DE978018C - Verfahren und Anordnung zur Übertragung von Sprache unter Anwendung der Delta-Modulation - Google Patents

Description

vergangenen Jahre sind verschiedentlich theoretische Schwierigkeiten. Es haben sich Kennwertsysteme als Vergleiche der beiden Modulationsarten angestellt brauchbar erwiesen, bei denen die schnellsten Ändeworden. Viele vergleichende Betrachtungen dieser rangen auf Frequenzen unter 100 Hz entsprechende Art führen zu dem Ergebnis, daß die PCM der Delta- Werte beschränkt sind und bei denen die spektrale Modulation überlegen sei. Dabei muß allerdings be- 5 Energieverteilung einen Abfall mit steigender Freachtet werden, daß diese Aussage an die jeweiligen quenz, zumindest oberhalb einer gewissen Grenzfre-Voraussetzungen gebunden ist, nämlich die Über- quenz, aufweist. Signale mit diesen Charakteristika tragung von Sprachen mit Telefonqualität und Lei- sind aber mit Anordnungen zur Übertragung nach tungswege, wie sie heute im Fernsprechverkehr zur dem Verfahren der Delta-Modulation bei Verhältnis-Verfügung stehen. Was die Pulscodemodulation an- io mäßig geringem Aufwand mit hoher Wiedergabebetrifft, so sind auch Vorschläge bekanntgeworden, qualität übertragbar, und die Ausführung der entsie im Zusammenhang mit einer Vocoder-Anlage sprechenden Schaltungsanordnungen für die Deltaoder einer Frena-Anlage zu benutzen. Es wird dann Modulation stößt dabei auf nur wenig praktische nicht die Sprache selbst nach dem PCM-Verfahren Schwierigkeiten. Außerdem sind dann je nach dem übertragen, sondern dieses Modulationsverfahren 15 Verfahren der Delta-Modulation zu übertragende wird auf die nach den beiden genannten Verfahren Steuerimpulse auf verhältnismäßig geringe Impulsaus der Sprache abgeleiteten Kennwerte angewendet. folgefrequenzen beschränkt. Sowohl der apparative Für die Delta-Modulation dagegen, welche an sich Aufwand als auch die Anforderungen an die Bandebenfalls seit langem bekannt ist, sind weder ent- breite und Güte des Übertragungsweges erweisen sprechende Vorschläge gemacht worden noch findet 20 sich bei gleicher Wiedergabequalität des Gesamtsich in der Fachliteratur irgendein Hinweis dieser Art. systems als geringer im Vergleich zu einer Kombina-Man darf annehmen, daß solchen Vorschlägen die tion der Kennwertsysteme mit einer Pulscodemodudes öfteren nachgewiesene obenerwähnte Unterlegen- lation.

heit der Delta-Modulation als Vorurteil hindernd im Die für die Erfindung charakteristische Kombina-

Wege gestanden hat. 25 tion der Delta-Modulation mit einem Verfahren zur

Die Reproduktionsgenauigkeit, das ist also die Sprachübertragung vermittels Kennwerten ist des Wiedergabequalität, einer Delta-Modulationsanlage weiteren besonders geeignet zur Verschlüsselung. Es hängt neben dem zur Verfügung stehenden Über- wird daher weiter vorgeschlagen, daß die Zuordnung tragungsweg nicht nur von der Bandbreite des zu zwischen Sprachsignal einerseits und Nachrichtenübertragenden Signals ab; vielmehr kommt es wesent- 30 signal auf dem Übertragungsweg andererseits zeitlich lieh an auf das Frequenzspektrum der zu übertragen- so veränderbar gemacht ist, daß ein unbefugtes Abden Signale. Dies gilt übrigens auch für einen Ver- hören der Nachricht auf dem Übertragungsweg ungleich zwischen PCM und Delta-Modulation, da sich möglich gemacht oder erschwert wird,
beide Modulationsverfahren in dieser Hinsicht sehr Einmal eignet sich die von einem Delta-Modulator unterschiedlich verhalten. Es gibt eben Signale mit 35 abgegebene Impulsfolge besonders gut für eine wirksolchen Frequenzspektren, die sich für eine Über- same Verschlüsselung, ohne daß an den Schaltungstragung nach einem Delta-Modulationsverfahren be- aufwand übermäßige Anforderungen zu stellen sind, sonders gut eignen. Die nach den an sich bekannten Andererseits kann der schlüsseltechnische Aufwand Verfahren der Vocoder- und Frena-Systeme aus der klein gehalten werden, da durch die Erfindung der Sprache abgeleiteten und an ihrer Stelle zu über- 40 nachrichtentechnische Inhalt der zu verschlüsselnden tragenden Kennwerte haben bei optimaler Auslegung Signale erheblich reduziert ist. Wird nämlich die bezüglich der Wiedergabequalität Frequenzspektren Sprache direkt oder unter einfacher Anwendung eines von der Art, wie sie gerade für die Übertragung mit Delta-Modulationsverfahrens verschlüsselt, so muß Melta-Modulation besonders geeignet sind. Von die- der gesamte nachrichtentechnische Inhalt der Sprache sen Erkenntnissen ausgehend zeigt die Erfindung 45 verschlüsselt werden, wobei entsprechend der Weiteinen Weg auf, die Vorteile der Delta-Modulation schweifigkeit der Sprache ein erheblicher Teil des für die Übertragung von Sprache nutzbar zu machen Schlüsselinhaltes für die unwesentlichen Inhalte des und die Übertragung von Sprache mit verhältnis- Sprachsignals sozusagen nutzlos verbraucht wird.
mäßig einfachen, besitzsicheren und wenig stör- Zur Ausübung des Verfahrens mit verschlüsselter anfälligen Anlagen zu ermöglichen, wobei übertra- 50 Übertragung wird als vorteilhaft eine Anordnung gungstechnische Vorteile gewonnen werden und auch empfohlen, bei der die Veränderung der Zuordnung besonders günstige Voraussetzungen für eine even- von Sprachsignal und Nachrichtensignal auf dem tuell erwünschte Verschlüsselung der Nachrichten auf Übertragungsweg durch eine Mischung der Impulsdem Übertragungswege gewonnen werden. folge am Ausgang des Delta-Modulators mit einer

Ein Verfahren zur Übertragung von Sprache unter 55 nach bestimmtem Programm ablaufenden zweiten

Anwendung der Delta-Modulation betreffend nutzt Impulsfolge bewirkt wird, wobei diese zweite Impuls-

die Erfindung die genannten Erkenntnisse in der folge vorzugsweise Zufallcharakter hat; also auch

Form, daß aus dem Sprachsignal in an sich bekann- keine Periode besitzt.

ter Weise laufend Kennwerte abgeleitet werden, die Nach der Erfindung wird Gebrauch gemacht von sich zeitlich nur verhältnismäßig langsam, Vorzugs- ⁶° einem Verfahren, nach welchem aus dem Sprachweise langsamer als einer Grenzfrequenz von 100 Hz signal laufend Kennwerte abgeleitet werden. An sich entsprechend, ändern, und daß diese Kennwerte dem ist es durchaus möglich, mehrere solcher Kennwerte Delta-Modulator zugeführt werden. Verfahren zur unter Anwendung einer Abtastung nach einem Zeit-Ableitung solcher Kennwerte aus der Sprache und multiplexverfahren mit einem einzigen Delta-Moduzur Rekonstruktion der Sprache aus diesen Kenn- 65 lator zu übertragen. Dementsprechend sind z. B. die werten sind an sich bekannt. Als neue Kombination als »Vocoder« bekanntgewordenen Anordnungen zur an sich bekannter Verfahren stößt die praktische Sprachübertragung mittels Kennwerte für die AnDurchführung der Erfindung auf keine wesentlichen wendung auf die Erfindung geeignet. Ausgehend von

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der weiteren Erkenntnis, daß die mehrfache Ausnut- signal y zugeführt wird und die daraus die Kennzung eines Delta-Modulators unter Anwendung eines werte ableitet, ist bei diesem Beispiel der Analysator-Zeitmultiplexverfahrens nur begrenzte Vorteile bie- teil einer Vocoder-Anlage sehr hoher Übertragungsten kann und bei einer größeren Anzahl zu übertra- gute und mit dementsprechend zahlreichen Kennwergender Signale die Verwendung mehrerer Delta-Mo- 5 ten. Ihr entspricht im Empfänger die Anordnung 2, dulatoren, deren jeder nur einer geringen Anzahl von in welcher von den Kennwerten gesteuert die synthe-Signalkanälen zugeordnet ist, vorteilhafter ist, wird tische Sprache erzeugt wird und als deren Ausgangsin weiterer Ausbildung der Erfindung als besonders signal χ die rekonstruierte Sprache im Empfänger vorteilhaft vorgeschlagen, daß dem Modulator nur zur Verfügung steht. Die eigentliche Übertragungszwei aus dem Sprachsignal abgeleitete Kennwerte zu- io anlage nach dem Delta-Verfahren ist hierbei zweigeführt werden, von denen der eine den zeitlichen kanalig ausgeführt. Im Sender sind zwei Delta-Mo-Energieverlauf des Sprachsignals beschreibt, wäh- dulatoren 7 und 9 vorhanden, denen im Empfänger rend der andere ein Maß für den zeitlichen Abstand die beiden Delta-Demodulatoren 8 und 10 entsprejeweils aufeinanderfolgender Nulldurchgänge in dem chen; der Übertragungsweg L ist beiden gemeinsam, einer zusammengesetzten Schwingung entsprechen- 15 Die Hälfte der vom Analysator 1 erzeugten Kennden Sprachsignal ist. Die Einzelheiten eines solchen werte wird nach dem Zeitmultiplexverfahren auf den Verfahrens sind dabei für die Vorteile der Erfindung Delta-Modulator 7 vereinigt, dem im Empfänger der und deren Anwendung ohne Belang. Als Beispiel für Delta-Demodulator 8 entspricht, der über eine entein solches Übertragungsverfahren für Sprache mit sprechende Zeitmultiplexanordnung die rekonstruiernur zwei derartigen Kennwerten wird auf das unter 20 ten Kennwerte anbietet. Die zweite Hälfte der vom der Bezeichnung »Frena« bekanntgewordene Verfah- Analysator 1 erzeugten Kennwerte wird ganz entren hingewiesen. sprechend über den Delta-Modulator 9 und den ihm Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden entsprechenden Delta-Demodulator 10 ebenfalls un-Ausführungsbeispiele und Abbildungen mit deren ter Zuhilfenahme einer Zeitmultiplexanordnung überstark schematisierten Wirkschaltbildern herangezo- 25 tragen. Die Ausgänge der beiden Delta-Modulatogen. So entspricht die A b b. 1 einem Ausführungs- ren 7 und 9 werden über eine Zeit-Duplex-Schaltung beispiel einer Anlage, die die Hauptmerkmale der auf den gemeinsamen Übertragungsweg L gegeben Erfindung anwendet. Zunächst enthält sie eine Über- und im Empfänger über eine entsprechende Duplextragungsanlage nach dem Verfahren der Delta-Mo- Schaltung auf die beiden Delta-Demodulatoren 8 dulation, wie solche Anlagen an sich bekannt sind. 30 und 10 verteilt. An Stelle der Zeit-Duplex-Anord-Auf der Senderseite erzeugt der Delta-Modulator 3 nung wären an sich auch Frequenz-Duplex-Anordaus dem ihm zugeführten Signal die für die Delta- nungen denkbar, dem Charakter der nach dem VerModulation charakteristischen impulsförmigen Si- fahren der Delta-Modulation zu übertragenen Zeignale, die über den Übertragungsweg L übertragen chen entspricht aber ein Zeit-Multiplexverfahren werden und auf der Empfängerseite im Delta-Demo- 35 besser als ein Frequenz-Multiplexverfahren.
dulator 4 die Rekonstruktion des ursprünglichen Si- Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gegnals steuern. Die Anlage ist zur Übertragung von eignet zur verschlüsselten Übertragung von Sprache. Sprache bestimmt. Im Sender wird aber das Sprach- Zu diesem Zweck soll die Zuordnung zwischen signal y dem Modulator 3 nicht direkt zugeführt. Sprachsignal einerseits und Nachrichtensignal auf Hier ist vielmehr eine Anordnung 1 zwischengeschal- 40 dem Übertragungswege andererseits einer zeitlichen tet, die aus dem Sprachsignal y laufend ihm entspre- Veränderung unterworfen sein. Dies grundsätzliche chende Kennwerte ableitet. Diese Kennwerte werden Verfahren mag an Hand der A b b. 3 erläutert werdem Delta-Modulator 3 zugeführt und nach dem den. Es wird dabei ausgegangen von einer der Verfahren der Delta-Modulation übertragen. Der A b b. 1 entsprechenden Gesamtanordnung, die we-Ausgang des Delta-Demodulators 4 im Empfänger 45 gen ihrer Einfachheit zur Erläuterung am besten ge-. liefert dementsprechend auch nicht etwa ein Sprach- eignet erscheint. Hier ist im Sender zusätzlich ein signal, sondern die Rekonstruktion eben dieser Kenn- Impulsgenerator 5 vorhanden, der eine zur Verwerte. In der Anordnung 2 wird aus diesen Kennwer- schlüsselung geeignete Impulsfolge liefert. Im Empten das Sprachsignal rekonstruiert und steht als Aus- fänger ist ein synchron laufender Impulsgenerator 6 gangssignal χ zur Verfügung. Der soweit beschrie- 50 vorhanden, der eine identische Impulsfolge liefert bene grundsätzliche Aufbau ist an sich unabhängig und die Entschlüsselung bewirkt. Insofern, als der von der Art des verwendeten Kennwertsystems. Ist es Delta-Modulator die Zuordnung zwischen Sprachein solches mit nur zwei Kennwerten, wie z.B. das signal einerseits und Nachrichtensignal auf dem bekannte »Frena«-System, oder eins mit mehr als Übertragungsweg andererseits bestimmt, müßte der zwei, aber wenigen Kennwerten, wie z. B. ein ein- 55 Impulsgenerator 5 in geeigneter Weise auf den Deltafaches an sich bekanntes »Vocoder«-System, so mag Modulator 3 einwirken; entsprechendes gilt für den der Delta-Modulator 3 mehrere Eingänge haben, die Delta-Demodulator 4 im Empfänger und den dortiim Zeitmultiplexverfahren abgetastet werden, und im gen Impulsgenerator 6. Nun ist aber die Zuordnung Empfänger ist dann die entsprechende Anordnung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal eines Deltaam Ausgang des Delta-Modulators 4 vorhanden. 60 Modulators nicht sehr einfach veränderbar. Deshalb Wird dagegen ein Kennwertsystem mit einer größe- wurde auch vorgeschlagen, die Verschlüsselung durch ren Anzahl von Kennwerten benutzt, so wird es im eine Mischung der vom Delta-Modulator stammenallgemeinen vorteilhaft sein, mehrere Delta-Modula- den Impulse mit einer zweiten Impulsfolge zu bewirtoren im Sender und entsprechend viele Delta-De- ken. Hierfür zeigt die Abb. 4 ein Ausführungsbeimodulatoren im Empfänger zu benutzen, die jeweils 65 spiel. Die Gesamtordnung ist ergänzt durch je einen nur wenige Kennwerte im Zeitmultiplexverfahren auf Impulsmischer hinter dem Delta-Modulator 3 und sich vereinigen. Ein entsprechendes Schema zeigt die vor dem Delta-Demodulator 4. Durch Addition bzw. Abb. 2. Die Schaltungsanordnung 1, der das Sprach- Subtraktion mit den identischen Impulsfolgen vom

Generator 5 und Generator 6 wird die gewünschte Ver- bzw. Entschlüsselung vollzogen. Die Erzeugung zweier identischer und synchroner Impulsreihen ist eine an sich bekannte Technik, und das Mischen von Impulsen ist ebenfalls bekannt und als Addition mit

einfachen Schaltungen zuverlässig durchführbar. Der praktischen Realisation einer solchen Anlage stehen daher keine besonderen Schwierigkeiten entgegen. Die mit der Erfindung erreichten Vorteile brauchen also nicht mit anderen Nachteilen erkauft zu werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

1 2 lichen Amplitudenwerten, bei Benutzung mehrerer Patentansprüche: möglicher Amplitudenwerte drohen die Vorteile der Delta-Modulation für die Übertragungstechnik ver-

1. Verfahren zur Übertragung von Sprache lorenzugehen. Ein anderes, in den vergangenen Jahren unter Anwendung der Delta-Modulation, da- 5 viel diskutiertes und auch für die Übertragung von durch gekennzeichnet, daß aus dem Sprachen praktisch angewendetes Pulsmodulations-Sprachsignal in an sich bekannter Weise laufend verfahren ist die unter der Kurzbezeichnung PCM Kennwerte abgeleitet werden, die sich zeitlich nur bekanntgewordene Pulscodemodulation. Mit der verhältnismäßig langsam, vorzugsweise langsamer Delta-Modulation hat letztere die äußeren Eigenais einer Grenzfrequenz von 100 Hz entsprechend, io schäften der zu übertragenden Signale, zumindest in ändern, und daß diese Kennwerte dem Delta- qualitativer Hinsicht, gemeinsam. Diese, allerdings Modulator zugeführt werden. äußerliche, Gemeinsamkeit mag einzelne Autoren

2. Verfahren zur Übertragung von Sprache bewogen haben, die Delta-Modulation in der Litenach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ratur als eine besondere Ausführungsform der PCM die Zuordnung zwischen Sprachsignal einerseits 15 zu bezeichnen. Es darf aber nicht unbeachtet bleiben, und Nachrichtensignal auf dem Übertragungs- daß zwischen Delta-Modulation einerseits und PCM wege andererseits zeitlich so veränderbar gemacht andererseits sehr wesentliche Unterschiede in verist, daß ein unbefugtes Abhören der Nachricht schiedener Hinsicht bestehen. Bei aller äußerlichen auf dem Übertragungswege unmöglich gemacht qualitativen Gleichheit der zu übertragenden Signale oder erschwert wird. 20 besteht doch zwischen den beiden Modulationsver-

3. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens fahren ein durchaus wesentlicher Unterschied in den nach Anspruch 2 zur verschlüsselten Übertragung zu übertragenden Zeichen. Bei einer PCM hat ein von Sprache, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnes Zeichen grundsätzlich einen Nachrichten-Veränderung der Zuordnung von Sprachsignal inhalt von mehreren Bits. Es hat Verwandtschaft mit und Nachrichtensignal auf dem Übertragungsweg 25 den ebenfalls mehrstelligen Zeichen, wie sie in der durch eine Mischung der Impulsfolge am Aus- Fernschreibtechnik gebräuchlich sind. Beide Male gang des Modulators mit einer nach bestimmtem beschreibt nämlich ein solches Zeichen ein Element Programm ablaufenden zweiten Impulsfolge be- des übertragenden Textes. In der Fernschreibtechnik wirkt wird, wobei diese zweite Impulsfolge vor- ist ein solches Element ein Buchstabe des Alphabets, zugsweise Zufallcharakter hat, also auch keine 30 und bei der PCM ist ein solches Element der Mo-Periode besitzt. mentanwert des Sprachsignals. Etwas wesentlich an-

4. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens deres dagegen sagen die zu übertragenden Zeichen nach Anspruch 1 oder 2 oder Anordnung nach bei dem Verfahren der Delta-Modulation aus. Diese Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zeichen sind hier in der Regel einstellige Impuls-Modulator nur zwei aus dem Sprachsignal ab- 35 signale mit dem Informationsinhalt von jeweils nur geleitete Kennwerte zugeführt werden, von denen einem Bit. Ihrem aussagenden Inhalt nach kennder eine den zeitlichen Energieverlauf des Sprach- zeichnet dieses Zeichen auch nicht etwa Elemente signals beschreibt, während der andere ein Maß des zu übertragenden Textes. Sie sind vielmehr ledigfür den zeitlichen Abstand jeweils aufeinander- lieh Steuersignale für einen Signalgenerator im Empfolgender Nulldurchgänge in dem einer zusam- 40 fänger. Ein solches Steuersignal kann nur erst in mengesetzten Schwingung entsprechenden Sprach- Verbindung mit zeitlich vorangegangenen Signalen signal ist. etwas über das augenblickliche Textelement aussagen.

Entsprechend dem unterschiedlichen Zusammenhang

zwischen Leitungssignal und Textelement verhalten

45 sich denn auch beide Modulationsarten unterschied-

; lieh bezüglich des Einflusses von Störungen des

Leitungssignals auf die Wiedergabegüte der Übertragung. Diese Unterschiede sind übrigens nicht nur bedeutsam für übertragungstechnische Überlegungen,

Unter der Bezeichnung Delta-Modulation ist ein 50 sondern auch für den Fall, daß die Leitungssignale Übertragungsverfahren bekannt, bei dem das zu über- zum Zwecke der Geheimübermittlung einer gesprotragende Signal im Empfänger unter Approximation chenen Nachricht einer Verschlüsselung unterworfen rekonstruiert wird, und auf dem Übertragungswege werden sollen. Dies wird klar, wenn man, wie für werden nur die Steuersignale für die Rekonstruktion diese einfache Betrachtung zulässig, den Verschlüssedes ursprünglichen Signals übertragen. Die konti- 55 lungsvorgang als die Einwirkung reproduzierbarer nuierliche Zeitfunktion des ursprünglichen Signals erzeugter Störungen betrachtet. Beide Modulationswird dabei durch mehr oder weniger lange Abschnitte arten unterscheiden sich also in ihren Eigenschaften linearer Funktionen approximiert. Die besonderen sowohl übertragungstechnisch als auch Verschlüsse-Eigenarten der beim Verfahren der Delta-Modu- lungstechnisch. Diese Unterschiede wirken sich weiterlation auf dem Übertragungsweg zu übertragenden 60 hin noch dahingehend aus, daß einer Verwendung Nachrichtensignale kennzeichnen sie als ein Puls- einer PCM-Anlage in Verbindung mit einem Multimodulationsverfahren. Die Steuersignale für die plexsystem nichts hindernd im Wege steht, während Rekonstruktion des ursprünglichen Signals werden die Kombination mit einem Multiplexsystem bei einer nämlich in der Regel als Impulse in einem festen Delta-Modulationsanlage von Fall zu Fall genau zu Zeitraster übertragen. Diese Impulse haben zudem 65 prüfen ist, weil hier der Einfluß von Störungen auf ihrer Amplitude nach nur sehr beschränkte diskrete die Wiedergabequalität und der Bedarf an zu über-Aussagemöglichkeiten; besonders typisch ist die Be- tragendem Nachrichlenstrom von den zu übertragenschränkung auf binäre Impulse mit nur zwei mög- den Texten abhängig ist. In der Fachliteratur der