal) nur die Frequenzänderungen
bei annähernd konstanter Amplitude und auf dem zweiten Übertragungswege _ (Kanal)
nur die Amplitudenänderungen bei annähernd konstanter Frequenz übertragen werden.
Dabei ist es natürlich möglich, die Amplitudenänderungen ebenfalls in Frequenzänderungen
bei annähernd konstanter Amplitude (z. B. durch Frequenzmodulation) umzuwandeln.
Beide Übertragungswege (Kanäle) je Teilband und auch die so umgewandelten Teilbänder
insgesamt lassen sich natürlich auf einem einzigen Übertragungsweg zusammenfassen.
Dabei sind jedoch die Anforderungen an die einzelnen Kanäle, die ja nur noch ein
Kriterium zu übertragen haben, wesentlich vermindert. Dazu kommt noch die sich aus
der Praxis Da bei den meisten Nachrichtenarten z. B. Sprache, Fernsehen, Musik usw.
die ursprüngliche Dauer (Übermittlungszeit) im allgemeinen erhalten bleibt, kann
man die in der Zeiteinheit übertragene Nachrichtenmenge, den sogenannten Nachrichtenfluß
(i, durch die folgende Formel darstellen:
ergebende Tatsache, daß
die Änderung des Nachrichtenflusses bzw. seiner Hüllkurve
bei den meisten Nachrichtenarten,
wie z. B. Sprache und Fernsehen, über größere Zeiträume hinweg bei entsprechender
Wahl von dt bzw. dT weit uerinzer ist als die Änderung der Nachrichtenmenge . Dies
ist zum Teil durch physikalische Gründe
bedingt.
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So geht z. B. eine Umstellung der Sprachwerkzeuge von einem Laut zu
einem anderen im allgemeinen verhältnismäßig langsam vor sich (abgesehen von einigen
Stoßlauten). In ähnlicher Weise werden beim Fernsehen eine gewisse Konstanz bzw.
-nur sehr langsame Änderungen des Bildinhaltes gefordert, um ein »ruhiges«, d. h.
ein der Trägheit. und dem Auflösungsvermögen des Auges angepaßtes Bild zu erzielen.
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Wählt man daher den Vorgang der Analyse der Nachricht, z. B. die Pulsfolgefrequenz,
derart, daß im wesentlichen nur die zeitliche Änderung des Nachrichtenflusses innerhalb
eines jeden Teilbandes erfaßt wird, so kann man den zur Übertragung der Nachricht
notwendigen Kanalaufwand (Kanalkapazität) für den größten Teil der Übertragungszeit
der Nachricht wesentlich vermindern. Nur in wenigen Fällen, z. B. bei Beginn der
Nachricht oder bei stoßartigen Vorgängen zwischen zwei zur Differenzbildung herangezogenen,
zeitlich dicht oder in einem bestimmten Abstand aufeinanderfolgenden Nachrichtenteilen,
werden an die Kanalkapazität höhere Anforderungen gestellt, die dann allerdings
voll erfüllt werden müssen, wenn keine Minderung der Übertragungsgüte eintreten
soll. Dies erfordert eine hohe Elastizität, d. h. Anpassungsvermögen der Kanalkapazität
an die Änderung des Nachrichtenflusses. Auf der Empfangsseite muß dann durch speicherartige
Einrichtungen die Kontinuität (bzw. quasistationäre Stetigkeit) der Nachricht wiederhergestellt
und dabei die Änderungen des Nachrichtenflusses jeweils im richtigen Zeitpunkt als
Korrekturen zu der verzögerten und gespeicherten Nachricht dazugegeben werden.
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Nachdem nun die allgemeine Lösung auf mathematisch-physikalischer
Grundlage gegeben ist, lassen sich jetzt beliebig viele Schaltungen und Verfahren
angeben, mit denen nur die Änderungen des oft quasistationären Nachrichtenflusses
übermittelt zu werden brauchen. In jedem Falle führen diese Verfahren zu einer Verminderung
der notwendigen Kanalkapazität und Belegungszeit des Übertragungsweges und steigern
somit die Wirtschaftlichkeit der Nachrichtenübermittlung.