DE1151285B - Nachrichtenuebertragungssystem fuer Sprache mit Herabsetzung der Bandbreite - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21a² 36/22

INTERNATIONALE KL.

H04j;m

W 31352 Vma/21a²

ANMELDETAG: 23. DEZEMBER 1961

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 11. JULI 1963

Die Erfindung betrifft ein Nachrichtenübertragungssystem für die Aussendung und den Empfang von Sprachsignalen über einen Kanal mit herabgesetzter Bandbreite.

Die Frequenzanteile von typischen Lauten menschlicher Sprache liegen in einem Bereich, der sich von ungefähr 80 bis 10000 Hz erstreckt. Wirtschaftliche Überlegungen erfordern jedoch, daß die Bandbreite von Fernsprechkanälen auf einen Standard-Frequenzbereich beschränkt wird, der sich von etwa 200 bis 3800 Hz erstreckt. Die unveränderte Übertragung von Sprache über einen derartigen Standard-Fernsprechkanal bedingt daher den Verlust vieler Sprachanteile, aber trotz des Verlustes dieser Anteile sind die sogenannten Sprachsignale mit Fernsprechqualität in hohem Maße verständlich und klingen ausreichend natürlich, um die Stimme eines bestimmten Sprechers zu erkennen.

Es sind bereits viele Systeme bekannt, um die Sprachsignale vor der Übertragung zu ändern, damit eine bessere Ausnutzung der begrenzten Bandbreite von Standard-Fernsprechkanälen erreicht wird. Bei einer ersten Kategorie dieser Systeme wird die Verbesserung der Qualität der übertragenen Sprachsignale angestrebt. Eine zweite Kategorie strebt die Herabsetzung der Bandbreite von Sprachsignalen mit Fernsprechqualität an. Ein Beispiel eines Systems der ersten Kategorie zur Verbesserung der Qualität von über Standard-Fernsprechkanäle übertragener Sprache ist der spracherregte Vocoder. Eine Beschreibung findet sich in dem Aufsatz »A Vocoder for Transmitting 10 kc/s Speech Over a 3,5 kc/s Channel« von M. R. Schroeder und E. E. David jr., veröffentlicht in »ACUSTICA«, Bd. 10, Nr. 1, 1960, S. 35 bis 43. Bei dem System nach Schroeder werden die Frequenzanteile eines Sprachsignals hoher Qualität mit einer Bandbreite von 10000 Hz in ein Band mit tieffrequenten Anteilen und ein Band mit höherfrequenten Anteilen aufgeteilt. Das Band tieffrequenter Anteile oder Grundband, das eine typische Bandbreite von ungefähr 2000Hz besitzt, wird vor der Übertragung nicht verändert, dagegen wird das Band höherfrequenter Anteile durch Unterteilung in mehrere verhältnismäßig breite Unterbänder und durch Ableitung je eines Steuersignals mit verringerter Bandbreite, das die Amplitude der Anteile des Sprachsignals im jeweiligen Unterband darstellt, abgeändert. Die Steuersignale werden zusammen mit dem unveränderten Grundband über einen Standard-Fernsprechkanal zu einer Empfangsstation übertragen, wo ein breites Band höherfrequenter Anteile mit verhältnismäßig einheitlichen Amplituden aus dem Grund-Nachrichtenübertragungssystem für Sprache mit Herabsetzung der Bandbreite

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

^Lo Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität: , V. St. v. Amerika vom 27. Dezember 1960 (Nr. 78 660)

Benjamin Franklin Logan jun., Summit, N. J., und Anthony John Prestigiacomo, North Plainfield, N. J. (V. St. A.), sind als Erfinder genannt worden

band erzeugt wird. Dieses breite Band wird als gemeinsames Erregungssignal benutzt, das durch die Steuersignale moduliert wird, um die höherfrequenten Anteile des ursprünglichen Sprachsignals wiederherzustellen, und diese wiederhergestellten höherfrequenten Anteile werden mit dem empfangenen Grundband kombiniert, um ein Sprachsignal zu synthetisieren, dessen Qualität dem ursprünglichen Sprachsignal sehr nahe kommt und der Qualität von in unveränderter Form über einen Standard-Fernsprechkanal übertragener Sprache überlegen ist. Die Qualität der bei dem genannten System erzeugten Sprache beruht vor allem auf der Verwendung des Grundbandes des ursprünglichen Signals zur Erzeugung eines gemeinsamen Erregungssignals für die Wiederherstellung der höherfrequenten Anteile, wodurch die Eigenschaften des ursprünglichen Sprachsignals in den wiederhergestellten Anteilen erhalten bleiben.

Ein Beispiel für ein System der zweiten Kategorie, d. h. eines Systems zur Herabsetzung der Bandbreite von Sprachsignalen mit Fernsprechqualität, ist der Semivokoder von C. B. H. Feldman, der in der USA.-Patentschrift 2 817 711 beschrieben ist. Systeme, die zu dieser Kategorie gehören, haben jedoch verhältnismäßig beschränkte Anwendung gefunden, da die Herabsetzung der Bandbreite von Sprachsignalen

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mit Fernsprechqualität begleitet wurde und von einem merkbaren Qualitätsverlust der übertragenen Signale. Es ist Ziel der Erfindung, die Bandbreite von Sprachsignalen mit Fernsprechqualität bei vernachlässigbarem Verlust von Qualität herabzusetzen.

Hierzu wird von dem folgenden, bekannten Nachrichtenübertragungssystem ausgegangen: In der Sendestation wird das Sprachsignal mit Femsprechqualität in ein verhältnismäßig breites Band höherfrequenter Anteile und ein verhältnismäßig schmales Band tieffrequenter Anteile aufgeteilt, dessen Bandbreite ausreicht, um eine genaue Information bezüglich der Tonhöhen-Grundfrequenz in einem weiten Bereich menschlicher Stimmen zu übertragen. Das Band tieffrequenter Anteile, auch als Grundband bezeichnet, wird ohne Veränderung zu einer Empfangsstation übertragen. Das Band höherfrequenter Anteile wird jedoch in veränderter Form als eine Gruppe von Steuersignalen mit reduzierter Bandbreite übertragen. Das Band höherfrequenter Anteile wird hierzu unterteilt in eine große Zahl von schmalen, dicht benachbarten Unterbändern, um die Anteile genau festzulegen, und von jedem Unterband wird ein Steuersignal mit herabgesetzter Bandbreite abgeleitet, dessen Größe die Amplitude des zugeordneten höherfrequenten Anteils darstellt. Da die gesamte Bandbreite des unveränderten Grundbandes und der Steuersignale mit herabgesetzter Bandbreite etwa 1200 Hz beträgt, wird bei einem derartigen System die Bandbreite von 3600Hz eines Sprachsignals mit Femsprechqualität auf ein Drittel verringert.

Das unveränderte Grundband und die Steuersignale werden über einen Übertragungskanal mit herabgesetzter Bandbreite zu einer Empfangsstation übertragen, wo synthetische Sprache aus dem übertragenen Grundband und den Steuersignalen wiederhergestellt wird. Da das Band höherfrequenter Anteile, in das die Sprachsignale mit Femsprechqualität sendeseitig unterteilt werden, wesentliche Sprachinformationen enthält, müssen diese höherfrequenten Anteile in der Empfangsstation genau wiederhergestellt werden, um die Verständlichkeit und die Natürlichkeit des ursprünglichen Signals zu bewahren.

Erfindungsgemäß wird der erforderliche Grad von Genauigkeit durch Verwendung eines getrennten Erregungssignals einheitlicher Amplitude und richtiger Frequenz für die Wiederherstellung der höherfrequenten Anteile jedes Unterbandes erreicht: Die Harmonischen höherer Ordnung werden in der Empfangsstation aus dem Grundband erzeugt und in eine Vielzahl von Unterbändern entsprechend den Unterbändern, in welche die höherfrequenten Anteile in der Sendestation aufgeteilt worden sind, unterteilt; die Amplitude jedes Unterbandes von Harmonischen wird dann zur Bildung eines getrennten Erregungssignals vergleichmäßigt. Die Amplitude jedes Erregungssignals wird dann mit Hilfe des jeweils zugeordneten, empfangenen Steuersignals geregelt, damit die einzelnen Unterbänder höherfrequenter Anteile wiederentstehen. Schließlich wird ein gut verständliches, natürlich klingendes Abbild des ursprünglichen Sprachsignals durch Vereinigung aller wiederhergestellter höherfrequenter Unterbänder mit dem unveränderten Grundband synthetisiert.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung, in derein Blockschaltbild die Geräte zur Übertragung von Sprachsignalen mit Femsprechqualität über einen Kanal mit herabgesetzter Bandbreite bei vernachlässigbarem Verlust an Verständlichkeit und Natürlichkeit zeigt.

In der Zeichnung ist eine Quelle für elektrische Sprachsignale mit Femsprechqualität, beispielsweise ein Femsprechmikrophon 1, das herkömmlicher Art sein kann, gezeigt. Das vom Femsprechmikrophon abgegebene Sprachsignal mit einer Bandbreite von 3600Hz wird in der Sendestation parallel an den Bandpaß 100 und die Bandpässe 100 a bis 100 η des Sprachanalysierers 10 angelegt. Die Durchlaßbereiche der Filter 100 einerseits und 100 a bis 100 η andererseits sind so gewählt, daß das Sprachsignal in ein ver-

¹S hältnismäßig schmales Band tieffrequenter Anteile und ein verhältnismäßig breites Band höherfrequenter Anteile unterteilt wird. Die untere Grenze des verhältnismäßig schmalen Bandes tieffrequenter Anteile, d. h. des Grundbandes, wird auf die untere Grenzfrequenz üblicher Fernsprechschaltungen, d. h. auf etwa 250 Hz, eingestellt. Die obere Grenze des Grundbandes wird auf eine Frequenz eingestellt, die sicherstellt, daß das Grundband eine genaue Information bezüglich der Tonhöhen-Grundfrequenz in einem weiten Bereich typischer menschlicher Stimmen enthält. Beispielsweise wird die obere Grenze auf etwa 925Hz eingestellt. Das verhältnismäßig breite Band höherfrequenter Anteile erstreckt sich von 925 bis 3800Hz, und die Filter 100α bis 100η unterteilen dieses verhältnismäßig breite Band in eine Anzahl von dicht benachbarten Unterbändern, deren Bandbreite ausreichend klein ist, um die einzelnen höherfrequenten Anteile des Sprachsignals genau zu bestimmen. Beispielsweise können die benachbarten Unterbänder von 925 bis 3000 Hz konstante Bandbreiten von je 150 Hz besitzen, während die benachbarten Unterbänder von 3000 bis 3800 Hz eine etwas größere Bandbreite besitzen können, so daß eine Gesamtzahl von etwa « = 15 Unterbändern höherfrequenter Anteile erzeugt wird. Mit dem Ausgang jedes Bandpasses 100 a bis 100« ist ein Gleichrichter 101a bis 101 η verbunden, dem jeweils ein Tiefpaß ί02α bis 102« folgt, wobei die Grenzfrequenz jedes Tiefpasses LP etwa 25 Hz beträgt. Das Ausgangssignal eines jeden Tiefpasses ist ein Steuersignal mit herabgesetzter Bandbreite, dessen augenblickliche Größe die augenblickliche Amplitude der höherfrequenten Anteile im zugeordneten Unterband darstellt. Die gesamte Bandbreite des Grundbandes und der Steuersignale mit herabgesetzter Bandbreite liegt in der Größenordnung von 1200 Hz, was einer Herabsetzung des ursprünglichen Signals vom Femsprechmikrophon 1 mit einer Bandbreite von 3600 Hz auf ein Drittel entspricht. Durch geeignetes Multiplexen des Grundbandes und der Steuersignale in einem herkömmlichen Multiplexer 120 können die Sprachsignale aus dem Mikrophon 1 in abgeänderter Form über einen Übertragungskanal mit herabgesetzter Bandbreite übertragen werden, wie in der Zeichnung dargestellt ist. Vor dem Multiplexen wird jedoch die Grundband-Ausgangsspannung des Filters 100 durch ein herkömmliches Verzögerungselement gegeben, dargestellt durch das Element 103 des Analysierers 10, um die Verzögerung auszugleichen, die durch die Tiefpässe 102 a bis 102« beim Ableiten der Steuersignale herabgesetzter Bandbreite aus den höherfrequenten Anteilen des Sprachsignals eingeführt wurde.

In der Empfangsstation werden die Multiplexsignale durch einen entsprechenden Verteiler 121 getrennt, und das Grundband wird parallel an den Doppelweggleichrichter 111 und an das Verzögerungselement 117 des Sprachsynthetisierers 11 angelegt, während die Steuersignale an die Steueranschlüsse der Modulatoren 115 a bis 115« des Synthetisierers 11 gegeben werden. Das Grundband dient zwei Zwecken: Es stellt einerseits eine Gruppe von Erregungssignalen zur Wiederherstellung der höherfrequenten Anteile des ursprünglichen Sprachsignals dar und wird andererseits mit den wiederhergestellten höherfrequenten Anteilen kombiniert, damit ein Abbild des ursprünglichen Sprachsignals erhalten wird.

Zur Ableitung der Gruppe von Erregungssignalen ¹S wird das Grundband durch den Doppelweggleichrichter 111 gegeben, der von dem Differentiator 112 gefolgt wird. Beide können von bekannter Ausführung sein. Der Gleichrichter 111 erzeugt Harmonische höherer Ordnung der Grundfrequenz der Sprache aus dem Grundband, und der Differentiator 112 entfernt den Gleichstromanteil und unterstützt den Amplitudenausgleich der Harmonischen. Die differenzierten Harmonischen können jedoch nicht direkt als Erregungssignale verwendet werden, da ihre Amplituden im allgemeinen nicht gleich sind, wie es für die Synthese in hohem Maße verständlicher, natürlich klingender Sprache nötig ist. Erregungssignale mit einheitlicher Amplitude erlangt man durch paralleles Anlegen der differenzierten Harmonischen an eine Reihe von Bandpässen 113 a bis 113«, deren Durchlaßbereiche identisch mit den Durchlaßbereichen der Filter 100 a bis 100 η des Analysierers 10 sind. Die Filter 113 a bis 113 η teilen so die differenzierten Harmonischen in Unterbänder auf, deren Bereiche identisch mit denjenigen der Unterbänder sind, in welche das Band der höherfrequenten Anteile in der Sendestation aufgeteilt worden ist. Jedes Unterband der Harmonischen aus den Filtern 113 a bis 113« wird jeweils an einen der Begrenzer 114 a bis 114« gegeben, und jeder Begrenzer, der beliebiger Art sein kann, erzeugt aus den Anteilen des zugeordneten Unterbandes eine Rechteckschwingung einheitlicher Amplitude, die als Erregungssignal für die Wiederherstellung des betreffenden Unterbandes der höherfrequenten Anteile des ursprünglichen Sprachsignals dient.

Wenn gewünscht, kann auch eine Reihe von Schaltungen zur automatischen Verstärkungsregelung an Stelle der Begrenzer 114 a bis 114« benutzt werden, um ein Erregungssignal mit einheitlicher Amplitude aus jedem Unterband der Harmonischen zu erzeugen. Die Schaltungen für die automatische Verstärkungsregelung können von herkömmlicher Bauart sein und müssen schnell genug ansprechen, um sowohl der Änderungsgeschwindigkeit der Amplituden der Harmonischen als auch der Änderungsgeschwindigkeit des Lautpegels einer großen Anzahl von Sprechern folgen zu können. Es ist jedoch zu beachten, daß, während ein Begrenzer eine Rechteckschwingung ohne Rücksicht auf die Zahl der in einem Unterband der Harmonischen enthaltenen harmonischen Anteile erzeugt, die Form des von einer Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung erzeugten Erregungssignals von der Zahl der harmonischen Anteile abhängt, die in dem Unterband der Harmonischen enthalten sind. Wenn ein harmonisches Unterband nur einen harmonischen Anteil enthält, erzeugt die zugeordnete Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung eine reine Sinusschwingung mit einheitlicher Spitzenamplitude. Wenn ein harmonisches Unterband zwei oder mehrere Harmonische enthält, erzeugt die zugeordneteSchaltungzurautomatischen Verstärkungsregelung eine sinusförmige Schwingung, deren Umhüllende eine einheitliche Spitzenamplitude besitzt.

Jedes Erregungssignal wird an den Eingang einer der herkömmlichen Modulatoren 115 α bis 115« angelegt, und jedes der Steuersignale mit herabgesetzter Bandbreite vom Verteiler 121 wird an den Steueranschluß des zugeordneten Modulators gelegt. Die Steuersignale stellen die Amplituden der Erregungssignale ein, und die in ihrer Amplitude eingestellten Erregungssignale werden über die Bandpässe 116 a bis 116« gegeben, deren Durchlaßbereiche identisch mit denjenigen der Filter 100 α bis 100« des Analysierers 10 sind, um die höherfrequenten Unterbänder des ursprünglichen Sprachsignals wiederherzustellen. Ein Abbild des ursprünglichen Sprachsignals wird durch Vereinigung der wiederhergestellten höherfrequenten Unterbänder mit der verzögerten Grundband-Ausgangsspannung des Elementes 117 synthetisiert, in welchem die Verzögerung des Grundbandes gleich der bei der Wiederherstellung der höherfrequenten Unterbänder eingeführten Verzögerung gemacht wird. Die synthetisierte Sprache wird in in hohem Maße verständliche, natürlich klingende Sprache mit Hilfe des Wiedergabegerätes 12, beispielsweise eines herkömmlichen Fernsprechhörers, umgewandelt.

Claims (6)

1. Patentanspruch ε-Ι. Nachrichtenübertragungssystem für die Aussendung und den Empfang von Sprachsignalen über einen Kanal mit herabgesetzter Bandbreite bei vernachlässigbarem Verlust an Verständlichkeit, bei dem in der Sendestation die Sprachsignale in ein schmales Band von tieffrequenten Anteilen und ein benachbartes breites Band von höherfrequenten Anteilen aufgeteilt werden, aus welchem letzteren Band eine Vielzahl von die Amplituden höherfrequenter Unterbänder darstellender Steuersignale mit herabgesetzter Bandbreite abgeleitet und zusammen mit dem Band tieffrequenter Anteile zu einer Empfangsstation übertragen werden, wo aus dem Band tieffrequenter Anteile ein Band von Harmonischen höherer Ordnung der tieffrequenten Grundanteile erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Empfangsstation das Band von Harmonischen höherer Ordnung in eine Vielzahl von Unterbändern, die den sendeseitigen höherfrequenten Unterbändern des Sprachsignals entsprechen, aufgeteilt wird, deren Amplituden vergleichmäßigt und anschließend durch das jeweils zugeordnete, empfangene Steuersignal geregelt werden, und daß diese in ihrer Amplitude geregelten Unterbänder der Harmonischen zur Sprachsynthese mit den empfangenen tieffrequenten Anteilen vereinigt werden.
2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungen zur Amplitudenvergleichmäßigung der einzelnen Unterbänder von Harmonischen (114 a ... 114«) elektrisch mit dem Ausgang der Schaltung zur Erzeugung der Harmonischen (111, 112) über eine entsprechende

   Anzahl von Bandpässen (113 a... 113 ri) verbunden sind, derenDurchlaßbereiche den einzelnen höherfrequenten Unterbändern entsprechen, und daß an die als automatische Verstärkungsregler ausgebildeten Schaltungen zur Amplitudenver- .-. gleichmäßigung ausgangsseitig die auf die Steuersignale ansprechenden Schaltungen für die Regelung der Amplituden der Harmonischen der Unterbänder angeschlossen sind.
3. 3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß die auf die Steuersignale ansprechenden Schaltungen für die Amplitudenregelung der Harmonischen der Unterbänder als Modulatoren (115 a ... USn) ausgebildet sind, die jeweils einer Schaltung zur automatischen Ver-Stärkungsregelung (114 a . .. 114 ri) zugeordnet sind und jeweils das Produktsignal aus dem zugeführten Steuersignal und dem Ausgangssignal der zugeordneten Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung erzeugen.
4. 4. System nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vereinigung der tieffrequenten Anteile mit den in ihrer Amplitude geregelten Harmonischen der Unterbänder eine Anzahl weiterer, je einem der Modulatoren (115 a... 115 ri) zugeordneter Bandpässe (116 a... 116 ri) sowie eine Verzögerungsschaltung (117) für die tieffrequenten Anteile vorgesehen sind, deren Ausgänge mit einer Wiedergabevorrichtung (12) für die Sprachsignale verbunden sind, wobei die Durchlaßbereiche dieser Bandpässe (116 a ... 116 ri) denjenigen der an die Schaltung zur Erzeugung der Harmonischen angeschlossenen Bandpässe (113 a ... 113 ri) entsprechen und die Verzögerungsschaltung (117) so bemessen ist, daß die Verzögerung der höherfrequenten Unterbänder ausgeglichen wird.
5. 5. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Erzeugung eines Bandes von Harmonischen höherer Ordnung aus den empfangenen tieffrequenten Anteilen aus einer nichtlinearen Anordnung, beispielsweise einem Halbwellengleichrichter (111) und einem Differentiator (112), besteht, welcher die nichtlineare Anordnung mit der ersten Gruppe von Bandpässen (113 a ... 113 ri) verbindet.
6. 6. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung aus einem Begrenzer (114 a ... 114 ri) besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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