DE102004047353B3

DE102004047353B3 - Verfahren zur Tonerkennung und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102004047353B3
Application number: DE200410047353
Authority: DE
Inventors: Lucia Navarro De Lara
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2024-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tonerkennung, bei dem unter Einsatz einer digitalen Fourier-Transformation das Auftreten vorgegebener Frequenzwerte DOLLAR I1 in einem digitalisierten Tonsignal (x(n)) berechnet und angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Berechnungsvorgänge (DFT1, DFT2, DFT3, DFT4) zeitlich überlappend ablaufen, dass sich die zeitlich überlappend ablaufenden Berechnungsvorgänge (DFT1, DFT2, DFT3, DFT4) auf zeitlich überlappende Ausschnitte (Fenster 0, Fenster 1, Fenster 2, Fenster 3) des digitalisierten Tonsignals (x(n)) beziehen und dass jeweils das Ergebnis des zuletzt abgelaufenen Berechnungsvorganges als aktuelles Ergebnis der Tonerkennung angezeigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tonerkennung, bei dem unter Einsatz der digitalen Fourier-Transformation das Auftreten vorgegebener Frequenzwerte in einem digitalisierten Tonsignal berechnet und angezeigt wird, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Tonerkennung spielt beispielsweise bei der Übertragung von Schutzsignalen eine wichtige Rolle. Schutzsignale dienen der Steuerung und Überwachung von technischen Anlagen, wie insbesondere von örtlich abgelegenen Umspannwerken, Kraftwerken oder elektrischen Leitungen. Mittels Schutzsignalen werden die von den sogenannten Schutzgeräten in der Anlage generierten Fehlermeldungen wie beispielsweise auf einer Leitung auftretende Überströme, aber auch Steuerkommandos wie z.B. Abschaltbefehle zu den bzw. von den oft weit entfernten Steuerzentralen übertragen.

Aufgrund der hohen Bedeutung dieser Aufgaben bzw. des damit verbundenen Gefahrenpotentials bestehen an die Generierung und Übertragung von Schutzsignalen höchste Anforderungen hinsichtlich der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Schnelligkeit. Schutzsignale müssen hochsicher sein, d.h. Fehlauslösungen von Steuervorgängen müssen mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden können, die Übertragung und Ausführung von Befehlen muss hochzuverlässig erfolgen, wobei eine typische Fehlerquote von < 10^–6 eingehalten werden muss und die Schutzsignale müssen strengen zeitlichen Anforderungen genügen.

Als Stand der Technik ist dazu das Schutzsignalübertragungssystem SWT 3000 der Siemens AG bekannt, welches der Übertragung von Schutzsignalen entsprechend den genannten hohen Anforderungen dient und unter anderem auch zur Durchführung von Verfahren der eingangs genannten Art ausgebildet ist.

Ein Problem bei Schutzsignalen ist die sichere, schnelle und zuverlässige Erkennung von bestimmten Tönen – Frequenzbestandteilen – auf der Empfängerseite. Nach dem Stand der Technik wird diese mit analogen Filterbänken realisiert, bei denen jedes Filter auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt ist.

Mittels digitaler Signalverarbeitung kann der hohe Aufwand analoger Filterbänke vermieden werden. Bei entsprechenden Verfahren ergibt sich allerdings bei zeitkritischen Anwendungen oftmals das Problem, dass der mit der Berechnung der einzelnen Frequenzbestandteile verbundene Aufwand und damit die Rechenzeit zu hoch ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein schnelles Verfahren zur Tonerkennung anzugeben.

Dies geschieht erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem jeweils mehrere Berechnungsvorgänge zeitlich überlappend ablaufen, bei dem sich die zeitlich überlappend ablaufenden Berechnungsvorgänge auf zeitlich überlappende Ausschnitte des digitalisierten Tonsignals beziehen und bei dem jeweils das Ergebnis des zuletzt abgelaufenen Berechnungsvorganges als aktuelles Ergebnis der Tonerkennung angezeigt wird. Durch die überlappende Bearbeitung kann der Zeitraum zwischen zwei gültigen Berechnungsergebnissen entsprechend der Anzahl der Berechnungsvorgänge verkürzt werden, ohne dass bei der Qualität der Berechnung Abstriche gemacht werden müssen. Bei beispielsweise 4 zeitliche überlappenden Berechnungsvorgängen verkürzt sich die Zeit zwischen zwei Aktualisierungen des Ergebnisses auf ein Viertel der Zeit, die ein Berechnungsvorgang benötigt.

Als Grundlage für die digitale Fourier-Transformation wird vorteilhafterweise der Goertzel Algorithmus herangezogen.

Damit ist das Verfahren besonders geeignet zum Einsatz in einem Empfänger eines Schutzsignalübertragungssystem zur Detektion von Tonsignalen.

Zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere auch im Rahmen eines Schutzsignalübertragungssystems ist es zweckmäßig, wenn eine Anordnung mehrere Signalberechnungsmodule, Mittel zur Steuerung dieser Signalberechnungsmodule und Mittel zur Darstellung der Ergebnisse aufweist.

Die Erfindung wird anhand zweier Figur näher erläutert. Es zeigen beispielhaft
1 die schematische Anordnung von 4 Signalauswertungseinheiten und
2 eine Darstellung des digitalisierten Tonsignals.
In 1 wird das Eingangssignal x(n), d.h. eine Folge von digitalen Amplitudenwerten, welche den Verlauf des Eingangssignals beschreiben, 4 Signalauswertungseinheiten DFT1, DFT2, DFT3 DFT4 zugeführt. Diese Signalauswertungseinheiten sind zweckmäßigerweise mittels entsprechend programmiertem digitalem Signalprozessor realisiert. Anhand einer vorgegebenen Anzahl N von Amplitudenwerten des Eingangssignales werden nun Leistungswerte zu einzelnen Punkten des Frequenzspektrums X(k_fg)|², .... |X(k_f7)|² ermittelt. Diese Leistungswerte geben Auskunft darüber, ob ein entsprechendes Tonsignal vorliegt oder nicht. Um den Einfluss von Störungen auszuschließen, wird dabei beispielsweise nur dann ein Ton als erkannt betrachtet, wenn der Energiewert des zugehörigen Punktes des Frequenzspektrums über einem vorgegebenen Schwellwert liegt und höher ist, als die Summe der Leistungswerte der jeweils anderen ermittelten Punkt.
Bei einem Schutzsignalübertragungssystem müssen so je nach eingestelltem Modus beispielsweise 9 oder 26 unterschiedliche Töne erkannt, bzw. die Leistungswerte zu entsprechenden Punkte des Frequenzspektrums X(k_fg)|², .... |X(k_f7)|² berechnet werden. Diese Berechnung erfordert einen bestimmten Zeitaufwand. Darüber hinaus kann es zu einer zusätzliche Verzögerung kommen, wenn ein Ton gegen Ende der bei einem Berechnungsvorgang betrachteten Zeitspanne auftritt und dieser Ton erst beim nächsten Berechnungsvorgang erkannt wird.
Diese Verzögerung kann dazu führen, dass der Ton erst nach einem Zeitraum erkannt wird, der über der „Ansprechzeit" des Systems liegt, d.h. der Zeit, innerhalb der ein auftretendes Schutzsignal erkannt werden muss.
Erfindungsgemäß wird nun der Berechnungsvorgang mehrfach – beim Ausführungsbeispiel 4fach – durchgeführt. Dazu wird die durch die Anzahl N von Amplitudenwerten des Eingangssignales definierte Zeitspanne durch die Zahl der sich überlappenden Berechnungsvorgänge geteilt und dieser Wert (N/4) als Verzögerung zwischen zwei Berechnungsvorgängen festgelegt. Während ein erster Berechnungsvorgang nun zum Zeitpunkt 0 beginnt, starten die weiteren Berechnungsvorgänge zu den Zeitpunkten N/4, N/2 und 3N/4. Dieser Zusammenhang wird zur näheren Verdeutlichung auch in 2 nochmals dargestellt, wobei die durch die Anzahl N von Amplitudenwerten des Eingangssignals definierte Zeitspanne als Fenster 0, 1, 2, 3 bezeichnet wird.
Erfindungsgemäß liegen nun in einem Zeitabschnitt N4 Berechnungsergebnisse vor, das heißt die maximal mögliche Reaktionszeit auf ein Tonsignal verringert sich auf ein Viertel der Zeit, die bei einem einzelnen Berechnungsvorgang im ungünstigsten Fall auftreten kann.
Dazu wird erfindungsgemäß jeweils das letzte vorliegende Ergebnis als gültiges Ergebnis gewertet, also in periodischer Abfolge das Ergebnis der Berechnung von Fenster 0, Fenster 1, Fenster 2 und Fenster 3.

Claims

Verfahren zur Tonerkennung, bei dem unter Einsatz der digitalen Fourier-Transformation das Auftreten vorgegebener Frequenzwerte (|X(k_fg)|², .... |X(k_fg)|²) in einem digitalisierten Tonsignal (x(n)) berechnet und angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Berechnungsvorgänge (DFT 1, DFT2, DFT3, DFT 4) zeitlich überlappend ablaufen, dass sich die zeitlich überlappend ablaufenden Berechnungsvorgänge (DFT 1, DFT2, DFT3, DFT4) auf zeitlich überlappende Ausschnitte (Fenster 0, Fenster 1, Fenster 2, Fenster 3) des digitalisierten Tonsignals beziehen und dass jeweils das Ergebnis des zuletzt abgelaufenen Berechnungsvorganges (DFT1, DFT2, DFT3, DFT4) als aktuelles Ergebnis der Tonerkennung angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundlage für die digitale Fourier-Transformation der Goertzel Algorithmus herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonsignale (x(n)) als Schutzsignale in einem Schutzsignalübertragungssystem vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 4 sich zeitlich überlappende Berechnungsvorgänge (DFT 1, DFT2, DFT3, DFT 4) vorgesehen sind.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Signalberechnungsmodule, Mittel zur Steuerung dieser Signalberechnungsmodule und Mittel zur Darstellung der Ergebnisse vorgesehen sind.
Schutzsignalübertragungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzsignale Tonsignale (x(n)) vorgesehen sind und dass zur Erkennung der Schutzsignale Mittel zur Durchführung eines der Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 vorgesehen sind.