DE102005052522B3

DE102005052522B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Tondetektion

Info

Publication number: DE102005052522B3
Application number: DE200510052522
Authority: DE
Inventors: David Schwingshackl; Harald Nusser; Dietmar STRÄUSSNIGG
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Germany Holding GmbH
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2005-11-03
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-11-04

Abstract

Verfahren zum Erkennen eines Tonsignals (STON) mit einer vorgegebenen Tonfrequenz (FTONn) in einem Eingangssignal (SIN) mit den Schritten: Durchführen einer diskreten Fourier-Transformation an dem Eingangssignal (SIN) zum Erzeugen einer diskreten Fourier-Transformierten (SDFT), Bestimmen eines Erkennungsparameters (Z) für die Tonfrequenz (FTON) in Abhängigkeit von zwei ausgewählten benachbarten Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) der diskreten Fourier-Transformierten, wobei die beiden Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) derart ausgewählt werden, dass die Tonfrequenz (FTONn) zwischen den Fourier-Frequenzen (F1, F2) liegt, welche den beiden Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) zugeordnet sind, und Vergleichen des Erkennungsparameters (Z) mit Referenzwerten (ZREF) zum Bestimmen einer Frequenz (FTON) und zum Erkennen des Tonsignals (STON).

Description

Die folgende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Tonsignals, welches eine vorgegebene Tonfrequenz aufweist, in einem Eingangssignal mit weiteren Tönen und Störern.
Es ist häufig notwendig, in übertragenen Signalen bestimmte Signalisierungstöne mit vorgegebenen Tonfrequenzen zu erkennen. Bei Telefonanwendungen ist beispielsweise das Zweitonmehrfrequenzverfahren DTMF (= Dual Tone Multi Frequency) verbreitet, bei dem zwei Sinustöne unterschiedlicher Frequenz überlagert werden. Standardmäßig wird dabei den Zeilen und Spalten eines Telefonziffernblocks jeweils eine Frequenz zugewiesen. Der ersten Zeile mit den Wählziffern 1, 2, 3 ist beispielsweise ein Ton von 697 Hz zugeteilt und der ersten Spalte mit den Wählziffern 1, 4, 7 eine Frequenz von 1209 Hz. Weitere Signaltöne, die über Telefonverbindungen übertragen werden, sind beispielsweise das Besetztzeichen, Freizeichen oder weitere Dienstsignale, wie für das Makeln. Sowohl im Telefonapparat des Nutzers wie auch in der Vermittlungsstelle müssen derartige Tonsignale zuverlässig und schnell erkannt werden. Üblicherweise geben Standardspezifikationen vor, welche Toleranzen zum Erkennen eines Tonsignals erlaubt sind. In der Regel sind dabei kurze Detektionszeiten erwünscht.
Eine aufwändige Realisierung der Tondetektion stellt die enge Bandpassfilterung um die Tonfrequenz des zu erkennenden Signals dar. Weitere bekannte Verfahren verwenden einen Görtzel-Algorithmus, um Spektralanalysen durchzuführen und bewerten anschließend eine Vielzahl von Kenngrößen des Fourier-Spektrums.

Aus der US 6,229,889 B1 ist ein Verfahren bekannt, wobei diskrete Fourier-Transformationen durchgeführt werden und Ver hältnisse von Fourier-Koeffizienten bestimmt werden, die in der Nähe der zu erkennenden Signalfrequenzen liegen. Dabei ist eine Frequenzmessung eines kontinuierlichen oder gepulsten Tones mit hoher Genauigkeit notwendig. In einem Verfahren gemäß der US 6,587,559 B1 werden aufeinanderfolgende Rahmen von erzeugten Fourier-Transformationen eines Eingangssignals berechnet. Es ist dann vorgesehen eine Überprüfung der Energiewerte bzw. der Fourier-Koeffizienten in den jeweiligen Rahmen vorzunehmen und anschließend die Verhältnisse von Energiewerten in aufeinanderfolgenden Rahmen zu berechnen. Ferner ist aus der US 5,588,053 ein DTMF-Detektor bekannt, bei dem Energiewerte von Fourier-transformierten empfangenen Tonsignale bestimmt werden und als Ausgangspunkt für eine weitere Analyse die jeweiligen Maximalwerte verwendet werden. Die bestimmten maximalen Energiewerte werden zunächst an einem Vergleich mit statischen Schwellwerten unterzogen und anschließend mit dynamischen Schwellwerten verglichen um das Vorliegen von DTMF-Signalen zu erkennen.

Nachteilig ist bei vielen Verfahren, dass mehrere komplexe Größen miteinander verknüpft werden müssen, um eine Entscheidung zu treffen, ob die gesuchte Tonfrequenz in einem meist verrauschten Eingangssignal vorhanden ist oder nicht.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Tondetektion anzugeben, welches nur wenige Parameter aus einem Eingangssignal extrahiert und zur Entscheidung benötigt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Tonerkennungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.

Demgemäß sieht das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen eines Tonsignals mit einer vorgegebenen Tonfrequenz in einem Eingangssignal die folgenden Verfahrensschritte vor:

– Durchführen einer diskreten Fourier-Transformation an dem Eingangssignal zum Erzeugen einer diskreten Fourier-Transformierten;
– Bestimmen eines Erkennungsparameters für die Tonfrequenz in Abhängigkeit von zwei ausgewählten Fourier-Koeffizienten der diskreten Fourier-Transformierten, wobei die beiden Fourier-Koeffizienten derart ausgewählt werden, dass die Tonfrequenz zwischen den Fourier-Frequenzen liegt, welche den beiden Fourier-Koeffizienten zugeordnet sind; und
– Vergleichen des Erkennungsparameters mit Referenzwerten zum Bestimmen der Frequenz und zum Erkennen des Tonsignals.

Gemäß der Erfindung wird der Erkennungsparameter nur in Abhängigkeit von zwei berechneten Größen, nämlich den benachbarten Fourier-Koeffizienten, abgeleitet. Die Referenzwerte sind hier beispielsweise als eindimensionale Funktion in Abhängigkeit einer Tonfrequenz angegeben. Die Referenzwerte lassen sich unter anderem durch vorherige Berechnung der entsprechenden Fourier-Koeffizienten für ungestörte Signale in der Umgebung der Tonfrequenz des zu erkennenden Tonsignals bestimmen. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die Detektion bzw. Erkennung prinzipiell unabhängig von dem Pegel des Tonsignals ist, da lediglich zwei Fourier-Koeffizienten zur Bestimmung des Erkennungsparameters herangezogen werden.

Die beiden ausgewählten Fourier-Frequenzen werden in bestimmten Ausführungen der Erfindung benachbart gewählt. Insbesondere bei der Verwendung eines Algorithmus zur schnellen Fourier-Transformation ist ein Frequenzraster vorgegeben, so dass benachbarte Frequenzen günstig sei können.

Vorzugsweise werden Referenz-Frequenzen in Abhängigkeit von den Referenzwerten Tonfrequenz tabelliert vorgesehen. Somit muss lediglich der Erkennungsparameter regelmäßig berechnet werden und in der Tabelle mit den Referenzwerten aufgefunden werden, sodass eine jeweilige Tonfrequenz den bestimmten Erkennungsparameter zugeordnet werden kann und entschieden wird, ob die so bestimmte Frequenz der vorgegebenen Tonfrequenz entspricht.

Vorzugsweise liegt die Tonfrequenz des zu erkennenden Tonsignals im Wesentlichen in der Mitte zwischen den beiden ausgewählten Fourier-Frequenzen. Dadurch lässt sich in der Regel eine besonders günstige Funktion der Referenzwerte in Abhängigkeit von der Tonfrequenz erzielen, sodass eine präzise Bestimmung der Frequenz des ermittelten oder detektierten Tonsignals möglich wird. Insbesondere bei der Bestimmung der beiden ausgewählten Fourier-Koeffizienten können effiziente Algorithmen eingesetzt werden, die beliebige Fourier-Frequenzen erlauben, sodass eine mittige Anordnung der Gesuchten Tonfrequenz erfolgen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Eingangssignal vor dem Durchführen der Fourier-Transformation mit einer Abtastfrequenz abgetastet, welche mindestens doppelt so groß ist wie die Tonfrequenz.

Damit wird gemäß dem Abtasttheorem oder Nyquist-Kriterium gewährleistet, dass die erfindungsgemäße Spektralanalyse bzw. die Bestimmung der Fourier-Koeffizienten zuverlässig erfolgt.

Vorzugsweise wird eine vorgegebene Anzahl von Abtastungen zum Bilden einer Eingangssignalfolge vorgenommen. Dann wird vorteilhaft diese Eingangssignalfolge mit einer Fensterfunktion gewichtet. Die Fensterfunktion kann beispielsweise einer Hamming-, Hann-, Barlett-, Welch-, Blackman- oder Rechteck-Gewichtungsfunktion entsprechen. Es sind ferner angepasste Fensterfunktionen verwendbar, welche erfahrungsgemäß gute erfindungsgemäße Tonerkennungen gewährleisten. Dem Fachmann sind in der Regel Verfahren zur Synthese von Fensterfunktionen bekannt.

Durch die vorgegebene Anzahl von Abtastungen oder Stützstellen für die Fourier-Transformation gemeinsam mit dem Wert der Abtastfrequenz wird einerseits eine Fensterlänge für die Fourier-Transformation vorgegeben und andererseits das kleinste Zeitintervall festgelegt, in dem eine Tondetektion erfolgen kann. Durch die Verwendung von Gewichtungsfunktionen bzw. Fensterfunktionen kann zudem die Zuverlässigkeit der Erkennung verbessert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Erkennungsparameter von dem Verhältnis der Absolutwerte der ausgewählten Fourier-Koeffizienten abhängig. Dies kann beispielsweise das Verhältnis der Absolutwerte sein oder, was sich als günstig erwiesen hat, wenn bestimmte Görtzel-Algorithmen zur Bestimmung der Fourier-Koeffizienten herangezogen werden, auch das Verhältnis der Quadrate der Absolutwerte der ausgewählten Fourier-Koeffizienten.

Alternativ zu einer Tabellierung können die Referenz-Frequenzen auch als Polynom-Approximation in Abhängigkeit von den Referenzwerten dargestellt werden, wobei dann eine Tonfrequenz des zu erkennenden Signals durch Berechnen der Poly nom-Approximation mit dem Erkennungsparameter erfolgt. Insbesondere bei einer computerimplementierten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Polynom-Approximation aufwandsgünstiger sein.

Vorzugsweise wird durch Vergleichen der bestimmten Tonfrequenz des erkannten Tonsignals eine Amplitude des Tonsignals durch Vergleichen mit Referenzamplitudenwerten für die TOnfrequenzen bestimmt. Wie bereits mittels Vergleichen des Erkennungsparameters mit einer vorbestimmten inversen Referenzwertefunktion die Frequenz des zu detektierenden Tonsignals bestimmt oder abgeschätzt wird, ist ebenfalls eine nur eindimensionale Referenzamplitudenfunktion erzeugbar, die der Abschätzung oder Bestimmung der Amplitude des erkannten Tonsignals dient.

Vorteilhafterweise wird ein Tonsignal als erkannt klassifiziert, falls die Frequenz und/oder die Amplitude des erkannten Tonsignals innerhalb eines jeweiligen Toleranzintervalls liegt. Diese Toleranzen sind in der Regel durch Spezifikationen vorgegeben.

Die Erfindung schafft ferner eine Tonerkennungsvorrichtung zum Erkennen eines Tonsignals mit einer vorgegebenen Tonfrequenz in einem Eingangssignal mit:

– einer Einrichtung zur Fourier-Transformation, welche das Eingangssignal diskret Fourier transformiert;
– einer Vorverarbeitungseinrichtung, welche einen Erkennungsparameter für die Tonfrequenz in Abhängigkeit von zwei ausgewählten Fourier-Koeffizienten der diskreten Fourier-Transformierten berechnet, wobei die beiden Fourier-Koeffizienten derart ausgewählt werden, dass die Tonfrequenz zwischen den Fourier-Frequenzen liegt, welche den beiden Fourier-Koeffizienten zugeordnet sind;
– einer Tabelleneinrichtung welche den Erkennungsparameter mit gespeicherten Referenzwerten vergleicht und abhängig von dem Vergleichsergebnis das Tonsignal erkennt.

Dabei ist vorzugsweise durch die Tabelleneinrichtung jedem Referenzwert eine Referenz-Frequenz zugeordnet. Somit kann eine jeweilige Frequenz des Tonsignals abgeschätzt werden.

Die Tonerkennungsvorrichtung führt dabei vorzugsweise das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen eines Tonsignals durch.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Tonerkennungsvorrichtung ist eine weitere Tabelleneinrichtung vorgesehen, welche in Abhängigkeit von der bestimmten Frequenz des erkannten Tonsignals durch Vergleichen mit gespeicherten Referenzamplitudenwerten eine Amplitude des Tonsignals bestimmt.

Vorzugsweise ist eine Fenstereinrichtung vorgesehen, welche eine Eingangsfolge von Abtastwerten des Eingangssignals einer Fensterung mit einer Fensterfunktion unterzieht.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Tonerkennungsvorrichtung wird vorzugsweise fest verdrahtet realisiert oder auch computerimplementiert, beispielsweise mittels eines programmierten digitalen Signalprozessors. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung eines Tonsignals auch als Computerprogramm realisiert und auf einem Speichermedium, beispielsweise einer Diskette, abgespeichert. Dieses Computerprogrammprodukt veranlasst dann einen programmierbaren Rechner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Erkennungsverfahrens.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegensand der Unteransprüche sowie der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt dabei:
1: ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Erkennungsverfahrens;
2: den Verlauf zweier erfindungsgemäß ausgewählter Fourier-Koeffizienten;
3: den Verlauf eines erfindungsgemäßen Erkennungsparameters;
4: ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Tonerkennungsvorrichtung;
5: Fehlerkurven für die geschätzte Frequenz eines erfindungsgemäß erkannten Tonsignals; und
6: Fehlerkurven für die geschätzte Amplitude eines erfindungsgemäß erkannten Tonsignals.
Die 1 zeigt den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen eines Tonsignals.
Es wird zunächst angenommen, dass ein Tonsignal STON mit einer vorgegebenen Tonfrequenz FTON in einem Eingangssignal SIN vorliegt. Das Eingangssignal SIN kann beispielsweise das über eine Telefonleitung übertragene Signal eines Telefongesprächs sein, indem ein Dienstsignal, beispielsweise durch Tastatureingabe, eingefügt ist.
Um dieses Dienstsignal zu erkennen, wird erfindungsgemäß ständig eine diskrete Fourier-Transformation an dem Eingangssignal SIN durchgeführt. Die einzelnen Fourier-Transformationen werden jeweils in aufeinanderfolgenden oder überlappenden Zeitfenstern durchgeführt, deren Länge von der Abtastrate oder Abtastfrequenz FS und der Anzahl N von Stützstellen für die diskrete Fourier-Transformation abhängt.
Durch Abtasten mit einer Abtastfrequenz FS werden im Schritt S1 zunächst diskrete Werte x[n] als Eingangssignalfolge des Eingangssignals SIN erzeugt. Für zeitlich aufeinanderfolgende Fourier-Analysen dieser Eingangssignalfolge werden daraus aufeinanderfolgende Fenster mit jeweils N Werten gebildet. Übliche Werte sind bei Verwendung eines Algorithmus für eine schnelle Fourier-Transformation (FFT = Fast Fourier Transform) Abtastfrequenzen oder Sample-Raten von 8 KHz und N = 128, 256 oder 512. Daraus ergeben sich zeitliche Fensterlängen von 16, 32 und 64 ms. Innerhalb dieser Zeitfensterlängen lassen sich erfindungsgemäße Bewertungen hinsichtlich des Vorliegens eines Tonsignals STON der jeweiligen vorgegebenen Tonfrequenz FTON durchführen.
Um die Qualität der folgenden erfindungsgemäßen Fourier-Analyse zum Detektieren dieser eventuell vorliegenden Tonfrequenz FTON bzw. des Tonsignals STON zu verbessern, kann die Fensterung im Schritt S2 auch vorzugsweise mit einer Fensterfunktion erfolgen, die die N Abtastwerte innerhalb eines Zeitfensters gewichtet. Als geeignet haben sich beispielsweise Hamming-Funktionen als Fensterfunktion ergeben, die einen n-ten Abtastwert wie folgt gewichten:
Ein Spezialfall als Hann-Fenster tritt auf für den Wert α = 0,5. Selbstverständlich sind auch andere Fensterfunktionen, wie beispielsweise Barlett-, Welch-, Blackman- oder eine einfache Rechteck-Gewichtungsfunktionen einsetzbar. Es lassen sich auch beliebige Fenster-Funktionen konstruieren, die dann besonders günstige Funktionen der Frequenz in Abhängigkeit von den im Folgenden beschriebenen Referenzparametern ergeben.
Das Eingangssignal SIN, welches ein Tonsignal STON mit der Frequenz FTON aufweist, liegt in der Regel verrauscht vor. Es wird zur einfacheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Folgenden angenommen, dass das abgetastete und gefensterte Eingangssignal SIN die folgende idealisierte Form aufweist:
Dabei bezeichnet A eine Amplitude und R[n] ein Rauschen. Um eine Fourier-Analyse der Eingangssignalfolge x[n] durchzuführen, wird eine diskrete Fourier-Transformation im Schritt S3 zur Bestimmung der Fourier-Koeffizienten durchgeführt. Die Eingangssignalfolge kann damit dargestellt werden als
wobei X[k] den jeweiligen Fourier-Koeffizienten darstellt, welcher der Fourier-Frequenz
zugeordnet ist.
Ein erfindungsgemäßer Erkennungsparameter Z für die zu erkennende Tonfrequenz FTON wird nun definiert, wobei zwei Fourier-Koeffizienten X[k1], X[k2] ausgewählt werden, für die gilt. F[k1] < FTON < F[k2]. (Gl. 4)
Der Frequenzabstand dieser beiden Fourier-Koeffizienten F[k1] und F[k2] ist von der Anzahl der Abtastungen N des jeweiligen Fensters und der Abtastfrequenz FS abhängig. Im Folgenden wird für den jeweiligen F[k1] = F1 und F[k2] = F2 geschrie ben. Die zugehörigen Fourier-Koeffizienten X[k1] und X[k2] werden im Folgenden mit Y1 und Y2 bezeichnet. Eine Möglichkeit der Auswahl zweier Fourier-Koeffizienten sind zum Beispiel benachbarte, sodass gilt: F1 = F[k] < FTON < F[k+1] = F2.
Besonders günstig wird die Frequenzrasterung der Fourier-Transformation so eingestellt, dass möglichst
gilt. Dies ist zum Beispiel einfach einstellbar, indem ein Görtzel-Algorithmus zur Bestimmung der Fourier-Koeffizienten verwendet wird.
In der 2 ist beispielsweise der Verlauf der Absolutwerte von Y1 und Y2 in Abhängigkeit von einer Tonfrequenz f dargestellt. Dabei ist eine Fensterlänge N = 80 und eine Abtastfrequenz FS = 8 KHz gewählt. Die den Größen Y1 und Y2 zugeordneten Fourier-Frequenzen F1 und F2 betragen F1 = 950 Hz und F2 = 1050 Hz. In dem hier näher erläuterten Beispiel wurde ferner eine Hann-Fensterfunktion gemäß der Gleichung 1 mit α = 1/2 angenommen.
Als günstige Wahl des Erkennungsparameters Z hat sich das Verhältnis der Absolutwerte der beiden ausgewählten Fourier-Koeffizienten zueinander erwiesen. Daher ist in der 3 die Abhängigkeit von
als Referenzfrequenzkurve dargestellt. Der entsprechende als Referenz verwendete Erkennungsparameter ZREF ist in dem Frequenzbereich 850 bis 1000 Hz eine eineindeutige Abbildung.
ZREF ist dabei wie in der Gleichung 6 festgelegt, wobei der Verlauf in Abhängigkeit von der Frequenz f dargestellt ist. Es gilt somit eine eindeutige Beziehung ZFTON = f(Z). Der zu detektierende oder zu erkennende Ton FTON liegt in einem Bereich zwischen 850 Hz und 1150 Hz, wobei die Symmetrie der Abbildung ZFTON auf ZREF ausgenutzt werden kann. Die Frequenz eines in dem Eingangssignal SIN vorliegenden Signaltons wird durch Vergleich mit dem ermittelten Verlauf der Referenzkurve ZREF abgeschätzt bzw. hinreichend genau bestimmt. Es wird also ein Erkennungsparameter berechnet, der nächstliegende Referenzwert ZREF bestimmt und die zugeordnete Referenzfrequenz ZFTON ermittelt, welche als hinreichend genaue Schätzung der Tonfrequenz FTON angenommen wird.
Im Schritt S4 (siehe 1) wird nun der ermittelte Wert des Erkennungsparameters mit den tabellierten Werten der Referenzabhängigkeit ZREF verglichen und eine Frequenz abgelesen. Wird beispielsweise ein Erkennungsparameter Z gemäß der Gleichung 6 mit Z = 0,5 berechnet, wobei der |Y1| > |Y2| ist, entspricht dies in der 3 einer Tonfrequenz FTON = 950 Hz.
In einem weiteren Verfahrensschritt S5 kann nun abgeschätzt werden, ob die erkannte geschätzte Tonfrequenz von FTON = 950 Hz noch in einem Toleranzbereich zur Erkennung eines Tonsignals mit FTON = 1000 Hz fällt.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Erkennungsverfahrens besteht darin, dass aus nur zwei zu bestimmenden Fourier-Koeffizienten Y1 und Y2 ein Erkennungsparameter Z bestimmt wird, welcher mit einer Referenzabhängigkeit ZREF, die lediglich eine eindimensionale Funktion in Abhängigkeit der Frequenz aufweist, verglichen wird.
Die hier in den 2 und 3 dargestellte Ausführungsform des Verfahrens erlaubt zudem, den für eine entsprechende Referenztabelle vorzusehenden Speicherplatz zu reduzieren, da die Referenzwerte bezüglich der Frequenz f = 1 KHz symmetrisch auftreten. Es genügt daher, in einer entsprechenden Tabelleneinrichtung die inverse Funktion des linken (von 850 bis 1000 Hz) oder rechten (1000 bis 1150 Hz) Teils der inversen Funktion von ZREF, also ZFTON in Abhängigkeit von ZREF zu implementieren. Eine Möglichkeit der Ausführung dieser Tabelleneinrichtung besteht unter Anderem in der Darstellung von ZFTON als Polynom-Approximation der entsprechenden inversen Funktion. Dann ist durch Berechnen dieser Polynom-Approximation, die als Funktionsvorschrift abgespeichert wird, direkt die (abgeschätzte) Frequenz des Tonsignals FTON zu berechnen.
Prinzipiell kann die Bestimmung der beiden ausgewählten Fourier-Koeffizienten Y1 und Y2 auch durch einen Görtzel-Algorithmus erfolgen, der möglicherweise aufwandsgünstiger zu implementieren ist als eine vollständige, diskrete Fourier-Transformation. Als Erkennungsparameter Z kommen auch Verhältnisse der Betragsquadrate von Y1 und Y2 in Frage, falls entsprechende modifizierte Görtzel-Algorithmen solche Größen ausgeben. Bei Verwendung eines entsprechenden effizienten Algorithmus sind die beiden ausgewählten Fourier-Frequenzen auch nicht an eine bestimmte Rasterung, wie bei der diskreten Fourier-Transformation der Fall ist, gebunden.
In der 4 ist ein Blockdiagramm einer Tonerkennungsvorrichtung 1 dargestellt, welche das erfindungsgemäße Verfahren durchführt.
Es ist eine Fenstereinrichtung 2 vorgesehen, welche ein abgetastetes Eingangssignal SIN als Eingangssignalfolge x[n] entgegennimmt. Die Fenstereinrichtung 2 liefert eine mit einer geeigneten Gewichtungs- bzw. Fensterfunktion w[n] gewichtete Eingangssignalfolge x'(n).
In einer Einrichtung zur Fourier-Transformation 3 wird die gewichtete Eingangssignalfolge x'(n) einer diskreten Fourier- Transformation unterzogen. Ferner liefert die Einrichtung 3 die beiden Koeffizienten Y1 und Y2, welche in einer Vorverarbeitungseinrichtung 4 ausgewertet werden.
Die Vorverarbeitungseinrichtung 4 liefert die jeweiligen Absolutwerte von Y1 und Y2, den daraus abgeleiteten Erkennungsparameter Z, welcher wie in Gleichung 6 angenommen definiert ist, und ein Auswahlsignalflag flag, welches zu 1 gesetzt ist, wenn |Y2| < |Y2| und sonst zu 0 gesetzt ist.
Anhand des Erkennungsparameters Z und dem Merker- oder Auswahlsignalflag flag ermittelt eine Tabelleneinrichtung 5, welche eine Nachschlagetabelle, welcher der Referenzwerte ZREF dem berechneten Erkennungsparameter Z am nächsten liegt und die zugehörige Referenzfrequenz ZFTON welcher als (geschätzte) Frequenz FTON des potenziell erkannten Tonsignals in dem Eingangssignal betrachtet wird.
In einer zweiten Tabelleneinrichtung 6 ist eine Nachschlagetabelle mit Referenzwerten für die Amplitude AS des erkannten Tonsignals STON abgelegt. Jeder abgeschätzten erkannten oder bestimmten Frequenz FTON ist damit ein eindeutiger Amplitudenwert AS zugeordnet, welcher von der zweiten Tabelleneinrichtung 6 ausgegeben wird. Aus dieser abgeschätzten Amplitude AS wird durch Multiplizieren mit dem Absolutwert von Y1 mittels einer Multiplizierereinrichtung 7 die Amplitude A des zu detektierenden Tonsignals erzeugt.
Schließlich ist eine Nachverarbeitungseinrichtung 8 vorgesehen, welche als Eingangsgrößen die abgeschätzte Tonfrequenz FTON, die abgeschätzte Amplitude A und die Absolutwerte der beiden ausgewählten Fourier-Koeffizienten Y1 und Y2 zugeführt sind. In der Nachverarbeitungseinrichtung 8 wird eine Bewertung der Größen hinsichtlich der Anforderungen an die Genauigkeit für eine Tonerkennung übernommen, welche durch Spezifikationsvorgaben festgelegt ist. Die Nachverarbeitungsvorrichtung 8 kann beispielsweise entscheiden, dass eine Tonsig nalerkennung nicht möglich ist, da die Werte Y1 und Y2 einen zu geringen Rauschabstand aufweisen. Als Ergebnis gibt die Nachverarbeitungseinrichtung 8 dann ein Signal OUT aus, das signalisiert, dass eine Auswertung nicht möglich ist. Ein typischer Toleranzbereich für die Erkennung eines Tonsignals STON mit einer nominalen Tonfrequenz FTONn sind 1,5 % um die gesuchte Frequenz, sodass für ein abgeschätztes FTON zwischen 0,985·FTONn und 1,015·FTONn typischerweise die Nachverarbeitungseinrichtung 8 ein Signal OUT ausgibt, welches eine Tonerkennung signalisiert. Typischerweise wird ein Tonsignal nicht erkannt und entsprechend klassifiziert, wenn die abgeschätzte Frequenz FTON außerhalb eines Toleranzintervalls von 3,5 % liegt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel betrachtet, bei dem ein Tonsignal mit einer nominellen Tonfrequenz von FTONn = 852 Hz erkannt werden soll. Diese Frequenz tritt für die Tasten 7, 8, 9 und 10 bei DTMF-Verfahren auf. Die ausgewählten Fourier-Frequenzen werden bei F1 = 802 Hz und F2 = 902 Hz positioniert und die Abtastung geschieht mit einer Anzahl von N = 80 und einer Abtastfrequenz von FS = 8 KHz. Somit ergibt sich eine Zeitfensterlänge von einer Hundertstel Sekunde.
In den folgenden 5 und 6 sind Fehlerkurven für die abgeschätzte Frequenz und Amplitude des zu erkennenden Signals angegeben. Es wird eine Verrauschung gemäß Gleichung 2 mit einem Signalrauschabstand von 10 und 40 dB betrachtet. Dabei wird weißes Rauschen angenommen. Es ist eine analytisch bestimmbare Kurve der Referenzwerte ZREF für den Erkennungsparameter angenommen.
In der 5A ist der prozentuale Fehler einer erfindungsgemäß abgeschätzten Tonfrequenz FTON von der tatsächlich eingekoppelten oder nominellen Tonfrequenz FTONn dargestellt. Beispielsweise ergibt sich bei einer Tonfrequenz FTONn von 850 Hz eine erfindungsgemäß abgeschätzte Tonfrequenz FTON des zu erkennenden Signals, welche von der tatsächlichen um 0,5 abweicht. Der durch die erfindungsgemäße Abschätzung auftretende Bestimmungsfehler liegt in dem gesamten Bereich zwischen 750 und 950 Hz unterhalb von 2,5 %.
Um einen erkannten Signalton eine Frequenz FTON zuordnen zu können und als erkannt klassifiziert zu werden, muss die abgeschätzte Frequenz FTON innerhalb eines Toleranzbereichs von 1,5 % um die vorgegebene nominelle Tonfrequenz von FTONn = 852 Hz liegen. Dieser Toleranzbereich ist als gestrichpunktete Linie angegeben. Falls die erfindungsgemäß bestimmte oder abgeschätzte Tonsignalfrequenz FTON außerhalb eines Toleranzbereiches von 3,5 % um 852 Hz liegt, erfolgt eine Klassifizierung als nicht erkannt. Der entsprechende Bereich ist durch gepunktete Linien angedeutet. Zwischen Fehlern von 1,5% und 3,5% ist standardgemäß keine Entscheidung über das Vorliegen der gesuchten zu erkennenden Frequenz möglich. Der Bestimmungsfehler innerhalb des Bereiches von 2,5 % um 852 Hz, welcher hier mit E bezeichnet ist, liegt kleiner als 1 %.
In der 5B ist eine entsprechende Darstellung mit einem Signalrauschabstand von 40 dB angegeben. Im Falle der 5b ist der maximale Fehler, der in einem Bereich von 750 bis 950 Hz durch die erfindungsgemäße Abschätzung der Frequenz des zu erkennenden Tonsignals auftritt, kleiner als 0,07 %.
Die 6 zeigt eine ähnliche Darstellung für die abgeschätzten Amplituden A des erkannten Tonsignals in Abhängigkeit von der Frequenz eines Eingangssignals mit der vorgegebenen Tonfrequenz. Dabei wird die Amplitude wie in der 4 anhand einer Nachschlagetabelle abgeschätzt und mit dem Absolutwert von Y1 multipliziert. Die jeweiligen Fehler sind hier dB angegeben, wobei die tatsächliche oder nominelle Amplitude A = 1 (siehe Gleichung 2) gesetzt wurde. 1 dB entspricht hier etwa 12 % Fehler. Die 5 und 6 zeigen insbesondere, dass bei ausreichendem Signalrauschabstand eine Tonsignalerkennung mit hervorragender Güte möglich ist.
Die vorliegende Erfindung liefert also ein Verfahren und eine Tonerkennungsvorrichtung zum Erkennen eines Tonsignals, welches eine vorgegebene nominelle Tonfrequenz aufweist. Dabei erfolgt eine einfache Abschätzung der Frequenz des zu erkennenden Tonsignals durch eine modifizierte Fourier-Analyse, wobei lediglich zwei Fourier-Koeffizienten bestimmt werden müssen. Aus diesen komplexen Werten wird ein Erkennungsparameter Z gewonnen, der mit frequenzabhängigen Referenzwerten verglichen wird. Diesen Referenzwerten sind Frequenzen tabelliert bzw. zugeordnet. Die Abschätzung der Tonfrequenz erfolgt daher besonders aufwandsgünstig ohne umfangreichen Rechenaufwand.
Die Erkennungsrate kann ferner durch eine Fensterung mit geeigneten Gewichtungsfunktionen verbessert werden. Liegt die so bestimmte bzw. abgeschätzte Frequenz des zu erkennenden Tonsignals innerhalb eines Toleranzbereiches, der durch Spezifikationen vorgegeben ist, gibt eine entsprechende Verarbeitungseinrichtung ein Erkennungssignal aus.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern vielfältig modifizierbar. So können andere als die hier genannten Hann-Fensterfunktionen verwendet werden und die Fourier-Koeffizienten mittels geeigneter effizienter Algorithmen bestimmt werden. Der Erkennungsparameter ist nicht zwangsläufig von den jeweiligen Absolutwerten der ausgewählten Fourier-Koeffizienten abhängig, sondern kann auch andere Abhängigkeiten aufweisen, solange eine eindeutige Zuordnung der Referenztabelle möglich ist. Die Erfindung kann vorteilhafterweise fest verdrahtet oder in Form eines programmierten Signalprozessors ausgebildet werden. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführung als Computerimplementierung.

S1–S5: Verfahrensschritte
1: Tonerkennungsvorrichtung
2: Fenstereinrichtung
3: Einrichtung zur Fourier-Transformation
4: Vorverarbeitungseinrichtung
5: Tabelleneinrichtung
6: Tabelleneinrichtung
7: Multiplizierer
8: Nachverarbeitungseinrichtung
x[n]: Eingangssignalfolge
x'[n]: gewichtete Eingangssignalfolge
Y1, Y2: ausgewählte Fourier-Koeffizienten
Z: Erkennungsparameter
AS: Amplitudenabschätzung
A: Amplitude
OUT: Ausgangssignal
ZREF: Referenzwerte-Kurve
FTONn: nominelle Tonfrequenz
FTON: bestimmte Tonfrequenz

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Tonsignals (STON) mit einer vorgegebenen Tonfrequenz (FTONn) in einem Eingangssignal (SIN) mit den Schritten: a) Durchführen einer diskreten Fourier-Transformation an dem Eingangssignal (SIN) zum Erzeugen einer diskreten Fourier-Transformierten (X[k]); b) Bestimmen eines Erkennungsparameters (Z) für die Tonfrequenz (FTON) in Abhängigkeit von zwei ausgewählten Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) der diskreten Fourier-Transformierten (X[k]), wobei die beiden Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) derart ausgewählt werden, dass die Tonfrequenz (FTONn) zwischen den Fourier-Frequenzen (F1, F2) liegt, welche den beiden Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) zugeordnet sind; und c) Vergleichen des Erkennungsparameters (Z) mit Referenzwerten (ZREF) zum Bestimmen einer Frequenz (FTON) und zum Erkennen des Tonsignals (STON).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den beiden ausgewählten Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) zugeordneten Fourier-Frequenzen (F1, F2) benachbart sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Referenzwerten (ZREF) jeweilige Referenz-Frequenzen (ZFTON) zugeordnet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonfrequenz (FTONn) im Wesentlichen in der Mitte zwischen den beiden ausgewählten Fourier-Frequenzen (F1, F2) liegt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal (SIN) vor dem Durchführen der Fourier-Transformation mit einer Abtastfrequenz (FS) abgetastet wird, wobei die Abtastfrequenz (FS) mindestens doppelt so groß ist wie die Tonfrequenz (FTON).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Anzahl (N) von Abtastungen zum Bilden einer Eingangssignalfolge (x[n]) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangssignalfolge (x[n]) mit einer Fensterfunktion (w[n]) gewichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterfunktion einer Hamming-, Hann-, Bartlett-, Welch-, Blackman- oder Rechteck-Gewichtungsfunktion entspricht.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Erkennungsparameter (Z) von dem Verhältnis der Absolutwerte (|Y1|, |Y2|) der ausgewählten Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) abhängig ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) mittels eines Görtzel-Algorithmus berechnet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Frequenzen (ZFTON) als Polynomapproximation in Abhängigkeit von den Referenzwerten (ZREF) dargestellt werden und die Tonfrequenz durch Berechnen der Polynomapproximation mit dem Erkennungsparameter (Z) bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vergleichen der Tonfrequenz (FTON) des erkannten Tonsignals (STON) eine Amplitude (A) des Tonsignals (STON) durch Vergleichen mit Referenzamplitudenwerten für eine jeweilige Tonfrequenz (FTONn) bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tonsignal (STON) als erkannt klassifiziert wird, falls die bestimmte Tonfrequenz (FTON) und/oder Amplitude (A) des erkannten Tonsignals (STON) innerhalb eines jeweiligen Toleranzintervalls liegt.
Tonerkennungsvorrichtung (1) zum Erkennen eines Tonsignals (STON) mit einer vorgegebenen Tonfrequenz (FTONn) in einem Eingangssignal (SIN) mit: a) einer Einrichtung (3) zur Fourier-Transformation, welche das Eingangssignal (SIN) diskret Fourier transformiert; b) einer Vorverarbeitungseinrichtung (4), welche einen Erkennungsparameter (Z) für die Tonfrequenz (FTONn) in Abhängigkeit von zwei ausgewählten Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) der diskreten Fourier-Transformierten (X[k]) berechnet, wobei die beiden Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) derart ausgewählt werden, dass die Tonfrequenz (FTONn) zwischen den Fourier-Frequenzen (F1, F2) liegt, welche den beiden Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) zugeordnet sind; c) einer Tabelleneinrichtung (5) welche den Erkennungsparameter (Z) mit gespeicherten Referenzwerten (ZREF) vergleicht und abhängig von dem Vergleichsergebnis eine Frequenz (FTON) des Tonsignals (STON) bestimmt und das Tonsignal (STON) erkennt.
Tonerkennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tabelleneinrichtung (5) jedem Referenzwert (ZREF) eine jeweilige Referenz-Frequenz (ZFTON) zugeordnet ist.
Tonerkennungsvorrichtung (1) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die den beiden ausgewählten Fourier-Koeffizienten (Y1, Y2) zugeordneten Fourier-Frequenzen (F1, F2) benachbart sind.
Tonerkennungsvorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 14–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonerkennungsvorrichtung (1) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13 durchführt.
Tonerkennungsvorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 14–17, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Tabelleneinrichtung (6) vorgesehen ist, welche in Abhängigkeit von der Tonfrequenz (FTON) des erkannten Tonsignals (STON) durch Vergleichen mit tabellierten Referenzamplitudenwerten eine Amplitude (AS) des Tonsignals (STON) bestimmt.
Tonerkennungsvorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 14–18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fenstereinrichtung (2) vorgesehen ist, welche eine Eingangsfolge (x[n]) von Abtastwerten des Eingangssignals (SIN) einer Fensterung mit einer Fensterfunktion (w[n]) unterzieht.
Tonerkennungsvorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 14–19, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonerkennungsvorrichtung (1) als digitaler Signalprozessor ausgeführt ist.
Computerprogrammprodukt mit einem auf einem Speichermittel maschinenlesbar gespeicherten Computerprogramm, welches auf einem Computer die Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–13 veranlasst.