DESC009223MA

DESC009223MA -

Info

Publication number: DESC009223MA
Authority: DE

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 4. April 1952 Bekanntgemacht am 17. Mai 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

PATENTANMELDUNG

KLASSE 21a¹ GRUPPE 36
Sch 9223 VIII al 21a¹

. Karl-Otto Schmidt, Darmstadt

ist als Erfinder genannt worden

. Karl-Otto Schmidt, Darmstadt

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 Ubermittlungszeit (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) ίο die Zahl der unterscheidbaren Amplitudenstufen bestimmt.

Die obengenannten drei Größen lassen sich in folgender Formel zusammenfassen:

= Z-B-T- ²log

-f = 2.B-T-Z. (ι) Dabei bedeutet.

/ = Nachricht (Information),

B = Frequenzbandbreite der zu übertragenden Nachricht,

T = die Übermittlungszeit der zu übertragenden Nachricht,

Sj- = Signalleistung der zu übertragenden Nachricht,

N = Geräuschleistung (N = Noise) des ^a5 »weißen« Geräusches,

ι +

= η = Amplitudenstufenzahl der zu übertragenden Nachricht,

~ = Z = Schrittzahl im binären System (Zweiersystem).

609 526/294

Sch 9223 VIIIal'21a¹

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 G, durch die folgende Formel darstellen:

= — =2 ■ B ■ ²log 1/ΐ+-^-=2·β·Ζ bits/s

Dabei wird nunmehr der Nachrichtenfluß £ in bits/s (= binary digits) im Zweierschritt verfahren gemessen.

Diese Zusammenhänge sind durch die Arbeiten von Shannon und von Wiener bekannt.

Bei vielen Nachrichtenarten wird nun der Nachrichtenfluß zeitweilig quasistationär, d. h. er gibt nur an, daß dieselbe Nachricht in unveränderter

ao 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 100 bis 300 ms unverändert übermittelt, so daß

die Hüllkurve 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.

Daraus ergibt sich, daß als weiterer wesentlicher Faktor die Änderung des Nachrichtenflusses in der Zeiteinheit (t) oder auch seiner frequenzabhängigen Amplitudenhüllkurve· in bestimmten zeitlichen Abständen (T) für die Übertragung einer Nachrichtenmenge entscheidend ist.

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 wird, 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 Bandbreite 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.

Es sind ferner Verfahren bekannt, bei denen nur Differenzwerte des Nachrichteninhalts übertragen werden, wie es bei der Deltamodulation der Fall ist.

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 So 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, go Dem Verfahren nach der Erfindung liegt die für ein Frequenzteilband der Nachricht gültige Formel zugrunde :

dt*

df

= 2

dt

oder auch

dli
~ÄT

= 2

dB JT

dZ

IT

dt

(3 a)

Auf Grund dieser Formeln, die sich durch entsprechende Schaltungen realisieren lassen, kann man nun folgende Vereinfachungen auf dem Übertragungswege erzielen.

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

526/294

Sch 9223 VIIIal21 a¹

ergebende Tatsache, daß die Änderung des Nachrichtenflusses ~r- bzw. seiner Hüllkurve -j=- bei den dt dT

meisten Nachrichtenarten, wie z. B. Sprache und Fernsehen, über größere Zeiträume hinweg bei entsprechender Wahl von dt bzw. dT weit geringer ist als

die Änderung der Nachrichtenmenge I -jj- = SI. Dies

\dt j

ist zum Teil durch physikalische Gründe bedingt.

ίο 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.

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. 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.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Übertragung von Nachrichten unter Verringerung des Aufwandes an Kanalkapazität, dadurch gekennzeichnet, daß 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 wird, 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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Hüllkurve des zu übertragenden Nachrichtenflusses integrierende Schaltungen, die z. B. auf einer gleichrichtenden Wirkung beruhen, Anwendung finden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenänderungen des Nachrichtenflusses auf den Kanälen zweiter Art in Frequenzänderungen von annähernd konstanter Amplitude umgewandelt werden (z. B. Übertragung durch Frequenzmodulation).

Angezogene Druckschriften:
Philip's Techn. Rdsch., 13. Jahrgang, Heft 9,

s. 257 ff.;'

deutsche Patentschriften Nr. 594 976, 722 607, 730184;

Onde electrique,, 32 (1951), S. 26.