устройство для выделения тональных сигналов в каналах связи

Формула изобретения

Устройство для выделения тональных сигналов в каналах связи, содержащее блок согласования с каналом связи, полосовой фильтр, первое и второе интегрирующие звенья, логический элемент И, первый, второй и третий линейные детекторы, первый и второй блоки вычисления отношения, первый, второй и третий пороговые элементы и управляющий таймер, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены третье, четвертое, пятое, шестое и седьмое интегрирующие звенья, четвертый линейный детектор, третий блок вычисления отношения, четвертый пороговый элемент, первый и второй умножители, блок временной задержки и вычитатель, причем выход блока согласования с каналом связи соединен с входами полосового фильтра и первого линейного детектора, выход первого линейного детектора через первое интегрирующее звено подключен ко второму входу первого блока вычисления отношения, выход которого через первый пороговый элемент подключен к первому входу логического элемента И, при этом выход полосового фильтра через второй линейный детектор соединен с входом второго, третьего и четвертого интегрирующих звеньев, а также с входом блока временной задержки, вторым входом первого и первым и вторым входами второго умножителей, в свою очередь, выход второго интегрирующего звена подключен к первому входу первого блока вычисления отношения, ко второму входу второго блока вычисления отношения и через второй пороговый элемент ко второму входу логического элемента И, кроме того, выход третьего интегрирующего звена связан с первым входом вычитателя, а выход четвертого интегрирующего звена со вторым входом вычитателя, тогда как выход вычитателя через последовательно включенные третий линейный детектор и пятое интегрирующее звено подключен к первому входу второго блока вычисления отношения, выход которого через третий пороговый элемент соединен с третьим входом логического элемента И, тогда как выход блока временной задержки подключен к первому входу первого умножителя, выход последнего через последовательно включенное шестое интегрирующее звено связан с первым входом третьего блока вычисления отношения, второй вход которого через седьмое интегрирующее звено подключен к выходу второго умножителя, а выход третьего блока вычисления отношения через последовательно включенные четвертый линейный детектор и четвертый пороговый элемент соединен четвертым входом логического элемента И, выход которого подключен к входу блока отображения, а выходы управляющего таймера связаны с управляющими входами логического элемента И.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электросвязи, в частности к автоматическим средствам приема сигналов канальной сигнализации в системах многоканальной связи, и может использоваться, например, для обнаружения акустических сигналов в телефонных каналах.

Основная проблематика приема сигналов тональной сигнализации заключается в следующем. Прием этих сигналов достаточно часто приходится проводить на фоне значительных помех. Наиболее типичными здесь являются гладкие канальные шумы, импульсные помехи и паразитные речевые сигналы. Помимо этого принимаемый сигнал может иметь значительный разброс по частоте, а его форма может отличаться от синусоидальной из-за несоответствия генераторов нормам, установленным в технике связи.

Известно устройство для приема тональных сигналов, содержащее блок согласования с каналом, полосовой фильтр, два последовательно соединенных резонансных контура, два линейных детектора, два поляризованных реле, пороговый элемент и исполнительный элемент. Здесь разделение тонального (информационного) сигнала и паразитных токов речевых частот осуществляется за счет использования двух резонансных контуров. Напряжения, снимаемые с этих контуров, после выпрямления подаются на поляризованное реле с двумя обмотками, намотанными в противоположную сторону. В результате данный приемник устойчиво выделяет сигнал, в спектре которого присутствуют только спектральные составляющие в информационной полосе частот.

Однако данное устройство не может обеспечить уверенное выделение тональных сигналов, подвергшихся значительным искажениям, а также информационного сигнала, прием которого производится на фоне речи. Кроме того, в случае значительной растройки по частоте генератора тональных сигналов работа данного приемника будет сопровождаться частыми пропусками.

Известен также приемник тональных сигналов, содержащий блок согласования с каналом связи, четыре одновибратора, инвертор, два логических элемента И, интегрирующее звено, исполнительный элемент. Однако и для данного устройства также характерна невысокая точность выделения информационного сигнала, что связано с возможностью подрабатывания приемника на паразитном сигнале, а также большой вероятностью пропуска искаженного акустического сигнала.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству является устройство для выделения акустических сигналов в каналах связи, содержащее блок согласования с каналом связи, полосовой фильтр, первый, второй и третий линейные детекторы, первое и второе интегрирующие звенья, первый, второй и третий пороговые элементы, первый и второй блоки вычисления отношения, пиковый детектор, первый и второй логические элементы И, регистр, управляющий таймер и исполнительный элемент.

Принцип действия данного устройства основан на оценивании трех решающих статистик, которые являются отличительными признаками при распознавании информационного акустического сигнала от канальных шумов и паразитных речевых сигналов. В качестве решающих статистик здесь используются оценка мощности сигнала в информационной полосе частот, распределение мощности входного сигнала по частотному диапазону и величина пик-фактора входного сигнала.

Однако при работе данного устройства также возможно появление ошибок при отличии формы принимаемого тонального сигнала от синусоидальной. С другой стороны, при увеличении порога срабатывания приемника по уровню пик-фактора принимаемого сигнала неизбежно повысится вероятность возникновения ложных тревог, что также недопустимо в системах сигнализации. К тому же использование экстремальных статистик при наличии значительных канальных шумов также снижает точность определения акустических сигналов.

Цель изобретения состоит в повышении точности выделения акустических сигналов в каналах связи.

Для достижения поставленной цели в устройство для выделения тональных сигналов в каналах связи, содержащее блок согласования с каналом связи, полосовой фильтр, первое и второе интегрирующие звенья, логический элемент И, первый, второй и третий линейные детекторы, первый и второй блоки вычисления отношения, первый, второй и третий пороговые элементы и управляющий таймер, согласно изобретению дополнительно введены третье, четвертое, пятое, шестое и седьмое интегрирующие звенья, четвертый линейный детектор, третий блок вычисления отношения, четвертый пороговый элемент, первый и второй умножители, блок временной задержки и вычитатель, причем выход блока согласования с каналом связи соединен с входами полосового фильтра и первого линейного детектора, выход первого линейного детектора через первое интегрирующее звено подключен ко второму входу первого блока вычисления отношения, выход которого через первый пороговой элемент подключен к первому входу логического элемента И, при этом выход полосового фильтра через второй линейный детектор соединен с входом второго, третьего и четвертого интегрирующих звеньев, а также с входом блока временной задержки, вторым входом первого и первым, и вторым входами второго умножителей, в свою очередь выход второго интегрирующего звена подключен к первому входу первого блока вычисления отношения, ко второму входу второго блока вычисления отношения и через второй пороговый элемент ко второму входу логического элемента И, кроме того, выход третьего интегрирующего звена связан с первым входом вычитателя, а выход четвертого интегрирующего звена - со вторым входом вычитателя, тогда как выход вычитателя через последовательно включенные третий линейный детектор и пятое интегрирующее звено подключен к первому входу второго блока вычисления отношения, выход которого через третий пороговый элемент соединен с третьим входом логического элемента И, тогда как выход блока временной задержки подключен к первому входу первого умножителя, выход последнего через последовательно включенное шестое интегрирующее звено связан с первым входом третьего блока вычисления отношения, второй вход которого через седьмое интегрирующее звено подключен к выходу второго умножителя, а выход третьего блока вычисления отношения через последовательно включенные четвертый линейный детектор и четвертый пороговый элемент соединен с четвертым входом логического элемента И, выход которого подключен к входу блока отображения, а выходы управляющего таймера связаны с управляющими входами логического элемента И.

Устройство для выделения тональных сигналов в каналах связи (см. чертеж) содержит блок 1 согласования с каналом связи, полосовой фильтр 2, первый линейный детектор 3, первое интегрирующее звено 4, первый пороговый элемент 5, второй линейный детектор 6, второе интегрирующее звено 7, первый блок 8 вычисления отношения, второй пороговый элемент 9, третье интегрирующее звено 10, четвертое интегрирующее звено 11, вычитатель 12, третий линейный детектор 13, пятое интегрирующее звено 14, второй блок 15 вычисления отношения, третий пороговый элемент 16, блок временной задержки 17, первый умножитель 18, второй умножитель 19, шестое интегрирующее звено 20, седьмое интегрирующее звено 21, третий блок вычисления отношения 22, четвертый линейный детектор 23, четвертый пороговый элемент 24, логический элемент И 25, блок отображения 26 и управляющий таймер 27.

В заявляемом устройстве решение о появлении в канале связи тонального сигнала принимается после совпадения всех характеристических признаков, которые представляют собой значимые статистические критерии для выделения данного вида сигнала. Практически оценивание характеристических признаков в заявляемом устройстве осуществляется путем вычисления четырех решающих статистик. В совокупности все вычисляемые статистики обеспечивают распознавание информационного акустического сигнала от канальных шумов, паразитных речевых сигналов, сетевых наводок, импульсных помех и других искажений. В качестве решающих статистик здесь используются оценка мощности сигнала в информационной полосе частот, распределение энергии входного сигнала по частотному диапазону, величина неравномерности огибающей отфильтрованного в полосовом фильтре входного сигнала, а также значение ординаты автокорреляционной функции при фиксированном уровне временной задержки.

Анализируемый сигнал с выхода канала связи, пройдя через блок 1 согласования с каналом связи, поступает одновременно на вход полосового фильтра 2, а также на вход первого линейного детектора 3.

При этом в блоках 2-4 формируется оценка мощности приходящего сигнала во всей полосе частот канала связи, для чего исходный сигнал выпрямляется в первом линейном детекторе 3 и накапливается в первом интегрирующем звене 4.

Приближенная оценка мощности сигнала, ограниченного информационной полосой частот (т.е. полосой частот, в которой по априорной информации может находиться тоновая посылка), формируется посредством блоков 2, 6, 7. Для этого входной сигнал предварительно проходит через полосовой фильтр 2. Полоса пропускания полосового фильтра 2 соответствует информационной полосе тонового сигнала. Далее полученный сигнал детектируется вторым линейным детектором 6 и накапливается во втором интегрирующем звене 7.

Оценка мощности входного сигнала, ограниченного информационной полосой частот, используется в заявляемом устройстве в качестве первого решающего признака (или, по другому, статистического критерия) при принятии решения о наличии в канале тонального сигнала. Основная цель введения в заявляемое устройство данного признака состоит в предотвращении ложных срабатываний обнаружителя от сигналов, спектр которых располагается вне информационной полосы частот. Для вычисления этой решающей статистики сигнал с выхода второго интегрирующего звена 7 подается на первый пороговый элемент 5, где осуществляется сравнение с граничным (пороговым) значением. Результат сравнения поступает на первый вход логического элемента И 25. Если уровень сигнала в информационной полосе превышает пороговое значение, то на первом входе логического элемента И 25 фиксируется логическая единица.

Для получения второго признака сигнал с выхода второго интегрирующего звена 7 подается на второй вход первого блока 8 вычисления отношения. На первый же вход блока 8 вычисления отношения поступает сигнал с выхода первого интегрирующего звена 4.

В результате на выходе первого блока 8 вычисления отношения имеем величину, характеризующую распределение энергии входного сигнала по частотному диапазону канала связи. Иными словами, оценка, формируемая первым блоком 8 вычисления отношения, приближенно равна отношению мощности сигнала на выходе полосового фильтра 2 к мощности сигнала на входе устройства. Введение второго признака позволяет при обнаружении тонового сигнала избежать ошибок, связанных с ложным срабатыванием на многочастотных (например, речевых, музыкальных и т.д.) сигналах. Здесь используется известный признак тонового сигнала в канальной сигнализации, который состоит в том, что мощность тонового сигнала в достаточно узкой спектральной полосе и превосходит мощность канальных помех.

При реализации процедуры вычисления решающей статистики используется известное свойство гармонического сигнала, состоящее в том, что между мощностью такого сигнала и средним значением модуля существует строгая зависимость. Получаемая таким образом величина сравнивается во втором пороговом элементе 9 с граничным значением. Результат сравнения в виде в виде логического "0" или "1" подается на второй вход логического элемента И 25.

В блоках 10-16 осуществляется формирование третьего информационного признака - оценки неравномерности огибающей отфильтрованного сигнала. Данный признак введен в заявляемое устройство для предотвращения ложных срабатываний на сигналах, которые характеризуются значительным непостоянством своего усредненного на небольшом временном интервале уровня. Примером таких сигналов являются паразитный речевой сигнал, нестационарные помехи. Действительно, как известно, огибающая речевого сигнала быстро изменяется. Практически длина "псевдостабильного" участка огибающей речи очень редко превышает 200 мс. В то же время для генераторов тоновых посылок характерна стабильность среднего уровня выходного сигнала в течение всей длительности посылки.

Для оценки неравномерности огибающей сигнал с выхода второго линейного детектора 6 подается одновременно на третье и четвертое интегрирующие звенья 10 и 11, которые различаются величиной времени интегрирования. Сравнение получаемых значений производится в вычитателе 12. Далее получаемая величина детектируется (вычисляется абсолютное значение величины) в третьем линейном детекторе 13 и усредняется в пятом интегрирующем звене 14. Затем полученное значение во втором блоке вычисления отношения 15 нормируется к усредненному уровню отфильтрованного сигнала, оценка которого имеется на выходе второго интегрирующего звена 7. Получаемая величина сравнивается в третьем пороговом элементе 16 с граничным значением. Результат сравнения в виде логического "0" или "1" подается на третий вход логического элемента И 25.

Последний, четвертый, информационный признак введен в заявляемое устройство для обеспечения устойчивого различения тональных сигналов от равномерного канального шума. Дело в том, что на практике в реальных каналах связи достаточно могут присутствовать шумы (либо шумоподобные сигналы) различной физической природы, которые, с одной стороны, имеют ограниченный некоторой полосой частот спектр, а с другой, - почти ровную огибающую. Например, такой вид имеют сигналы некоторых низкоскоростных систем передачи данных, телеметрических систем и пр. Для предотвращения "подрабатывания" обнаружителя на сигналах такого вида в описываемом устройстве оценивается значение автокорреляционной функции сигнала в точке, сдвинутой относительно нулевого значения временной задержки (например, наполовину периода тонального сигнала). Здесь используется известное свойство автокорреляционных функций шумоподобных сигналов, состоящее в их достаточно быстром затухании. В то же время автокорреляционная функция гармонического сигнала также имеет гармонический характер, причем своих наибольших (амплитудных) значений автокорреляционная функция гармонического сигнала достигает через временные промежутки, кратные половине периода исходного сигнала.

Оценка четвертого информационного признака осуществляется следующим образом. Сигнал с выхода полосового фильтра 2 подается на вход блока временной задержки 17, а также на второй вход первого умножителя 18 и первый, и второй входы второго умножителя 19. Значения, полученные на выходах первого и второго умножителей 18, 19, усредняются соответственно в шестом и седьмом интегрирующих звеньях 20, 21. Таким образом, в интегрирующих звеньях 20 и 21 формируются значения ненормированной автокорреляционной функции входного сигнала, которые соответствуют временной задержке Т/2 и 0. Далее в третьем блоке вычисления отношения 22 осуществляется вычисление значения (ординаты) нормированной (т. е. инвариантной к уровню входного сигнала) автокорреляционной функции, после чего абсолютное значение полученной величины (линейное детектирование осуществляется четвертым линейным детектором 23) в четвертом пороговом элементе 24 сравнивается с граничным значением. Если значение, получаемое на выходе четвертого порогового элемента 24, меньше порогового значения, то на четвертом входе логического элемента И 25 фиксируется логическая единица.

Решения о наличии тонального сигнала в канале связи периодически через некоторые промежутки времени по команде из управляющего таймера 27 передаются из логического элемента И 25 в блок отображения 26.

В случае, если все четыре решающих признака свидетельствуют о наличии в канале связи тонального сигнала, т.е. на выходе блоков 5, 9, 16 и 24 зафиксированы логические "1", то на выходе логического элемента И 25 также фиксируется логическая "1". Это означает, что принято решение о приеме тонального сигнала.

Заявляемый объект может быть построен с использованием существующих электронных средств и компонентов аппаратуры связи, либо реализован на базе компьютерной техники, либо с помощью сигнальных процессоров. Данное устройство может найти применение в составе аппаратно-программных средств телефонной станции.

Источники информации

1. Зайончковский Е. А., Пшеничников А.П., Романцов В.М. Автоматическая междугородная связь. - М.: Радио и связь, 1984, стр. 111-115.

2. Авторское свидетельство 441681, Н 04 М 1/46, 03.01.73.

3. Авторское свидетельство 2118067, Н 04 В 3/46, 20.08.98.