DE10330286B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Übertragen von Sprachsignalen über ein Datenübertragungsnetzwerk - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Analysieren von Signalen (14) in einer Vorrichtung zum bidirektionalen Umsetzen zwischen analogen Sprachsignalen einer Fernsprecheinrichtung und digitalen Sprachsignalen zur Übertragung über ein Datenübertragungsnetzwerk (2),
wobei ein innerhalb der Vorrichtung auftretendes Digitalsignal erfasst und Kenngrößen davon berechnet werden, welche die Amplitude und/oder den zeitlichen Verlauf des erfassten Digitalsignals kennzeichnen, und
wobei die Kenngrößen von der Vorrichtung über das Datenübertragungsnetzwerk (2) ausgesendet werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erfasste Digitalsignal vor der Berechnung der Kenngrößen in Abhängigkeit von vorgebbaren Bearbeitungsregeln verarbeitet und dabei betreffend die Amplitude und/oder den zeitlichen Verlauf verändert wird, wobei die Verarbeitung des erfassten Digitalsignals wahlweise das Quadrieren des Digitalsignals oder das Bilden des Betrags des Digitalsignals umfasst.

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Übertragen von Sprachsignalen über ein Datenübertragungsnetzwerk
• Die folgende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von Signalen in einer Vorrichtung zum bidirektionalen Umsetzen zwischen analogen Sprachsignalen einer Fernsprecheinrichtung und digitalen Sprachsignalen zur Übertragung über ein Datenübertragungsnetzwerk, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Vorrichtung.
• Es sind Vorrichtungen bekannt, mit denen Telefonie- oder Fernkopiersignale über ein Datenübertragungsnetzwerk übertragen werden können. Diese Vorrichtungen sind zwischen das Datenübertragungsnetzwerk und einer Fernsprecheinrichtung bzw. einer Fernkopiereinrichtung eingeschleift und setzen analoge Signale der Fernsprecheinrichtung zu digitalen Signalen zur Übertragung über das Datenübertragungsnetzwerk und umgekehrt digitale Signale aus dem Datenübertragungsnetzwerk zu Analogsignalen zur Ausgabe mittels der Fernsprecheinrichtung um. Entsprechendes gilt für Fernkopiersignale.
• Derartige Umsetzeinrichtungen verfügen daher notwendigerweise über Einrichtungen zur Digital-Analog-Wandlung bzw. Analog-Digital-Wandlung. Weiterhin sind derartige Umsetzeinrichtungen in der Regel dezentral angeordnet, da an sie die Telefone angeschlossen werden müssen, die in aller Regel sich an zahlreichen verteilten Stellen befinden. Zur Analyse der Funktionsweise der Umsetzeinrichtungen ist es daher vorteilhaft, wenn innerhalb der Vorrichtung auftretende Signale mit möglichst geringem Aufwand analysiert werden können.
• Aus der JP 630 37 751 A ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruches 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruches 10 bekannt. Diese Druckschrift offenbart eine Teilnehmeranschlussschaltung mit einem A/D-Wandler und einem D/A-Wandler zur bidirektionalen Umsetzung zwischen analogen Sprachsignalen einer Fernsprecheinrichtung und digitalen Sprachsignalen zur Übertragung über ein Datenübertragungsnetzwerk. Die Teilnehmeranschlussschaltung weist eine Auswerteschaltung auf, welche überprüft, ob über den A/D-Wandler bzw. den D/A-Wandler ein Signal bestimmter Frequenz oder bestimmter Amplitude übertragen wird. Die von der Auswerte- schaltung ermittelten Kenngrößen werden über eine Überwachungsschaltung über das Datenübertragungsnetzwerk gesendet.
• Darüber hinaus offenbart die DE 693 28 389 T2 eine Vorrichtung zum Messen des Signalpegels auf einem Übertragungsweg, wobei zur Beurteilung der Qualität der jeweiligen Übertragungsverbindung Abtastwerte eines digitalen Sprachsignals von einem digitalen Signalprozessor ausgewertet werden. Der digitale Signalprozessor berechnet den Absolutwert des durch den empfangenen Abtastwert dargestellten Spannungspegels und addiert das Ergebnis zu einer Laufsumme, von der anschließend der Mittelwert gebildet wird. Der durch diesen Mittelwert dargestellte mittlere Spannungspegel wird schließlich zur Beurteilung der Übertragungsqualität ausgewertet.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung in der eingangs genannten Art zu schaffen, wobei in der Vorrichtung anfallende Digitalsignale mit möglichst geringem Aufwand erfasst und analysiert werden können.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
• Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung mit einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgerüstet, die innerhalb der Vorrichtung Digitalsignale erfassen und Kenngrößen davon berechnen kann, wobei die berechneten Kenngrößen über das Datenübertragungsnetzwerk ausgesendet werden können. Dies besitzt den Vorteil, dass per Ferndiagnose Signale in dezentral angeordneten Schnittstellen zwischen analogen Fernsprecheinrichtungen und dem Datenübertragungsnetzwerk überwacht werden können. Da in den Schnittstellen ohnehin Analog-Digital-Wandler enthalten sind, liegen nahezu alle Signale auch in digitaler Form vor, so dass durch Auswertung der Digitalsignale die Vorrichtung nahezu vollständig überwacht werden kann.
• Die erfindungsgemäße digitale Datenverarbeitungseinrichtung ist derart eingerichtet, dass sie das jeweils erfasste Digitalsignal vor der Berechnung der Kenngrößen in Abhängigkeit von vorgebbaren Bearbeitungsregeln bearbeitet und betreffend die Amplitude und/oder den zeitlichen Verlauf verändert, wobei die digitale Verarbeitungseinrichtung hierzu einen Quadrierer, einen Betragsbilder und einen Umschalter umfasst, wobei über den Umschalter zwischen einem Quadrieren des Digitalsignals mit Hilfe des Quadrierers und einem Bilden des Betrags des Digitalsignals mit Hilfe des Betragsbilders umgeschaltet werden kann.
• Vorzugsweise wird als Datenverarbeitungseinrichtung ein Prozessor oder ein Signalprozessor verwendet, der ohnehin zur Signalverarbeitung in der Vorrichtung enthalten ist. In diesem Fall muss nur eine zusätzliche Programmierung vorgesehen sein, um den Prozessor dazu zu veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Dabei kann der Prozessor die Analyse des Digitalsignals während des laufenden Betriebs durchführen oder aber in speziellen Phasen, in denen er insbesondere weniger Rechenleistung für andere Aufgaben zur Verfügung stellen muss. In letzterem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in Vorrichtungen durchgeführt werden, in denen eine vorhandene Datenverarbeitungseinrichtung bereits durch die laufenden Anforderung voll ausgelastet ist.
• Die Analyse von Signalen innerhalb der Vorrichtung kann dabei von außen angestoßen werden, indem insbesondere über das Datenübertragungsnetzwerk entsprechende Befehle an die Vorrichtung gesendet werden. Darüber hinaus kann die Vorrichtung aber auch so eingerichtet sein, dass sie in regelmäßigen Abständen, zu festgelegten Zeitpunkten oder beim Eintreffen bestimmter Bedingungen, die Analyse der Signale selbständig durchführt und die Ergebnisse der Analyse bzw. die ermittelten Kenngrößen über das Datenübertragungsnetzwerk aussendet.
• Die analysierten Signale können grundsätzlich alle Digitalsignale sein, die in der Vorrichtung auftreten. Insbesondere werden die Signale innerhalb der Vorrichtung erfasst und analysiert, die die zu übertragenen Sprachdaten tragen. Weiterhin können Signale analysiert werden, die im Zusammenhang mit der Übertragung stehen, aber die Sprachsignale nicht selbst tragen, wie beispielsweise Signale zur Echokompensation.
• Die ermittelten Kenngrößen können beispielsweise der Aussteuerbereich, das Rauschen oder der Signalrauschabstand sein. Ferner können auch Spektralanteile in verschiedenen Frequenzbereichen ermittelt werden.
• Zur Ermittlung der Kenngrößen können die üblichen Verfahren der Signalverarbeitung bzw. -analyse, wie beispielsweise zur Spektralanalyse verwendet werden.
• Vorteilhafterweise jedoch wird als Kenngröße zur Beschreibung des ermittelten Digitalsignals ein einzelner Wert verwendet, der auf einfachere Weise gewonnen worden ist. Dazu kann ein Integrierer verwendet werden, der über eine gewisse Zeitdauer integriert und dessen Endergebnis als Kenngröße verwendet wird. Weiterhin kann auch der Mittelwert über mehrere insbesondere zeitlich aufeinanderfolgende Werte des Digitalsignals verwendet werden. Denkbar ist auch die Verwendung eines Spitzenwerts. Die Verwendung eines Integrierers besitzt den Vorteil, dass auch sehr geringe Signale analysiert werden können, da die einzelnen Werte durch die Integration aufsummiert werden. In jedem Fall kann die Integrationszeit erhöht werden, um ein höheres Endergebnis zu erzielen.
• Um die beispielsweise durch Integration ermittelte Kenngröße bestimmten Eigenschaften des analysierten Digitalsignals zuordnen zu können, kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das analysierte Signal vor der Integration auf definierte Art und Weise verarbeitet wird. Die Verarbeitung erfolgt dabei gemäß festgelegter Verarbeitungsregeln, die beispielsweise eine digitale Filterung und/oder eine Verstärkung umfassen können. Dabei kann die Verarbeitung auch die Bildung des Quadrats oder die Betragsbildung umfassen. Auf diese Wiese können durch geeignete Einstellung der Verarbeitungsregeln und anschließende Integration Kenngrößen ermittelt werden, die verschiedene Eigenschaften des analysierten Digitalsignals kennzeichnen.
• Die Betragsbildung entspricht grundsätzlich einer Vollweggleichrichtung, so dass durch die anschließende Integration ein Mittelwert gebildet werden kann. Wenn das Signal vor der Integration quadriert wird, kann auf diese Weise der Effektivwert berechnet werden. Daneben kann auch das Digitalsignal ohne Betragsbildung oder Quadrierung integriert werden, wobei auf diese Weise Gleichanteile im Digitalsignal erfassbar sind. Durch eine ggf. angewendete vorherige Verstärkung können auch kleine Digitalsignale mit ausreichender Genauigkeit bzw. Auflösung analysiert werden. Dabei kann ein Verstärker mit einstellbarer Verstärkung verwendet werden oder es kann ein Verstärker mit fester Verstärkung verwendet werden, der mittels eines Umschalters umgangen werden kann, so dass zwei verschiedene Verstärkungen einstellbar sind, nämlich 1 und die feste Verstärkung des Verstärkers.
• Ein wesentliches Werkzeug zur Analyse bildet auch das einstellbare Filter, mit dem die Analyse gezielt in verschiedenen Frequenzbereichen durchgeführt werden kann. Dabei kann beispielsweise die Funktion eines Bandpasses eingestellt werden, so dass beispielsweise der Effektivwert oder der Mittelwert in einem bestimmten Frequenzbereich ermittelt werden kann. Dieser Bandpass kann durchgestimmt werden, so dass die Signalanteile in verschiedenen Frequenzbereichen ermittelbar sind, so dass mit geringem Aufwand letztendlich eine Spektralanalyse möglich ist.
• Durch das vorgenannte Verfahren können die Kenngrößen mit einem sehr geringen Rechenaufwand berechnet werden. Die Art der berechneten Kenngrößen wird zwar durch die verwendeten Verarbeitungsregeln eingeschränkt, jedoch sind in der Praxis ohnehin nur ausgewählte Kenngrößen von Interesse. Die einstellba ren Verarbeitungsregeln müssen dabei so ausgewählt werden, dass die interessierenden Kenngrößen berechnet werden können.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
• 1 zeigt den Aufbau einer Schaltungsanordnung zum Ankoppeln eines analogen Telefons an eine Datenübertragungsleitung, und
• 2 zeigt den schematischen Aufbau einer Einrichtung zum Analysieren von Digitalsignalen innerhalb der Vorrichtung gemäß 1.
• Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung dient zum Anschließen eines Analog-Telefons an eine Datenübertragungsleitung 2. Der damit bereitgestellte Dienst wird auch als Voice Over IP bezeichnet, wenn die Telefoniedaten über das Datenübertragungsnetzwerk 2 nach dem IP-Protokoll übertragen werden. In der in 1 dargestellten Vorrichtung treten oben von links nach rechts ein Sendepfad und darunter von rechts nach links ein Empfangspfad auf. Im Sendepfad oben befindet sich am Eingang ein Tiefpass 3, an das sich ein Analog-Digital-Wandler 4 anschließt. An den Analog-Digital-Wandler 4 schließt sich ein digitaler Sendeverstärker 5 mit einem nachgeschalteten Filter 6 an. Der Ausgang des Filters 6 ist mit der Datenübertragungsleitung 2 verbunden, die Teil eines Da- tenübertragungsnetzwerks ist. In 1 ist der Analogteil vom Digitalteil durch eine Strichpunktlinie getrennt.
• Bei dem Empfangspfad schließt sich an die Datenübertragungsleitung 2 ein Filter 10 mit einem nachgeschalteten Verstärker 9 an. Der Ausgang des Verstärkers 9 führt zu einem Digital-Analog-Wandler 8, an den sich ein Tiefpass 7 anschließt, welches zum Analog-Telefon führt.
• Weiterhin sind zwei Impedanzanpasser 11, 12 vorgesehen, die die Impedanz auf der Eingangsseite und auf der Ausgangsseite so einstellen, dass der zum Telefon übertragene Signalanteil bzw. der vom Telefon empfangene Signalanteil maximal wird.
• Weiterhin ist ein Filter 13 vorgesehen, welches vom Empfangspfad zum Sendepfad führt.
• Die vorliegende Erfindung ist in dem Pegelmesser 1 implementiert, der sowohl mit der Datenübertragungsleitung 2 als auch mit den Teilen des Empfangspfads bzw. des Sendepfads verbunden ist, die sich direkt an die Datenübertragungsleitung 2 anschließen. Weiterhin sind zusätzliche Verbindungen zu anderen Knotenpunkten auf der Digitalseite der in 1 dargestellten Schaltung vorgesehen, die allerdings nicht dargestellt sind. Diese nicht dargestellten Leitungen dienen dazu, innerhalb der Schaltung auftretende Digitalsignale mittels des Pegelmessers 1 zu analysieren.
• Der Pegelmesser 1 stellt einen Funktionsblock digital implementierter Funktionen dar, die entweder in einer eigenen Datenverarbeitungseinrichtung bzw. einem eigenen Prozessor oder auch in einem Prozessor implementiert sein können, der für andere Aufgaben verwendet wird, wie es beispielsweise die digitalen Filter 6 und 10 sein können.
• In 2 sind die zum Pegelmesser 1 gehörenden Funktionsblöcke schematisch dargestellt. Die zu analysierenden Digitalsignale sind mit der Bezugsziffer 14 versehen und stellen verschiedene innerhalb der Schaltung auftretende Signale dar, die mittels der vorliegenden Erfindung analysiert werden sollen. Aus den Signalen 14 wird mittels eines Multiplexers 15 ein zu analysierendes Signal ausgewählt und zu einem einstellbaren digitalen Filter 16 geleitet. Am Ausgang des Filters 16 schließt sich ein Verstärker 17 mit programmierbarer Verstärkung an. Am Ausgang des Verstärkers 17 ist ein Umschalter 18 angeschlossen, der entweder das Ausgangssignal des Verstärkers 17 oder das Eingangssignal des Verstärkers 17 weiterleiten kann. Auf diese Weise kann mittels des Umschalters 18 der Verstärker 17 überbrückt werden bzw. die Verstärkung zwischen 1 und 64 umgeschaltet werden.
• Das Ausgangssignal des Umschalters 18 wird auf drei Wege verzweigt. Der eine Weg führt direkt zu einem Umschalter 21, der zweite Weg über einen Quadrierer 20 zum Umschalter 21 und der dritte Weg über einen Betragsbildner 19 zum Umschalter 21. Mit Hilfe des Umschalters 21 kann somit das zu analysierende Signal ohne weitere Veränderung, der Betrag des zu analysierenden Signals oder das Quadrat des zu analysierenden Signals ausgewählt und weitergeleitet werden. Das ausgewählte Signal führt weiter zu einem Integrierer 22, an den sich ein Umschalter 23 anschließt, mit dem der Integrierer 22 überbrückt werden kann. Der Umschalter 23 ist schließlich mit der Messwerterfassung 24 verbunden, in der das Endergebnis anliegt und ausgelesen werden kann.
• Mit der in 2 dargestellten Einrichtung sind verschiedene Messungen möglich. Zunächst können durch geeignete Pro grammierung des Filters 16 verschiedene Frequenzbereiche ausgewählt werden, in denen die Kenngrößen ermittelt werden sollen. Ferner kann die Verstärkung mittels des Umschalters 18 so eingestellt werden, dass sich für die Messung ein optimaler Wertebereich ergibt. Für die Messung des Effektivwerts wird der Umschalter 21 so eingestellt, dass das Signal in quadrierter Form weitergeleitet wird. Das quadrierte Signal wird über eine bestimmte Zeitdauer integriert, um den Effektivwert des Signals zu berechnen. Das Messergebnis stellt dabei das integrierte Quadrat des Signals dar, so dass noch die Wurzel gezogen werden muss. Dabei muss auch berücksichtigt werden, über welche Zeitdauer integriert worden ist und wie viel Messwerte des zeitdiskreten Digitalsignals in dieser Integrationszeit aufgetreten sind.
• Ebenso kann der Betragsbildner 19 verwendet werden, mit dem der Effektivwert allerdings nur bei bekannter Kurvenform berechnet werden kann. Für den Fall eines sinusförmigen Signals muss der mittels des Betragsbildners 19 gemessene Mittelwert noch mit π multipliziert und durch 2 × √2 geteilt werden, um zum Effektivwert zu gelangen. Bei Vergleich der Ergebnisse bei Verwendung des Quadrierers 20 bzw. bei Verwendung des Betragsbildners 19 können auch Rückschlüsse auf die Kurvenform gezogen werden bzw. inwieweit das analysierte Signal von der Sinusform abweicht.
• Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung können nun sowohl sinusförmige als auch nicht sinusförmige Signale erfasst werden. Weiterhin können auch Signale mit einer sehr geringen Amplitude analysiert werden. Vorteilhafterweise wird der zuschaltbare Verstärker 17 nur verwendet, wenn das Ausgangssignal des Quadrierers 20 herangezogen wird. Mit Hilfe des programmier baren Filters 16 kann eine beliebige Filterform ausgewählt werden. Weiterhin können mit der vorliegenden Erfindung grundsätzlich auch Gleichanteile bzw. Gleichspannungen gemessen werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Analysieren von Signalen (14) in einer Vorrichtung zum bidirektionalen Umsetzen zwischen analogen Sprachsignalen einer Fernsprecheinrichtung und digitalen Sprachsignalen zur Übertragung über ein Datenübertragungsnetzwerk (2), wobei ein innerhalb der Vorrichtung auftretendes Digitalsignal erfasst und Kenngrößen davon berechnet werden, welche die Amplitude und/oder den zeitlichen Verlauf des erfassten Digitalsignals kennzeichnen, und wobei die Kenngrößen von der Vorrichtung über das Datenübertragungsnetzwerk (2) ausgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das erfasste Digitalsignal vor der Berechnung der Kenngrößen in Abhängigkeit von vorgebbaren Bearbeitungsregeln verarbeitet und dabei betreffend die Amplitude und/oder den zeitlichen Verlauf verändert wird, wobei die Verarbeitung des erfassten Digitalsignals wahlweise das Quadrieren des Digitalsignals oder das Bilden des Betrags des Digitalsignals umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erfasste Digitalsignal mittels eines Multiplexers (15) ausgewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Bearbeitungsregeln der Vorrichtung über das Datenübertragungsnetzwerk (2) zugeführt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung des erfassten Digitalsignals (14) die Filterung mit einem einstellbaren Filter (16) umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das einstellbare Filter (16) ein programmierbarer Bandpass oder ein programmierbares Kerbfilter ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung des erfassten Digitalsignals das Verstärken mittels eines einstellbaren Verstärkers (17) umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verarbeiten des erfassten Digitalsignals das zeitliche Integrieren umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngrößen des erfassten Digitalsignals durch digitale Spektralanalyse gewonnen werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngrößen des erfassten Digitalsignals das Rauschen, den Signalrauschabstand oder die Dynamik des Digitalsignals beschreiben.
10. Vorrichtung zum bidirektionalen Umsetzen zwischen analogen Sprachsignalen einer Fernsprecheinrichtung und digitalen Sprachsignalen zu Übertragung über eine Datenübertragungsnetzwerk (2), wobei die Vorrichtung eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung (1) aufweist, welche derart eingerichtet ist, dass sie ein innerhalb der Vorrichtung auftretendes Digitalsignal erfasst und Kenngrößen davon berechnet, welche die Amplitude und/oder den zeitlichen Verlauf des erfassten Digitalsignals kennzeichnet, und wobei die Vorrichtung derart eingerichtet ist, dass sie die Kenngrößen über das Datenübertragungsnetzwerk (2) aussendet, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Datenverarbeitungseinrichtung (1) derart eingerichtet ist, dass sie das erfasste Digitalsignal vor der Berechnung der Kenngrößen in Abhängigkeit von vorgebbaren Bearbeitungsregeln bearbeitet und betreffend die Amplitude und/oder den zeitlichen Verlauf verändert, wobei die digitale Datenverarbeitungseinrichtung (1) zur Verarbeitung des erfassten Digitalsignals einen Quadrierer (20), einen Betragsbilder (19) und einen Umschalter (21) umfasst, wobei über den Umschalter (21) zwischen einem Quadrieren des Digitalsignals mit Hilfe des Quadrierers (20) oder einem Bilden des Betrags des Digitalsignals mit Hilfe des Betragsbilders (19) umgeschaltet werden kann.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.