двухтональный многочастотный детектор и способ детектирования двухтонального многочастотного сигнала

Формула изобретения

1. Двухтональный многочастотный (ДТЧМ) детектор, содержащий блок расширения импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), выполненный с возможностью преобразования ИКМ данных в линейные данные, блок детектирования полной мощности, выполненный с возможностью определения значения полной мощности линейных данных, блок принятия решения, выполненный с возможностью определения, являются ли входные данные ДТЧМ сигналом, и с возможностью использования значения полной мощности, отличающийся тем, что включает блок корреляции, содержащий ряд корреляторов, выполненных с возможностью корреляции линейных данных с рядом заданных эталонных сигналов и возможностью определения ряда значений мощности в частотной полосе ДТЧМ сигнала, а также блок детектирования максимальной мощности в низкочастотной полосе, выполненный с возможностью определения значения максимальной мощности в низкочастотной полосе из выходных значений мощности, полученных в корреляторах низкочастотной полосы, из корреляторов, содержащихся в блоке корреляции, блок детектирования максимальной мощности в высокочастотной полосе, выполненный с возможностью определения значения максимальной мощности в высокочастотной полосе из выходных значений мощности, полученных в корреляторах высокочастотной полосы, из корреляторов, содержащихся в блоке корреляции, при этом значения максимальной мощности в низкочастотной полосе и значения максимальной мощности в высокочастотной полосе также поступают на вход блока принятия решения.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что каждый коррелятор из блока корреляции выполнен с возможностью определения мощности на каждой частоте путем использования следующего уравнения



где r(t) = sin(₂t+), - входной сигнал;

q - выходной сигнал;

₁ - эталонная частота, которая детектируется в каждом корреляторе;

₂ - - частота входного сигнала r(f);

- фаза входного сигнала r(f).

3. Детектор по п.2, отличающийся тем, что блок корреляции содержит 28 корреляторов.

4. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что каждый коррелятор из блока корреляции содержит структуру некогерентного детектора.

5. Детектор по п.1, отличающийся тем, что двухканальный многочастотный детектор выполнен в виде интегральной схемы для обработки цифровых сигналов.

6. Способ детектирования двухтонального многочастотного сигнала, при котором преобразуют ИКМ данные в линейные данные, определяют значение полной мощности линейных данных, принимают решение, являются ли входные данные ДТЧМ сигналом использования значения полной мощности, отличающийся тем, что осуществляют коррелирование линейных данных с рядом заданных эталонных сигналов и определяют ряд значений мощности в частотной полосе ДТЧМ сигнала, а также определяют значение максимальной мощности в полосе низких частот из выходных значений мощности в полосе низких частот, входящих в значения мощности, определенные на предыдущем этапе, определяют значение максимальной мощности в полосе высоких частот из выходных значений мощности в полосе высоких частот, входящих в значения мощности, определенные ранее, при этом значения максимальной мощности в полосе низких частот и значения максимальной мощности в полосе высоких частот используют при оценке входных данных.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ДТМЧ (двухтональным многочастотным) детекторам, а более точно к ДТМЧ детектору для детектирования ДТМЧ сигналов из 15 каналов с помощью интегральной схемы для обработки цифровых сигналов и к реализованному в нем способу. Настоящее изобретение основано на Корейской заявке N 42260/1995, которая включена в данное описание в качестве приоритетной заявки.

На фиг. 1 показана структура аппаратного обеспечения известного ДТМЧ детектора (прототипа). Известный ДТМЧ детектор включает ИКМ (импульсно-кодовая модуляция) расширитель 2 для преобразования ИКМ данных в линейные данные, детектор 4 мощности на частотах ДТМЧ сигналов для детектирования мощности на каждой частоте ДТМЧ сигнала, детектор 6 полной мощности для детектирования полной мощности ДТМЧ сигнала и решающее устройство 8 для принятия решения, является или нет входной сигнал ДТМЧ сигналом. Это решение принимается с использованием значений, измеренных детектором 4 мощности на частотах ДТМЧ сигнала и детектора 6 полной мощности. Решающее устройство 8 удовлетворяет спецификации СС1ТТ. Оно включает части для выполнения перекрестной проверки и проверки прерывания и для установления, является ли сигнал чисто ДТМЧ сигналом и к какому типу кода относится ДТМЧ сигнал, который детектируется.

В конструкции известного ДТМЧ детектора, как упомянуто выше, детектор 4 мощности на частотах ДТМЧ сигнала вычисляет мощность на каждой ДТМЧ частоте с помощью фильтра IIR второго порядка или полосового фильтра, в котором к входному ДТМЧ сигналу применяется алгоритм Гоерцеля. Алгоритм Гоерцеля аналогичен тому, который показан на фиг. 2 и описан в книге под названием "Обработка дискретных временных сигналов", с.585-587, изд. "Prentice-Hall", 1989.

Если с помощью детектора 4 мощности на частотах ДТМЧ сигнала и детектора 6 полной мощности вычислены мощность на каждой частоте ДТМЧ сигнала и полная мощность ДТМЧ сигнала соответственно, решающее устройство 8 сравнивает отношение мощности на каждой частоте ДТМЧ к полной мощности ДТМЧ сигнала с заданной пороговой величиной. Если это отношение мощности на каждой частоте ДТМЧ к полной мощности больше, чем пороговая величина, то выполняются перекрестная проверка и проверка прерывания. Если эти проверочные условия выполняются, то устанавливается, что входной сигнал является ДТМЧ сигналом.

Однако, поскольку в известном вышеописанном ДТМЧ детекторе детектор 4 мощности на ДТМЧ частотах для вычисления мощности на каждой ДТМЧ частоте используется фильтр IIR второго порядка или полосовой фильтр с применением алгоритма Гоерцеля, количество вычислений увеличивается. Это связано с тем, что полное количество вычислений ДТМЧ детектора занимает наибольшую часть в ДТМЧ детекторе из-за использования фильтра IIR второго порядка или полосового фильтра, в котором применяется алгоритм Гоерцеля. Поэтому в известном ДТМЧ детекторе используется множество интегральных схем для обработки цифровых сигналов (ОЦС) или ОЦС интегральных схем, имеющих большую обрабатывающую мощность, для того, чтобы выполнять обработку ДТМЧ сигнала в многоканальном режиме в реальном времени.

Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в создании ДТМЧ детектора для детектирования ДТМЧ сигналов, распространяющегося по многоканальному тракту, в реальном времени, используя одну интегральную схему ОЦС, и способа, который в нем реализуется.

Другая задача настоящего изобретения заключается в создании ДТМЧ детектора для детектирования ДТМЧ сигналов и способа, который в нем реализуется, благодаря которым решается проблема по вычислению мощности на ДТМЧ частоте ДТМЧ детектора.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании ДТМЧ детектора и способа, который в нем реализуется, путем выполнения детектора мощности на ДТМЧ частотах с помощью фильтра, имеющего структуру коррелятора.

Эти и другие задачи согласно настоящему изобретению могут быть решены с помощью двухтонального многочастотного (ДТМЧ) детектора, содержащего блок расширения импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) для преобразования ИКМ данных в линейные данные; блок корреляции, который включает ряд корреляторов для корреляции линейных данных с рядом заданных эталонных сигналов при детектировании ряда величин мощности на частотах ДТМЧ сигнала; блок детектирования полной мощности для детектирования величины полной мощности сигнала, представленного в виде линейных данных; блок детектирования максимальной мощности в полосе низких частот для определения величины максимальной мощности в полосе низких частот из выходных значений мощности, полученных с помощью корреляторов для полосы низких частот, входящих в блок корреляции; блок детектирования максимальной мощности в полосе высоких частот для определения величины максимальной мощности в полосе высоких частот из выходных значений мощности, полученных с помощью корреляторов для полосы высоких частот, входящих в блок корреляции; и решающий блок для установления, являются ли входные данные ДТМЧ сигналом или не являются путем использования значения полной мощности, значения максимальной мощности в полосе низких частот и значения максимальной мощности в полосе высоких частот.

Кроме того, настоящее изобретение может быть осуществлено путем реализации способа двухтонального многочастотного (ДТМЧ) детектирования, включающего этапы:

(a) преобразуют ИКМ данные в линейные данные;

(b) коррелируют линейные данные с рядом заданных эталонных сигналов для определения значений мощности на частотных полосах ДТМЧ сигнала;

(c) определяют значение максимальной мощности в полосе низких частот из выходных значений мощности в полосе низких частот, полученных из значений мощности, определенных на этапе (b);

(e) определяют значение максимальной мощности в полосе высоких частот из выходных значений мощности в полосе высоких частот, полученных из значений мощности, определенных на этапе (b);

(f) принимают решение о том, соответствуют или не соответствуют входные данные ДТМЧ сигналу, путем использования значения полной мощности, значения максимальной мощности в полосе низких частот и значения максимальной мощности в полосе высоких частот.

Более полное значение этого изобретения и многих присущих ему достоинств будет просто очевидным, а также станет более понятным при обращении к последующему подробному описанию, когда оно рассматривается в совокупности с прилагаемыми чертежами, на которых одинаковые цифровые позиции обозначают одни и те же или аналогичные элементы, на которых:

фиг. 1 - блок-схема, представляющая структуру аппаратного обеспечения известного ДТМЧ детектора;

фиг. 2 - схема, представляющая известный алгоритм Гоерцеля;

фиг. 3 - блок-схема, представляющая плату ОЦС, включающую ДТМЧ детектор и его периферийную конструкцию;

фиг. 4 - блок-схема, представляющая ДТМЧ детектор на плате ОЦС согласно настоящему изобретению;

фиг. 5 - схема, представляющая основную структуру каждого коррелятора, входящего в схему коррелятора, показанного на фиг. 4;

фиг. 6 - блок-схема, представляющая коррелятор, применяемый в настоящем изобретении.

На всех чертежах одна и та же цифровая позиция используется для обозначения аналогичных или эквивалентных элементов, выполняющих такие же функции. Более того, в последующем описании подробности, выраженные в конкретных цифрах, такие как конкретное число компонентов, входящих в схему, и конкретные частоты, приведены для более глубокого понимания настоящего изобретения. Однако для специалистов в этой области техники очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано без этих конкретных признаков. При описании настоящего изобретения будет опущено подробное описание известных функций и конструкций, поскольку они затемняют сущность настоящего изобретения.

На фиг. 3 показана ОЦС плата, включающая ДТМЧ детектор и его периферийную конструкцию. ОЦС плата 10 содержит 4 ОЦС интегральные схемы. 2 ОЦС интегральные схемы из них - ОЦС1 и ОЦС2, обозначенные пунктирной линией, под позицией 12 представляют собой ДТМЧ детектор. Одна ОЦС интегральная схема имеет емкость, которая способна обеспечить обработку 15 каналов.

В качестве ОЦС интегральной схемы можно использовать ОЦС интегральную схему с плавающей точкой (TMS32OC31), имеющей скорость 25 MIPS, поэтому ДТМЧ сигнал может обрабатываться в реальном времени.

На каждую ОЦС интегральную схему на ОЦС плате 10 подаются ОЦС синхроимпульсы частотой 50 МГц, системные синхроимпульсы частотой 200 Гц и синхроимпульсы таймера частотой 1 кГц. Каждая ОЦС интегральная схема использует прерывание таймера для установления связи с ЦБО (центральный блок обработки) 16 (MC68030) и выполняет соответствующую операцию под управлением ЦБО. После того, как вызов (обращение к ЦБО) завершен, ОЦС интегральные схемы ОЦС1 и ОЦС2, т.е. ДТМЧ детектор 12, переключаются в режим детектирования ДТМЧ сигнала. Затем каждые 5 мс обрабатываются ИКМ данные, поступающие через линию Е1.

ИКМ данные, поступающие через магистральную линию связи для цифровых сигналов Е1, подаются на ОЦС серийный порт через устройство цикловой синхронизации 18. Здесь ОЦС интегральные схемы ОЦС1 и ОЦС2 детектируют ДТМЧ сигнал из входных сигналов, подаваемых на 15 каналов тональной частоты, из 30 каналов линии Е1. Алгоритм работы ДТМЧ детектора хранится в СЗУПВ (статическое запоминающее устройство с произвольной выборкой). При детектировании ДТМЧ сигнала ДТМЧ детектор управляется ЦБО через D (динамическое) ЗУПВ (сдвоенный порт) 14.

На фиг. 4 показана конструкция ОЦС интегральных микросхем ОЦС1 и ОЦС2, входящих в ДТМЧ детектор. ИКМ расширитель 20 преобразует ИКМ данные в линейные данные. Схема 22 коррелятора детектирует мощность на каждой частоте ДТМЧ сигнала. Детектор 28 полной мощности детектирует полную мощность ДТМЧ сигнала. Детектор 24 максимальной мощности в полосе низких частот определяет максимальную мощность из значений мощностей на частотах, входящих в полосу низких частот, определенных с помощью корреляторов, входящих в схему 22 коррелятора. Детектор 26 максимальной мощности в полосе высоких частот определяет максимальную мощность из значений мощности на частотах, входящих в полосу высоких частот, определенных с помощью корреляторов, входящих в схему 22 коррелятора. Решающее устройство 22 принимает решение, является ли входящий сигнал ДТМЧ сигналом, используя значения мощности, полученные детектором 28 полной мощности, детектором 24 максимальной мощности в полосе низких частот и детектором 26 максимальной мощности в полосе высоких частот. Решающее устройство 30 удовлетворяет (проверяет на соответствие) спецификации СС1ТТ (Консультативный комитет по международной телеграфии и телефонии). Оно включает части для выполнения перекрестной проверки и проверки прерывания и для установления, является ли входной сигнал чисто ДТМЧ сигналом.

Обратимся теперь к фиг. 3 и 4. ИКМ данные (включая ДТМЧ сигнал), поступающие в устройство 18 цикличной синхронизации из линии связи Т1/Е1, представляют собой данные, сжатые по закону или A-закону. Сжатые данные подаются на каждую ОЦС интегральную микросхему. Таким образом, ИКМ расширитель 20 на фиг. 4 расширяет сжатые данные до получения линейных ИКМ данных, которые должны обрабатываться внутри ОЦС интегральной микросхемы. В это время для расширения данных используются 28 таблиц преобразования. ИКМ данные, расширенные с помощью ИКМ расширителя 20, подаются на каждый коррелятор, входящий в схему 22 коррелятора, и на детектор 28 полной мощности. Схема 22 коррелятора включает 28 корреляторов и детектирует мощность на каждой частоте ДТМЧ сигнала, исходя из ИКМ данных, полученных из ИКМ расширителя 20.

На фиг. 5 показана принципиальная схема каждого коррелятора, входящего в схему 22 коррелятора. Коррелятор, показанный на фиг. 5, представляет собой структуру некогерентного коррелятора. Структура коррелятора выражается следующим уравнением (1):



где

r(t) - входной сигнал, q² - выходной сигнал, а ₁ - эталонная частота, которая детектируется в каждом корреляторе. Выходной сигнал q² представляет собой функцию, нерелевантную по отношению к фазе входного сигнала r(t).

Если входной сигнал r(t) выражается следующим уравнением (2) в виде функции от частоты ₂ и фазы , то выходной сигнал q² задается следующим уравнением (3):



где

равно 2f .

В вышеприведенном уравнении (3) выходной сигнал q² является функцией разности ₂-₁ между частотой ₂ входного сигнала r(t) и эталонной частотой ₁ и имеет на выходе вид синусоидальной функции. Выходной сигнал q² определяется как мощность на частоте ₁ входного сигнала r(t).

На фиг. 6 показан один коррелятор, входящий в ОЦС интегральную микросхему. Коррелятор содержит первое и второе вычислительные устройства 40 и 42, первую и вторую схемы буферизации 44 и 46, первый и второй сумматоры 48 и 50, первую и вторую схемы 52 и 54, выполняющие возведение в квадрат абсолютного значения, и третий сумматор 56. Выходные данные коррелятора, т.е. выходные данные некогерентного детектора, представляют собой некоторое значение в дискретном временном интервале, задаваемое уравнением:



Здесь, если частота дискретизации составляет 8 кГц, то f_s равно 80000, a N - длина, соответствующая 8000Т.

28 корреляторов в соответствии с конструкцией, приведенной выше, входят в одну ОЦС интегральную микросхему для детектирования всех кодов ДТМЧ сигнала. 28 эталонных частот подаются на соответствующие корреляторы.

Во время работы ОЦС интегральные микросхемы прерываются через каждые 5 мс. Каждый коррелятор коррелирует входные данные за 5 мс с синусоидальными эталонными данными и косинусоидальными эталонными данными. Эти синусоидальные эталонные данные и косинусоидальные эталонные данные получают по таблице в СЗУПВ.

Для того, чтобы детектировать сигнал на частоте 697 Гц, при удовлетворении требованиям спецификации СС1ТТ, используются эталонные данные по частотам 690.646973 Гц и 703.29699 Гц. Данные для частоты 690.646973 Гц могут представлять непрерывную синусоидальную волну при использовании 139 табличных данных. При вычислении числа данных в каждой таблице частота дискретизации составляет 8 кГц, sin(2n 690.646973 139/8000) = 0 и cos(2n 690.646973 139/8000) = 1. Следовательно, сигнал на частоте 690.646973 Гц может представлять собой непрерывную синусоидальную волну при числе данных, равном 139. В нижеприведенной таблице конкретно показаны эталонные частоты и число данных в каждой таблице, используемой для детектирования каждой частоты ДТМЧ сигнала. Кроме того, число используемых эталонных частот равно 28.

Каждый коррелятор осуществляет корреляцию в первом и втором вычислительных устройствах 40 и 42 с элементом кодового сигнала 5 мс, используя вышеприведенную таблицу, а скоррелированные значения накапливаются в схемах буферизации 44 и 46, каждая из которых имеет 8 буферов. Значения, хранящиеся в каждом буфере, складываются друг с другом в первом и втором сумматорах 48 и 50, абсолютные значения суммарных значений возводятся в квадрат в устройствах 52 и 54 возведения в квадрат абсолютного значения и значения, полученные в результате возведения в квадрат, складываются друг с другом в третьем сумматоре 56. Для прохождения коррелятора требуется 40 мс (5 мс 8 буферов) и это время оказывается в пределах диапазона, соответствующего рекомендации СС1ТТ.

Мощность на каждой эталонной частоте получается в 28 корреляторах, работающих, как показано выше. Эти значения мощности подаются на детекторы 24 и 26 максимальной мощности в полосе низких частот и в полосе высоких частот. Значения мощности, подаваемые на детектор 24 максимальной мощности в полосе низких частот, получаются из выходных данных корреляторов, в которых осуществляется корреляция с эталонной частотой в полосе низких частот. Значения мощности, подаваемые на детектор 26 максимальной мощности в полосе высоких частот, получаются из выходных данных корреляторов, в которых осуществляется корреляция входных данных с эталонной частотой в полосе высоких частот.

Таким образом, детектор 24 максимальной мощности в полосе низких частот детектирует максимальную мощность из всех значений мощности низкочастотного диапазона, а детектор 26 максимальной мощности в полосе высоких частот детектирует максимальную мощность из всех значений мощности высокочастотного диапазона. Из детекторов 24 и 26 максимальной мощности в полосе низких частот и в полосе высоких частот соответственно выходные данные по максимальной мощности E_L на низких частотах и E_H на высоких частотах подаются на решающее устройство 30.

В то же время в решающее устройство 30 подаются с детектора 28 полной мощности выходные данные о значении полной мощности E_T входного сигнала r(t) за 40 мс. Полная мощность E_T будет выражаться соотношением:



где

N равно 320

Для детектирования частоты ДТМЧ сигнала решающее устройство 30 сравнивает полную мощность E_T и отношение между максимальной мощностью E_L в низкочастотной полосе и максимальной мощностью E_H в высокочастотной полосе с заданными пороговыми значениями с помощью следующего соотношения (6):

(E_L + E_H) / (160E_T) 0,7 (6),

где

160 - масштабный коэффициент. Если сигнал удовлетворяет вышеприведенному соотношению (6), то этот сигнал является ДТМЧ сигналом.

Кроме того, решающее устройство 30 выполняет перекрестную проверку. ДТМЧ сигнал имеет некоторую разность между уровнями максимальной мощности E_L в полосе низких частот и максимальной мощности E_H в полосе высоких частот. Эта разность уровней не должна превышать 6 dB. Это может быть выражено следующим соотношением (7):



Более того, решающее устройство 30 определяет, является ли детектированный ДТМЧ сигнал чисто синусоидальным, используя следующее соотношение (8):



где

P_L35 - небольшая величина в выходных данных коррелятора, соответствующих максимуму в полосе высоких частот, и небольшая величина в выходных данных коррелятора, соответствующих максимуму в полосе низких частот, эта величина представляет собой выходные данные коррелятора за 35 мс, т.е. выходные данные по 7 элементам кодированного сигнала за исключением большой величины в первом и последнем из 8 элементов кодированного сигнала (элемент дискретизации), каждый из элементов кодированного сигнала имеет длительность 5 мс. Здесь элемент кодированного сигнала представляет выходную величину, полученную в буфере, один элемент кодированного сигнала соответствует 5 мс. P_L5 - средняя величина выходных данных коррелятора за 7 элементов кодированного сигнала. Величина, полученная в корреляторе за 35 мс, используется для подготовки случаев, при которых сигнал начинается в середине 5 мс первого элемента кодированного сигнала из 8 элементов кодированного сигнала и заканчивается в середине 5 мс восьмого элемента кодированного сигнала.

Далее детектор 30 выполняет проверку прерывания. ДТМЧ детектор не должен детектировать прерванный ДТМЧ сигнал, который определяется, исходя из соотношения между мощностью за 40 мс и мощностью, соответствующей элементу кодированного сигнала в 5 мс, это соотношение выражается в следующем виде:



где

B_L и B_H - выходные данные корреляторов в низкочастотной и высокочастотной полосах соответственно, a P_L35 - выходные данные коррелятора за 35 мс.

Вышеприведенное уравнение (9) применяется к каждому из 7 элементов кодированного сигнала. Если 7 элементов кодированного сигнала удовлетворяют уравнению (10), то принимается решение, что ДТМЧ сигнал не прерван.

Как показано выше, ДТМЧ детектор может детектировать ДТМЧ сигнал по 15 каналам с помощью одной ОЦС интегральной микросхемы, следовательно, ДТМЧ сигнал с одной линии Е1 может обрабатываться в реальном времени с помощью двух ОЦС интегральных микросхем. Таким образом, ДТМЧ детектор потребляет меньшую мощность для обработки сигналов ОЦС интегральной микросхемой по сравнению с известным ДТМЧ детектором и является невосприимчивым для тонального сигнала. Кроме того, в тесте по скорости речи, который является эксплуатационным испытанием для проверки числа речевых сигналов, проверенных на ДТМЧ сигнал, при условии, что речевой поток идет с постоянной скоростью в течение 30 мин (нормально, когда проверенное число меньше 15), используя тестовую магнитную ленту Mitel СМ7291, ДТМЧ детектор имеет характеристику, показывающую, что число речевых сигналов, проверенных на ДТМЧ сигнал, меньше или равно 3.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было проиллюстрировано и описано для наилучшего варианта его осуществления, специалистам в данной области техники понятно, что могут быть сделаны различные изменения и модификации, а эквивалентные элементы могут быть включены вместо соответствующих элементов, не выходя за рамки настоящего изобретения. Кроме того, могут быть выполнены многие модификации, адаптированные для конкретной ситуации, исходя из настоящего изобретения и не выходя за рамки его сущности. Таким образом подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами, описанными в качестве наилучших вариантов его осуществления, и настоящее изобретение включает все варианты, попадающие в объем прилагаемой формулы.