DE957235C - Method for the transmission or storage of sound events in which the frequency range to be transmitted is divided into two separate areas - Google Patents

Method for the transmission or storage of sound events in which the frequency range to be transmitted is divided into two separate areas

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DE957235C
DE957235C DEN7064A DEN0007064A DE957235C DE 957235 C DE957235 C DE 957235C DE N7064 A DEN7064 A DE N7064A DE N0007064 A DEN0007064 A DE N0007064A DE 957235 C DE957235 C DE 957235C
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Dr Fritz Enkel
Dr Werner Meyer-Eppler
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10LSPEECH ANALYSIS OR SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L19/00Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis
    • G10L19/02Speech or audio signals analysis-synthesis techniques for redundancy reduction, e.g. in vocoders; Coding or decoding of speech or audio signals, using source filter models or psychoacoustic analysis using spectral analysis, e.g. transform vocoders or subband vocoders

Description

Bei der elektrischen Übertragung von Schallereignissen, beispielsweise von Sprache und Musik, spielt die Bandbreite eine Hauptrolle, da sie in vielen Fällen den erforderlichen technischen Aufwand bestimmt. Dies gilt unter anderem für Fernsprechleitungen, Funkeinrichtungen und Tonaufzeichnungsgeräte. Die Einsparung von Bandbreite ohne Beeinträchtigung der Übertragungsqualität stellt mithin ein wirtschaftliches Problem dar. Zu seiner Lösung sind verschiedene Wege vorgeschlagen worden; so kennt man beispielsweise Verfahren, die das Schallereignis auf eine Reihe von Spektralkanälen mit aneinander anschließendem Durchlaßbereich verteilen und nur die Schwankungen des EfFektivwertes übertragen, bei breiteren Bereichen auch die Schwankungen der Augenblicksfrequenz in jedem Bereich. Es ist auch ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem der zu übertragende Frequenzbereich in zwei getrennte Bereiche aufgeteilt und der tieferfrequente Bereich unmittelbar übertragen wird. Alle bisher bekanntgewordenen Verfahren haben den Nachteil, daß sie einen erheblichen Aufwand an Schaltmitteln erfordern und im wesentlichen nur auf die Übertragung von Sprache zugeschnitten sind.In the electrical transmission of sound events, For example, of language and music, bandwidth plays a major role, as it is in in many cases determines the technical effort required. This applies, among other things, to telephone lines, Radio equipment and sound recorders. The saving of bandwidth without impairing the transmission quality therefore represents an economic problem. Various ways have been proposed to solve it been; For example, methods are known which apply the sound event to a number of Distribute spectral channels with adjoining passband and only the fluctuations of the effective value are transmitted, with wider ranges also the fluctuations of the instantaneous frequency in every sector. A method has also become known in which the Frequency range divided into two separate areas and the lower-frequency range is transmitted immediately. All previously known methods have the disadvantage that they require a considerable amount of switching means and essentially only on the transmission are tailored by language.

Um den Aufwand zu verringern und gleichzeitig die Übertragung nichtsprachlicher Schallereignisse zu ermöglichen, wird bei Verfahren zur Übertragung oder Speicherung von Schallereignissen, bei denen der zu übertragende Frequenzbereich in zwei getrennte Bereiche aufgeteilt und der tieferfrequente Bereich unmittelbar übertragen wird, er-In order to reduce the effort and at the same time the transmission of non-speech sound events to enable, is in the case of procedures for the transmission or storage of sound events where the frequency range to be transmitted is divided into two separate areas and the lower frequency range Area is transferred immediately,

findungsgemäß aus dem höherfrequenten Bereich durch Gleichrichtung und Glättung eine Hüllkurve gewonnen, die auf der Wiedergabeseite zur Steuerung eines besonderen Schwingungsgenerators, vorzugsweise eines Rauschgenerators, dient.According to the invention, an envelope curve is created from the higher-frequency range through rectification and smoothing obtained on the playback page to control a special vibration generator, preferably a noise generator.

Die Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, daß die spektrale Energieverteilung der meisten Schallereignisse im tieferfrequenten Teil des Hörbereiches, etwa unterhalb von 5000 Hz, deutlich ίο eine andere Struktur aufweist als im höherfrequenten Teil des Hörbereiches, also oberhalb von 5000 Hz. Während im tieferfrequenten Teil periodische Komponenten, d. h. Komponenten mit Spektrallinienstruktur vorherrschen, ist der höherfrequente Teil durch das Überwiegen statistischer Komponenten von Spektralbandstruktur gekennzeichnet; innerhalb der Bänder liegt eine vorzugsweise zeitliche Struktur vor, während die Struktur längs der Frequienzkoordiinaite wenig ausgeprägt ist. ao Eine wirkungsvolle Verringerung der zur Übertragung des Schallereignisses erforderlichen Bandbreite kann infolgedessen dadurch bewirkt werden, daß der tieferfrequente Teil des Hörbereiches unverändert übertragen wird, während aus dem höheras frequenten Teil nur die Energieschwankungen entnommen und über einen gesonderten Kanal übertragen werden. Diese Energieschwankungen aber besitzen eine Bandbreite, die weit unter der Bandbreite des höherfrequenten Teils des Hörbereiches liegt. Um auf der Empfängerseite das ursprüngliche SchaÜereignis voll wiederherzustellen, muß dort ein besonderer Generator für statistische Schwingungen (Rauschgenerator) vorgesehen sein, dessen Ausgangsamplitude von den in einem besonderen Kanal übertragenen Energieschwankungen des höherfrequenten Teils des ursprünglichen Schallereignisses gesteuert wird. Bei Schallereignissen, die keine besonders feine Frequenzstruktur im höherfrequenten Teil besitzen, ist auf diese Weise eine nahezu getreue Wiederherstellung des ursprünglichen Klangbildes möglich.The invention makes use of the fact that the spectral energy distribution of most Sound events in the lower-frequency part of the audible range, approximately below 5000 Hz, clearly ίο has a different structure than in the higher-frequency part of the listening area, i.e. above 5000 Hz. While periodic in the lower-frequency part Components, d. H. Components with a spectral line structure predominate, is the higher frequency Part characterized by the predominance of statistical components of spectral band structure; within the bands there is a preferably temporal structure, while the structure is not very pronounced along the frequency coordinate. ao An effective reduction in the bandwidth required to transmit the sound event can consequently be effected in that the lower-frequency part of the listening area remains unchanged is transmitted, while only the energy fluctuations are taken from the higher-frequency part and transmitted over a separate channel. But these fluctuations in energy have a bandwidth that is far below the bandwidth of the higher-frequency part of the listening area lies. In order to fully restore the original show event on the receiving end, must a special generator for statistical oscillations (noise generator) should be provided there, its output amplitude from the energy fluctuations transmitted in a particular channel the higher frequency part of the original sound event is controlled. In the case of sound events, which do not have a particularly fine frequency structure in the higher-frequency part is on this In this way, an almost faithful restoration of the original sound image is possible.

Versuche haben gezeigt, daß zur einwandfreien Übertragung von Sprache die obere Grenze des tieferfrequenten Teils auf 1000 Hz herabgesetzt werden kann. Das zur Steuerung des empfangsseitigen Rauschgenerators erforderliche höherfrequente Band, dem in üblicher Weise — z. B. durch Gleichrichtung und anschließende Glättung — die Energieschwankungen entnommen werden, braucht jedoch nur von etwa 6000 bis 9000 Hz zu reichen. Die bei der Übertragung nicht berücksichtigte Lücke zwischen 1000 und 6000 Hz kann fortfallen. Tests have shown that the upper limit of the lower-frequency part can be reduced to 1000 Hz. That to control the receiving side Noise generator required higher frequency band, which in the usual way - z. B. by Rectification and subsequent smoothing - which needs to be taken from the energy fluctuations however only to range from about 6000 to 9000 Hz. The one not taken into account in the transfer The gap between 1000 and 6000 Hz can be omitted.

Es wird lediglich der Bereich von 400 bis 1000 Hz und ein schmalbandiger Bereich von etwa 25 Hz Breite übertragen, der die Energieschwankungen enthält. Dieser Bereich kann in bekannter Weise unter- oder oberhalb des zu übertragenden Bandes angeordnet werden, so daß bei Sprache mit einer Bandbreite von rund 600 Hz eine einwandfreie Übertragung zu erzielen ist.Only the range from 400 to 1000 Hz and a narrow band range of approx 25 Hz width transmitted, which contains the energy fluctuations. This area can be known in Way be arranged below or above the tape to be transmitted, so that with speech flawless transmission can be achieved with a bandwidth of around 600 Hz.

Die Figur zeigt beispielsweise eine zur Durchführung des neuen Verfahrens geeignete Anordnung. Das durch das Mikrophon M aufgenommene und durch den Verstärker V1 verstärkte Frequenzband wird geteilt. Mit Hilfe eines Tiefpasses TP wird hierbei aus dem Sprachfrequenzband der Bereich von 400 bis 1000 Hz herausgefiltert und auf den Übertragungsweg (gestrichelt) gegeben. Der keine Spektrallinien enthaltende höherfrequente Bereich wird über ein Hochpaßfilter HP abgenommen, in dem Gleichrichter Gl. gleichgerichtet und hinter dem Übertragungsweg (gestrichelt) am Empfangsort zur Steuerung eines Rauschgenerators benutzt. Zu diesem Zweck wird der höherfrequente Anteil einem Ringmodulator RM zugeführt, mit dessen Hilfe eine Rauschspannung moduliert wird, die man einem Rauschgenerator RG über einen Hochpaß entnimmt. Der tieferfrequente und höherfrequente Teil werden nun über je einen Regler ^1 und R2 zusammengeführt und einem gemeinsamen Verstärker V2 zugeleitet. Der Lautsprecher L strahlt dann das wiederhergestellte Klangbild ab.The figure shows, for example, an arrangement suitable for carrying out the new method. The frequency band picked up by the microphone M and amplified by the amplifier V 1 is divided. With the aid of a low-pass filter TP , the range from 400 to 1000 Hz is filtered out of the voice frequency band and passed on to the transmission path (dashed). The higher-frequency range, which does not contain any spectral lines, is picked up via a high-pass filter HP in which the rectifier Eq. rectified and used behind the transmission path (dashed) at the receiving location to control a noise generator. For this purpose, the higher-frequency component is fed to a ring modulator RM , with the aid of which a noise voltage is modulated, which is taken from a noise generator RG via a high-pass filter. The lower-frequency and higher-frequency parts are now brought together via a controller ^ 1 and R 2 and fed to a common amplifier V 2. The loudspeaker L then emits the restored sound image.

Bei den Zahlenangaben handelt es sich um Werte, die nicht in jedem Fall genau einzuhalten sind; auch die Grenzfrequenz /0 der beiden Hochpässe braucht keineswegs übereinzustimmen.The figures given are values that cannot be precisely adhered to in every case; the cut-off frequency / 0 of the two high-pass filters does not need to match either.

Mit dieser Anordnung wurde über einen Kanal von 600 Hz Bandbreite eine Logatomverständlichkeit von 85% erzielt. Bei der üblichen Art des Fernsprechbetriebes würde dies einer Grenzfrequenz von mindestens 4000 Hz entsprechen. Dieses Ergebnis ist erklärlich, wenn man berücksichtigt, daß die Verständlichkeit von Vokalen und von Konsonanten niederer Grenzfrequenz bei einem Frequenzumfang von4oo bis 1000 Hz 75% beträgt, während das Schwergewicht für die Verständlichkeit sämtlicher Zisch-, Explosions- und Reibelaute jenseits von 5000 Hz liegt. Bei der Struktur der europäischen Sprachen ist die Übertragung von höherfrequenten Konsonanten von ausschlaggebender Bedeutung.With this arrangement, a log atom could be understood over a channel with a bandwidth of 600 Hz achieved by 85%. In the usual type of telephone operation, this would be a cutoff frequency of at least 4000 Hz. This result can be explained if one takes into account that the intelligibility of vowels and consonants with a low cut-off frequency in a Frequency range from 400 to 1000 Hz is 75%, while the heavyweight for the intelligibility of all hissing, explosive and fricative sounds is beyond 5000 Hz. In the structure of European languages, the transmission of higher frequency consonants are of crucial importance.

Das neue Verfahren mit der Aufteilung des Hörbereiches in einen unmittelbar und einen mittelbar übertragenen Teil kann außerdem dazu dienen, die Speicherdauer von Schallaufzeichnungsgeräten, beispielsweise von Diktiermaschinen, zu vergrößern. Bekanntlich besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit, mit der der Ton- "o träger, z. B. ein Magnettonband, sich fortbewegt, und der höchsten noch aufzuzeichnenden Frequenz. Die Beschränkung auf eine obere Grenzfrequenz von 1000 Hz statt wie bisher 5000 Hz oder mehr bringt mithin eine Verlängerung der Laufdauer bei gegebener Länge des Tonträgers auf wenigstens den fünffachen Wert. Der auf der Wiedergabeseite erforderliche zusätzliche Aufwand von einem Filter (Tiefpaß) und einem Rauschgenerator fällt demgegenüber nicht ins Gewicht.The new procedure with the division of the listening area into one direct and one indirect transferred part can also be used to reduce the storage time of sound recording devices, of dictation machines, for example. It is well known that there is a close connection between the speed at which the sound carrier, e.g. a magnetic tape, moves, and the highest frequency still to be recorded. The restriction to an upper limit frequency of 1000 Hz instead of 5000 Hz or more as before brings an extension of the running time for a given length of the sound carrier to at least five times the value. The one on the playback page required additional effort of a filter (low pass) and a noise generator falls on the other hand, it does not matter.

Der Erfindungsgedanke läßt sich auch auf Geräte zur Verbesserung des Hörvermögens ausdehnen. Bei diesen Geräten ist häufig eine besondere Vorrichtung vorgesehen, die es· eriaubt, den vom Schwerhörigen nur mangelhaft aufgenommenen i»5 Bereich höherer Sprachfreqenzen z. B. mit HilfeThe idea of the invention can also be extended to devices for improving hearing. In these devices, a special device is often provided that allows the from Hard of hearing only poorly recorded i »5 range of higher speech frequencies z. B. with help

eines Hochpasses anzuheben. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß bei der unter Umstanden erforderlich werdenden sehr starken Anhebung Ausgleichsvorgänge auftreten, die die Sprachverständlichkeit wieder herabsetzen. Verstärkt man jedoch gemäß der Erfindung den zunächst abgetrennten und dann gleichgerichteten höherfrequenten Teil gesondert, d. h., erhöht man die zur Steuerung des Rauschgenerators verwendete Hüllkurve desto raise a high pass. However, this method has the disadvantage that in the circumstances It becomes necessary to have a very strong increase in compensation processes that affect speech intelligibility decrease again. If, however, according to the invention, the initially separated one is strengthened and then rectified higher frequency part separately, d. i.e., increase the control used by the noise generator

ίο höherfrequenten Bereichs über das bei gewöhnlicher Sprachübertragung erforderliche Maß hinaus, so kann man in den meisten Fällen eine erhebliche Verbesserung der Verständlichkeit der Schwerhörigen erzielen, ohne daß Störungen durch Ausgleichsvorgänge eintreten.ίο higher frequency range over the ordinary In addition to the required level of voice transmission, in most cases there is a considerable improvement in the intelligibility of the Achieve hard of hearing without disturbances occurring through compensatory processes.

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: i. Verfahren zur Übertragung oder Speicheso rung von Schallereignissen, bei dem der zu übertragende Frequenzbereich in zwei getrennte Bereiche aufgeteilt und der tieferfrequente Bereich unmittelbar übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem höherfrequenten Bereich durch Gleichrichtung und $5 Glättung eine Hüllkurve gewonnen wird, die auf der Wiedergabeseite zur Steuerung eines besonderen Schwingungsgenerators, vorzugsweise eines Rauschgenerators, dient.i. Process for the transmission or storage of sound events in which the to The transmitting frequency range is divided into two separate areas and the lower-frequency one Area is transmitted directly, characterized in that from the higher frequency Range an envelope is obtained by rectifying and smoothing $ 5, the on the playback side to control a special vibration generator, preferably a noise generator, is used. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wiedergabeseitig rekonstruierte höherfrequente Frequenzbereich auf einen Pegel verstärkt wird, der über dem Pegel des ursprünglichen höherfrequenten Frequenzbereiches liegt.2. The method according to claim 1, characterized in that that the higher-frequency frequency range reconstructed on the playback side is amplified to a level which is above the level of the original higher frequency range. In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 510099, 569922, 865325, 878381.
Considered publications:
German patent specifications No. 510099, 569922, 865325, 878381.
Hierzu ι Blatt ZeichnungenFor this purpose ι sheet of drawings © 609577/335 7.56 (609 777 1. 57)© 609577/335 7.56 (609 777 1. 57)
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