DE2723570B2

DE2723570B2 - Signalempfänger

Info

Publication number: DE2723570B2
Application number: DE19772723570
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. 7900 Ulm Portscht; Rudolf Dr.-Ing. 7340 Geislingen Schehrer; Joachim Prof. Dr.Techn. 7900 Ulm Swoboda
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1977-05-25
Filing date: 1977-05-25
Publication date: 1980-01-03
Also published as: DE2723570A1; DE2723570C3

Description

erfordern, möglichst wenig Platz einnehmen, ohne Abgleichmaßnahmen herstellbar und durch preiswerte Standardbausteir.e in GroBintegrationstechnik realisierbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Signalempfänger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die empfangenen analogen Signale abtastet und analog-digital wandelt, daß an die Einrichtung ein Mikrorechner angeschlossen ist, welcher die digitalen Signale programmgesteuert nach dem an sich bekannten Quadratur-Korrelationsverfahren verarbeitet, indem er die abgetasteten und digital codierten Signale mit gespeicherten Abtastwerten von Refereiu-schwingungen

cos(/ - ω« - At)\indsin(i ·

At)

multipliziert und anschließend getrennt aufsummiert, daß die jeweiligen Summen quadriert und addiert werden, daß die Anzahl der Abtastwerte über die die jeweilige Summe gebildet wird, entsprechend der Bandbreite der zugeordneten Selektionsfunktion (Übertragungsfunktion) für alle Referenzschwingungen unterschiedlich gewählt ist, daß das Ergebnis der Addition bei Mehrfrequenzcode-Signalen (MFV-Signalen) mit den Ergebnissen der gleichartigen Verarbeitung der anderen Referenzschwingungen verglichen wird und daß die vom Mikrorechner ermittelten Signale vorgegebener Frequenz von einer weiteren Einrichtung ausgewertet werden.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es nunmehr möglich, ohne Gruppenfilter, die bisher vielfach mit diskreten Bauelementen, wie Spulen, Übertragern und Kondensatoren realisiert wurden, auszukommen. Ebenso können eine große Anzahl externer Bauelemente und spezielle Schaltkreise und somit umfangreiche Verdrahtungsarbeiten vermieden werden. Die gesamte Wahlziffernauswertung ist lediglich auf einen Analog/Digital-Wandler und 2Üien Mikrorechner, also auf Standardbausteine in GroBintegrationstechnik, beschränkt Dadurch kann der erfindungsgemäße Signalempfänger mit sehr wenig Aufwand und Platzbedarf realisiert werden.

Die Anpassung des Signalempfängers an die verschiedenen Aufgaben kann über genormte Schnittstellen erfolgen, die bei einer Rechnerlösung sehr einfach zu verwirklichen sind. Dabei ist es von Vorteil, daß die vom Rechner ermittelten Wahlzeichen von diesem in einer für die Weiterverarbeitung geeigneten Form ausgegeben werden können.

Der Algorithmus des »Korrelationsempfängers nach dem Quadraturverfahren« ist ein integrales Verfahren. Die Beobachtung und Auswertung der empfangenen Signale erfolgt über einen längeren Zeitraum. Dadurch werden kurzzeitige Störimpulse oder rauschähnliche Störsignale, die dem Nutzsignal überlagert sein kennen, durch die Selektion der Filterkurven und durch die Mittelwertbildung weitgehend eliminiert

Die verschiedenen Filter können im Rechner durch Zeitmultiplex-Verarbeitung als Programmstücke realisiert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Signalempfänger kann mit Vorteil sowohl zur Auswertung einzelner sinusförmiger Signale vorgegebener Frequenz wie z. B. Hörtöne oder Steuertöne aber auch zur Auswertung von Mehrfrequenzcode-Signalen, insbesondere für tonirequente Tastwahl nach CCITT-Empfehlung Q23 (2 χ 11 aus 4 Code) verwendet werden.

Für schnelle Rechner kann die oft verfügbare

Abtastfrequenz von 8 kHz für die Analog/Digital-Wandlung verwendet werden.

Die Referenzschwingungen können als Abtastwerte oder in besonders vorteilhafter Weise als Vorzeichenbiti, in Festwertspeichern eingeschrieben und bei der Erzeugung der Referenzschwingungen von dort ausgelesen werden. Dadurch werden aufwendige Multiplikationen zu einfachen Umpolfunktionen und falls ein Mikrorechner mit einer Wortbreite von π bit verwendet

ίο wird, können π Referenzschwingungen gleichzeitig verarbeitet werden.

Eine Vorverarbeitung der empfangenen Signale, ein erweiterter Sprachschutz, die gesamte Decodierschaltung und die Codeanpassung, sowie die zeitliche

Überwachung und Ablaufsteuerung können sehr flexibel als Programmsteuerung im Rechner ausgeführt werden.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 Blockschaltbild eines Signalempfängers,

Fig.2 normierte Übertragungsfunktion über der Frequenz für zwei benachbarte Signale vorgegebener Frequenz, F i g. 3 zeitlicher Verlauf eines Mehrfrequenzcode-Si gnals und Umpolvorgang bei Korrelation.

In F i g. 1 ist das Blockschaltbild des Signalempfängers gemäß der Erfindung dargestellt Er besteht aus einem Analog/Digital-Wandler 1 und einem Mikrorechner 2. Der Mikrorechner enthält einen quarzgesteuerten Taktgenerator 3, einen zentralen Prozessor 4, einen Festwertspeicher 5 für das Programm und für feste Daten, einen Schreib-Lese-Speicher 6 mit freiem Zugriff und einige Ein- und Ausgabetore 7, 8 und 9. Die Anordnung in F i g. 1 zeigt nur die notwendigen Funktionsblöcke, die miteinander durch einen Bus 10, der aus vielen Daten-, Adreß- und Steuerleitungen bestehen kann, miteinander verbunden sind Selbstverständlich ist es auch denkbar, daß alle gezeichneten Funktionsblöcke auf einem einzigen Halbleiterchip integriert sind. Aber auch jede andere Kombination der Funktionsblöcke und der Gestaltung des Systembusses sind möglich.

Zur Erzeugung des Taktes für die Abtastwerte kann in einfacher Weise ein externer, in der übergeordneten Fernmeldeanlage vorhandener Takt (z.B. 8kHz) verwendet werden, oder der Takt kann aus dem Taktgenerator 3 des Mikrorechners abgeleitet werden. Dazu notwendige Frequenzteiler, Phasenschieber oder Pegelanpassungsglieder sind nicht gezeichnet und

so können entsprechend dem Stand der Technik Funktionskomponenten des Taktgenerators 3 sein.

Eine andere Möglichkeit der Erzeugung der Abtastzeitpunkte besteht im Einsatz eines TIMERs und in der Interrupt-Steuerung des Mikrorechners. Die in Fig. 1 skizzierte Lösung kommt aber ohne zusätzliche

Hardware aus und ist auch zeitlich im Programmablauf

besonders günstig. Aus diesem Grund wird diese

Realisierung bevorzugt Nach Ablauf der Zeit die zwischen zwei Abtastzeit-

punkten vergeht setzt der Taktgenerator 3 den logischen Pegel auf der Taktleitung ζ von logisch »0« auf »1«. Der Mikrorechner fragt über eine Programmschleife das Eingabetor 8 ab, welcher logische Wert auf der Taktleitung ζ anliegt Sobald z-1 ist, wird vom Eingabetor 7 der vom Analog/Digital-Wandler 1 bereits gewandelte Abtastwert in den Mikrorechner eingelesen und verarbeitet Nach einer fest vorgeschriebenen Zeit setzt der Taktgenerator 3 den logischen Pegel der

Taktleitung ζ zurück auf den Wert »0«.

Mit dem in F i g. 1 dargestellten Signalempfänger lassen sich nun, wie im folgenden näher erläutert wird, ohne weiteren Aufwand sowohl einzelne sinusförmige Signale vorgegebener Frequenz, wie z. B. Hörtöne oder Steuersignale in Fernmelde- oder Datenverarbeitungsanlagen, als auch mehrere sinusförmige Signale vorgegebener Frequenz, wie z. B. Mehrfrequenzcode-Signale oder tonfrequenten Tastenwahl, insbesondere Mehrfrequenzcodezeichen nach der CCITT-Empfehlung Q23 erkennen und auswerten. Diese Mehrfrequenzcode-Signale nach der CCITT-Empfehlung bestehen aus jeweils zwei Frequenzen, von denen die eine Frequenz vier vorgegebenen Frequenzen einer unter 1 kHz liegenden Frequenzgruppe, die andere Frequenz vier vorgegebenen Frequenzen einer oberhalb von 1 kHz liegenden Frequenzgruppe angehört Ein Code, der je eine Frequenz aus zwei jeweils aus vier Frequenzen bestehenden Frequenzgruppe verwendet, wird auch mit »2 χ (1 aus 4)-Code« bezeichnet

Im folgenden wird die Funktionsweise des Signalempfängers für den etwas aufwendigeren Fall der Erkennung und Auswertung von Mehrfrequenzcode-Wahlsignalen näher beschrieben.

Das Mehrfrequenzcode-Wahlsignal u (t) in F i g. 1 wird ohne vorherige Gruppentrennung beispielsweise mit einer Abtastfrequenz /4 = 8 kHz abgetastet und digital codiert Da den Mehrfrequenzcode-Wahlsignalen Störungen im gesamten Sprachband überlagert sein können, ist es zweckmäßig, die Abtastfrequenz so hoch zu wählen, daß keine Spiegelfrequenzen auftreten. Deshalb wird hier vorgeschlagen, die zur Sprachübertragung in Zeitvielfach-Übertragungsanlagen und Zeitvielfach-Vermittlungsanlagen eingeführte Abtastfrequenz Λ=8 kHz zu verwenden. Dabei werden die Wahlsignale zwar überabgetastet, doch wird die Rechengenauigkeit beim Summieren der Abtastwerte erhöht

Sollte jedoch der verwendete Mikrorechner für die nachfolgend beschriebene Verarbeitung der Abtastwerte zu langsam sein, so daß er nicht in der Lage ist alle zu prüfenden Signale vorgegebener Frequenz auszuwerten, so ist je nach verfügbarer Verarbeitungsgeschwindigkeit eine entsprechend langsamere Abtastfrequenz zu wählen.

Die folgende Tabelle zeigt die Zuordnung der Signalfrequenzen zu den Wahlzeichen bei Mehrfrequenzcode nach CCITT. Die Tastatur eines Fernsprech-Teilnehmerapparates umfaßt nur die Ziffern 0 bis 9 und die Zeichen * und #.

	1209Hz	1336Hz	1477 Hz	1633Hz
697Hz	1	2	3	A
770Hz	4	5	δ	B
852Hz	7	8	9	C
941 Hz	*	0	#	D

Da, wie der Tabelle entnommen werden kann, die höchste Frequenz der oberen Frequenzgruppe im Falle der Mehrfrequenzcode-Tastenwahl bei Fernsprech-Teilnehmerapparaten 1477 Hz ist, kann als niedrigste Abtastfrequenz nach dem Abtasttheorem der doppelte Wert der auszuwertenden Frequenz, also 2 χ 1477 Hz-2954 Hz gewählt werdea Je nach Verarbeitungsgeschwindigkeit des Mikrorechners ist es daher zweckmäßig, eine Abtastfrequenz zwischen etwa 3 kHz und 8 kHz zu wählen. Etwa auftretende Störungen der Auswertung durch bei der niedrigen Abtastfrequenz in den Auswertebereich hineinfallende Spiegelfrequenzen lassen sich durch einen vor dem Analog/Digital-Wandler 1 geschalteten Tiefpaß vermeiden. Im folgenden wird angenommen, daß die Rechengeschwindigkeit des verwendeten Mikrorechners ausreicht, um die mit einer Abtastfrequenz von 8 kHz anfallenden Abtastwerte zu verarbeiten. Die Zeit zwischen dem Einlesen zweier Abtastwerte beträgt dann At= 125 ps.

Nach dem Abtasten und der Analog/Digital-Wandlung der Eingangssignale u (t) folgt die Verarbeitung im Mikrorechner. Die digitalen Signale werden im Mikrorechner programmgesteuert nach dem an sich bekannten Quadratur-Korrelations-Verfahren verarbeitet Hierzu werden die digitalen Signale mit gespeicherten Abtastwerten der Referenzschwingungen coscusf und sinw/ji multipliziert und getrennt aufsummiert Nach einer vorgegebenen Meßzeit werden die Quadrate der beiden Produktsummen gebildet und addiert Das Ergebnis dieser Addition wird mit dem Ergebnis der gleichartigen Verarbeitung der anderen Referenzschwingungen (R=X, 2 ... 8) verglichen. Im Falle, daß nur sieben Frequenzen ausgewertet werden, istÄ«=l,2...7.

Wird bei der jeweiligen Auswertung ein vorgegebener Wert überschritten, ist dies ein Zeichen dafür, daß im empfangenen analogen Signal eine Teilschwingung vorhanden war, deren Frequenz mit der Frequenz der zugeordneten Referenzschwingung übereinstimmte und daß somit ein Signal vorgegebener Frequenz erkannt wurde.

Um eine optimale Frequenzselektion zu erhalten, wird, wie später näher erläutert, für jede Referenzschwingung eine unterschiedliche Anzahl von Abtastwerten Nr (R= \, 2 ... 8) entsprechend einer Auswertezeit Tr=Nr · At vorgegeben. Es werden also folgende Operationen ausgeführt

Σ»<

U_c = -η^— X M (/ · .1 t) - COS (ί · (O_R At)

^υ· = 777 Σ «(' · ¹0 ·^sin(i' "^>R ' ' ^t] ^{(1 b)}

mit R = 1,2, ...,8.

Darin bedeuten:

Nr Zahl der Abtastwerte, über die summiert wird,

i Laufvariable,

At= 1/^iZeit zwischen dem Einlesen zweier Abtastwerte

u(i ■ At) Abtastwerte des Mehrfrequenzcode-Wahlsignals

(uR/2n Referenzfrequenz.

Die in den Gleichungen la und Ib angegebenen Operationen sollten im Mikrorechner möglichst sofort nach dem Einlesen ohne lingere Zwischenspeicherung ablaufen. Es ist also anzustreben, daß der Mikrorechner in der Zeit zwischen zwei Abtastwerten (Δ r—125 us) die genannten Schritte für alle 8 bzw. 7 Referenzschwingun gen im Zeitvielfach ausführt Hierbei ist jedoch die Multiplikation eine zeitlich zu aufwendige Operation, die aus vielen Mikroprogrammschritten, wie z.B.

Schieben, Addieren, Vergleichen, besteht. Daher ist es vorteilhaft, in einem Signalempfänger gemäß der Erfindung die Multiplikation mit den Sinus- und Cosinusschwingungen in Gl. (la) und Gl. (Ib) durch eine Multiplikation mit den phasengleichen Rechteckfunktionen zu ersetzen. Dabei werden die Rechteckfunktionen durch eine Folge von Abtastwerten beschrieben, die nur aus einem Bit, dem Funktionswert +1 oder —1, bestehen. Damit läßt sich die Multiplikation auf eine »Umpolfunktion« zurückführen, die ihrerseits im Mikroprogramm aiS AuuitiCn OuCP οϋυΐΓαιϊιΐΟΠ aü5g£iüiiFt werden kann.

10 tionsempfängers sei eine Einzelschwingung der Form i/, (f) = ff, · sin((», f + v) (3a)

= H₁ · sin (/ · cos <»| f + U₁ · cos 7 · sin ^₁ 1 .

(3 b)

Diese Schwingung wird mit cosci)«f und sinco«/, den sogenannten Quadraturkomponenten der Referenzächwingung niüiupiizicr i. Anschließend wird über beide Produkte integriert:

U'_c = -Ty- Σ « (

· sgn [cos (i · ,,,„ -If)] (2a)

U_c = lim ψ ί κ, (t) · cos (»_Ä t ■ df (4a)

20

u (/ · II)· sgn [sin (i · <„_R ■ I r)]

(2 b) '^J- = i-i/

(f) · sin «>_Rt · dr. (4b)

25

Dies hat bei der Verarbeitung den weiteren Vorteil, daß beim Lesen der Funktionswerte aus dem Speicher bei jedem Abtastwert gleich die Funktionswerte für mehrere Referenzschwingungen parallel in das Rechenwerk geholt werden können. Wird ein Mikrorechner mit einer Wortbreite von beispielsweise 8 Bit verwendet, so können die Funktionswerte aller 8 Referenzschwingungen für

sgn[cos(/ · ωR · Δ tj\und sgn [sin(/ · ω«

jeweils in einer Speicherzelle gespeichert und von dort ausgelesen werden. Dadurch wird Speicherplatz und Verarbeitungszeit eingespart.

Physikalisch kann das Einführen der Signum-Funktion (sgn) in Gl. (2a) und GL (2b) folgendermaßen begründet werden: Der Algorithmus nach GL (la) und Gl. (Ib) entspricht der Arbeitsweise eines Amplitudenmodulators. Die codierten Abtastwerte der Wahlsignale werden mit den Abtastwerten einer Referenzschwingung multipliziert, die als Trägerfrequenz aufgefaßt werden kann.

Stelle man sich vor, daß dieser Modulationsvorgang durch einen Ringmodulator ausgeführt wird, so kann man die cos- und sinusförmige Trägerfrequenzschwingung auch durch die phasengleiche Rechteckschwin gung ersetzen. Das niederfrequente Modulationsspektrum wird nur mit einem konstanten Amplitudenfaktor multipliziert, erleidet aber keine Verzerrungen. Allerdings treten Vielfache der Trägerfrequenzschwingung mit entsprechenden Seitenbändern auf, die sich aber bei der weiteren Verarbeitung im Rechner nicht störend auswirken.

Der Korrelationsempfänger nach dem Quadraturverfahren mit Mikrorechner hat im Frequenzbereich selektive Eigenschaften. Dies soll im folgenden gezeigt werden. Zur einfacheren Darstellung der Operationen wird dabei von der Integralschreibweise Gebrauch gemacht, und es wird angenommen, die Funktionen seien kontinuierlich und nicht zeit- und amplitudendiskret Weiterhin sei zur Veranschaulichung des Prinzips vorausgesetzt, die Eingangsschwingung des Korrela-Die Ausgangswerte der Teilsummen U_c und U_s werden quadriert und addiert.

F = U_c ² + U_s ² .

30 Setzt man Gl. (3a) oder Gl. (3b) in Gl. (4a) und Gl. (4b) ein, so ergeben sich Ausdrücke, die die folgenden Integrale (GL [6a, b] und Gl. [7a, bj enthalten. Für diese Integrale gilt:

35

40 ♦ i

im — I cos W₁ 1 ■ cos (D_R t ■ dt =

2	für	"Ί	= '"R
0	für	"Ί	ψ <"R
			(6a)

45 ι r

Hm -ψ I sin m, ί - sin <»_R t

df =

50

i^r- --

0 für Ot₁ 4= oi_R. (6 b)

Weiterhin ergibt sich aufgrund der Orthogonalität der Sinus- und Cosinusschwingungen:

55

60

65 lim — I sin W₁1 ■

T—»co *^

jt t ■ di = 0 für alle mjj

(7a)

1 Γ
lim -= I cos <«i t · sin »»„ t · di = 0 für alle <«„ .

7*—»co * J

(7 b)

Daraus folgt nach Gl. (5) für F unter Berücksichtigung des Scheitelwertes ü_t

jj2

lim F = —~ für «>, =

T-O

lim F= 0 für <-., £

(8)

Bei der Auswertung der Frequenzcode-Wahlsignale kann die Integrationszeit T wegen der geltenden Zeitbedingungen nicht unendliche lange ausgedehnt werden. Außerdem handelt es sich um kausale Funktionen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt beginnen und vor diesem Zeitpunkt zu Null angenommen werden. Durch die endliche Integrationszeit über T entsteht ein Fehler, weil die Gl. (6a, b) und Gl. (7a, b) nicht exakt erfüllt sind.

Der Einfluß der endlichen Integrationszeit wirkt sich folgendermaßen aus: Stimmen die Frequenzen der Signal- und Referenzschwingung nicht überein, so wird F je nach der zufällig auftretenden Phasenlage <po zwischen Signal- und Referenzschwingung einen von Null verschiedenen Wert annehmen. Simmen die Frequenzen der beiden Schwingungen überein, so

schwankt F um den Mittelwert« -f/4 ebenfalls in

¹

Abhängigkeit von der Phasenlage φ₀ zwischen Signal- und Referenzschwingung. Durch geeignete Wahl der Integrationszeit kann man jedoch erreichen, daß der auftretende Fehler unter Einhaltung der Zeitbedingungen für die Auswertung kleiner als 5% bleibt

Der erfindungsgemäße Signalempfänger arbeitet wie ein Bandpaßfilter oder eine Gruppe von Bandpaßfiltern mit einer Übertragungsfunktion, deren Betrag der

Funktion! ——) folgt Dabei ist χ eine normierte

V. ^Λ /

Frequenz. Die Bandbreite des Bandfilters wird durch die Integrationszeit festgelegt
In Fig.2 ist der auf A₀ normierte Betrag der

Übertragungsfunktion^:^^als Funktion der Frequenz /

^o

für zwei benachbarte Referenzfrequenzen f/i=770Hz und /2=852 Hz) aufgetragen. Die Integrationszeit T=AZi 4 r ist gerade so gewählt, daß die erste Nullstelle der Funktion(~~^~J mit der Mittenfrequenz des Nachbarfilters zusammenfällt Die Bandbreite des Korrelationsempfängers beträgt im gezeichneten Beispiel ca. 50 Hz. Es ist also für eine optimale Selektion der zu erkennenden Signale vorgegebener Frequenz vorteilhaft, daß die Anzahl der Abtastwerte Nr, über die jeweiligen Summen i/_cund U_s gemäß GL (la) und (Ib) gebildet werden, entsprechend der gewünschten Bandbreite der Korrelationsfilter für alle Referenzschwingungen unterschiedlich zu wählen, und zwar so, daß die oben angegebene Bedingung für die Lage der Nullstelle erfüllt wird.

Der beschriebene Algorithmus zur Auswertung der Mehrfrequenzcode-Wahlsignale mit Mikrorechner ist ohne vorherige Signaltrennung durch ein Gruppenfilter anwendbar. Nach Ablauf der Integrationszeit brauchen die weitere Verarbeitung, also das Quadrieren und Addieren der Teilsummen i/_cund U_s nach GL (5) und die Auswertung, das Decodieren der empfangenen Ziffer und die Übergabe an die Vermittlungssteuerung nicht mehr sofort zu erfolgen. Nach Ablauf der Integrationszeit T werden beispielsweise bis zur Übergabe der erkannten Ziffern) oder bis zum Ende der Auswertung keine weiteren Abtastwerte mehr eingelesen. Die zeitliche Überwachung der Signalauswertung wird programmgesteuert vom Mikrorechner ausgeführt.

In Fig.3 ist anschaulich die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Korrelationsempfängers dargestellt Im oberen Diagramm sind die Abtastwerte und als deren Einhüllende der zeitliche Verlauf der Spannung u(t) eines Mehrfrequenzcode-Wahlsignals eingezeichnet In das gleiche Diagramm ist die »Umpolfunktion« als Rechteckschwingung υφ) gestrichelt eingetragen, wobei angenommen ist, daß die Frequenz der Rechteckschwingung mit einer der Signalkomponenten des Mehrfrequenzcode-Wahlsignals übereinstimmt Gleichzeitig ist vorausgesetzt, daß der Phasenwinkel zwischen »Umpolfunktion« und der nachzuweisenden Signalkomponente Null ist. In diesem Fall braucht nur die gezeichnete Quadraturkomponente betrachtet zu werden. Die um eine Viertelperiode versetzte Quadraturkomponente liefert keinen Beitrag zum Mittelwert F

Im unteren Diagramm von F i g. 3 sind die Abtastwerte und der zeitliche Signalverlauf der Einhüllenden nach Ausführung des Umpolens eingezeichnet Durch Mittelwertbildung ergibt sich ein endlicher Mittelwert F. Dieser Mittelwert wird dagegen Null, wenn das abgetastete Mehrfrequenzcode-Signal keine Signalkomponente enthält, deren Frequenz mit der Frequenz der Referenzschwingung übereinstimmt

Bevor die bestimmten ausgewerteten Signale den Signalempfänger erreichen, gehen diesen in der Regel Wahltöne voraus. Beim Eintreffen der ersten zu erkennenden Signale können diese unter Umständen von einem Wahlton überlagert sein. Da dieser Wahlton einen wesentlich höheren Pegel als die auszuwertenden Signale des Mehrfrequenzcode aufweisen kann und Obertöne oder Intermodulationsfrequenzen in das auszuwertende Frequenzband fallen können, wird eine wesentliche Herabsetzung der Störempfindlichkeit des Signalempfängers erzielt, wenn dem Analog/Digital-Wandler ein Wähltonsperrfilter mit Wähltonabschaltung vorgeschaltet ist

Unterschiedliche Pegel der Eingangssignale infolge unterschiedlicher Anschlußleitungs- und/oder Verbindungsleitungsdämpfungen werden wirksam durch einen Verstärker am Eingang des Signalempfängers oder, falls vorgesehen, am Eingang des Wähltonsperrfilters, ausgeglichen.

Die Signalauswertung nach dem erläuterten Korrelationsverfahren ist gegen eine Übersteuerung der Eingangssignale praktisch unempfindlich. Daher können in vorteilhafter Weise auch von den Abtastwerten des Empfangssignals die Signum-Funktionen gebildet und ausgewertet werden. Signum-Funktionen lassen sich in einfacher Weise durch einen Schwellenwertbaustein erzeugen, wodurch der Analog/Digital-Wandler 1 in F i g. 1 eingespart werden kann.

Als Schwellenwertbaustein sind alle Einrichtungen geeignet, die ein logisches Signal der einen Art (0 oder 1) abgeben, wenn das empfangene analoge Eingangssignal größer als 0 ist, und ein logisches Signal der anderen Art (1 oder 0) abgeben, wenn das empfangene analoge Eingangssignal kleiner als 0 ist

Enthalt das empfangene Signal um den Nullpegel schwankende Störkomponenten wie z. B. Rauschen, so ist ein Schwellenwertbaustein besonders geeignet, der

dreiwertig arbeitet und ein logisches Signal der einen Art (0 oder 1) abgibt, wenn das Eingangssignal einen vorgegebenen positiven Schwellenwert überschreitet, ein logisches Signal der anderen Art (1 oder 0) abgibt, wenn das Eingangssignal einen vorgegebenen negativen Schwellenwert unterschreitet und andernfalls ein drittes Signal abgibt.

Sobald ein Signalempfänger, insbesondere ein Mehrfrequenzcode-Wahlsignalempfänger, an eine Teilnehmerleitung angeschaltet ist, können vom Teilnehmerapparat über das Mikrofon Sprachsignale oder Raumgeräusche, wie z. B. Maschinenlärm, Musik oder Sprache, und durch Nebensprechen auf den Leitungen Wählgeräusche, Sprachsignale und Impulse zum Wahlsignalempfänger gelangen. Während der Wahl werden die über das Mikrofon kommenden akustischen Signale kurzgeschlossen und im Teilnehmerapparat werden z. B. die Mehrfrequenzcode-Wahlsignale erzeugt und zum Wahlsignalempfänger übertragen. Wenn der Teilnehmer die Tasten der gewählten Ziffer losläßt, wird der alte Zustand wieder hergestellt Außerdem können Hör töne zum Wahlsignalempfänger gelangen. Aufgabe des Wahlsignalempfängers ist es, z. B. Mehrfrequenzcode-Wahlsignale eindeutig zu erkennen und andere Signale nicht als Wahlsignale zu bewerten.

Zu Beginn einer Auswertung der empfangenen Signale durch den Mikrorechner müssen zunächst alle seine Speicherzellen und Register für die Variablen auf einen definierten Anfangszustand gesetzt werden. Dann wird mit dem Einlesen der Abtastwerte vom Analog/Digital- Wandler begonnen.

Es ist nun zweckmäßig, anstelle einer stets in gleicher Weise verlaufenden aufwendigen Prozedur der Verarbeitung der Abtastwerte die Abtastwerte zunächst vorzuverarbeiten und in Abhängigkeit der Vorverarbeitung zu entscheiden, ob eine Auswertung durch Korrelation der Referenzfrequenzen mit den gespeicherten Abtastwerten durchzurühren ist

Als sehr wirkungsvolle Maßnahme zur Vorverarbeitung hat es sich erwiesen, den Betrag der eingelesenen Abtastwerte zu bilden und über eine Anzahl von beispielsweise 32 Abtastwerten den linearen Mittelwert zu ermitteln. Dieser Mittelwert des Betrags der Abtastwerte ist ein Maß für die empfangene Leistung. Es ist bekannt, welche Leistung mindestens am Eingang des Signalempfängers auftreten muß, wenn ein Wahlsignal gesendet wird. In allen anderen Fällen kann von vornherein ausgeschlossen werden, daß ein Wahlsignal vorliegt

Bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzmittelwertes bzw. einer vorgegebenen Signalleistung wird erneut eine Vorprüfung durchgeführt Mit der Auswertung des Korrelations-Algorithmus wird beispielsweise erst begonnen, wenn zweimal hintereinander die Mindestsignalleistung aberschritten wurde.

Eine weitere wirksame Art der Vorverarbeitung besteht darin, zunächst die Korrelation zwischen den eingelesenen Abtastwerten und den als Referenzschwingung gespeicherten Werten zu bilden, deren Frequenz in der Mitte der jeweiligen Frequenzgruppe liegt, und die Auswertung über einen relativ kurzen Zeitabschnitt auszuführen, so daß eine breitbandige Korrelations-Filterkurve entsteht Auf diese Weise kann beispielsweise festgestellt werden, ob in jeder Frequenzgruppe lediglich eine einzelne Schwingung auftritt und ob die Leistung der Teilschwingungen etwa gleich ist Erst im Anschluß an eine solche Vorverarbeitung wird bei positivem Ergebnis mit dem Auswerten der

Einzelfrequenzen begonnen.

Wird eine Vorprüfung mehrmals durchgeführt, so ist es vorteilhaft, einen Gleichmäßigkeitstest anzuschließen, in dem festgestellt wird, wie stark sich die ermittelten Teilergebnisse voneinander unterscheiden. Mehrfrequenzcode-Wahlsignale sind deterministische Signale, deren statistische Eigenschaften sich über der Zeit nur wenig ändern. Insbesondere Amplitude und Frequenz sind über längere Zeit stabil. Sprachsignale

ίο dagegen ändern ständig ihre statistischen Eigenschaften.

Der Gleichmäßigkeitstest wird beispielsweise so durchgeführt, daß das Über- und Unterschreiten von Vergleichswerten überprüft wird und daß das Verhältnis der Teilergebnisse zueinander oder zu einem Bezugswert ermittelt wird.

Einige Mikrorechner haben Befehlsausführungszeiten, die es nicht zulassen, den umfangreichen Algorithmus »Quadratur-Korrelation« für 7 oder 8 Frequenzen sofort im Zeitraum zwischen dem Einlesen der codierten Abtastwerte auszuführen. Andererseits genügt häufig die Auswertung von 3 oder 4 Frequenzen, um zu entscheiden, ob ein Mehrfrequenzcode-Wahlsignal vorliegt oder nicht Es ist daher vorteilhaft, zunächst das Vorhandensein einer der 3 Frequenzen der oberen Frequenzgruppe zu prüfen. Wird eine dieser Frequenzen erkannt so werden anschließend die fehlenden 4 Frequenzen der unteren Frequenzgruppe untersucht Wird dort kein Signal vorgegebener Frequenz ermittelt, wird mit der Vorprüfung neu begonnen.

Dabei gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder es werden die Abtastwerte, die zur Erkennung einer der 3 Frequenzen der Obergruppe benutzt werden, zwischen gespeichert und auch zur Erkennung eines Signals vorgegebener Frequenz der Untergruppe verwendet oder es werden für die Ermittlung der Signale vorgegebener Frequenz für beide Frequenzgruppen die jeweiligen am Eingang des Mikrorechners vorliegenden Abtastwerte verwendet In diesem Fall werden also die Abtastwerte aus dem laufenden Prozeß ohne Zwischenspeicherung gewonnen. Das ist möglich, weil ein Mehrfrequenzcode-Wahlsignal mindestens 50 ms andauert Da sich die statistischen Eigenschaften während des Sendens des Mehrfrequenzcode-Signals nicht signifikant ändern, kann die Teilauswertung auch zeitlich nacheinander erfolgen.

Die Decodierung der Signale wird in vorteilhafter Weise folgendermaßen ausgeführt: Die Ergebnisse der

Korrelation und Mittelwertbildung aller 7 oder 8 Frequenzen werden in Speicherzellen abgelegt Es wird anschließend festgestellt ob innerhalb einer Gruppe von Frequenzen ein Ergebnis die anderen um einen vorgegebenen Betrag übertrifft Dabei wird jeweils der

Maximalwert der Ergebnisse einer Frequenzgruppe ermittelt Daraus wird beispielsweise durch Division durch den Faktor 2 ein gleitender Vergleichswert berechnet Es wird gefordert, daß die Ergebnisse der anderen Frequenzen dieser Gruppe kleiner sind als dieser Vergleichswert Diese Maximumsuche und Abgrenzung des Maximalwertes gegenüber den anderen Ergebnissen einer Frequenzgruppe wird für alle Frequenzgruppen durchgeführt Ist diese Bedingung nicht erfüllt, wird die Auswertung nicht fortgeführt und die Signalermittlung erneut begonnen.

Andernfalls werden die ermittelten Ergebnisse der maximalen Werte jeder Frequenzgruppe miteinander

verglichen. Aufgrund der Anforderungen an den Signalsender und die 'Jbertragungsstrecke dürfen sich die Einzelkomponenten eines Mehrfrequenzcode-Wahlsignals in ihrer Amplitude nur wenig voneinander unterscheiden. Es wird daher beispielsweise geprüft, ob die ermittelten Einzelfrequenzen jeder Gruppe sich nicht mehr als um einen bestimmten vorgegebenen Faktor voneinander unterscheiden. Ist die Abweichung zu groß, wird die Signalauswertung erneut begonnen. Andernfalls ermittelt der Mikrorechner nach dem bekannten Codierschema des 2x(l aus4)-Codes die zugehörige Ziffer.

Sofern die Dauer des Mehrfrequenzcode-Wahlsignals es zuläßt, wird die Auswertung mehrfach durchgeführt

Eine decodierte Ziffer wird erst dann an die

übergeordnete Steuerung abgegeben, wenn mehrfach das gleiche Ergebnis ermittelt wurde und anschließend vom Mikrorechner erkannt wird, daß das erkannte Mehrfrequenzcode-Wahlsignal nicht mehr gesendet wird

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Signalempfängers besteht darin, daß die Korrelation und Mittelwertbildung zunächst mit größerer Bandbreite und kürzerer Meßzeit durchgeführt wird, dann aber über die ermittelten Ergebnisse Zeitmittelwerte gebildet werden. Das hat den Vorteil, daß schnell das Vorhandensein eines Mehrfrequenzcode-Signals erkannt wird und daß bei mehrmaliger Messung eine größere statistische Sicherheit erreicht wird als bei einmaliger Messung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Signalempfänger zur Erkennung und Auswertung von analogen Signalen vorgegebener Frequenz s für Fernmelde- oder Datenverarbeitungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die empfangenen analogen Signale abtastet und analog-digital wandelt, daß an die Einrichtung ein Mikrorechner angeschlossen ist, welcher die digitalen Signale programmgesteuert nach dem an sich bekannten Quadratur-Korrelationsverfahren verarbeitet, indem er die abgetasteten und digital codierten Signale mit gespeicherten Abtastwerten von Referenzschwingungen

cos(/· ωR · At)unds'm(i - ω« · at)

multipliziert und anschließend getrennt aufsummiert. daß die jeweiligen Summen quadriert und addiert werden,

daß die Anzahl der Abtastwerte, über die die jeweilige Summe gebildet wird, entsprechend der Bandbreite der zugeordneten Selektionsfunktion (Übertragungsfunktion) für alle Referenzschwingungen unterschiedlich gewählt ist, daß das Ergebnis der Addition bei Mehrfrequenzcode-Signalen (MFV-Signalen) mit den Ergebnissen der gleichartigen Verarbeitung der anderen Referenzschwingungen verglichen wird und daß die vom Mikrorechner ermittelten Signale vorgegebener Frequenz von einer weiteren Einrichtung ausgewertet werden.

2. Signalempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Einrichtung zur Analog/Digital-Wandlung ein Eingangsverstärker und/oder ein Wähltonsperrfilter mit Wähltonfilterabschaltung geschaltet ist

3. Signalempfänger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Analog/Digital-Wandlung ein mit einer Wortbreite von 8 bit arbeitender A/D-Wandler ist

4. Signalempfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Vorzeichen der Referenzschwingungen (Signum-Funktion) gespeichert sind.

5. Signalempfänger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, welche die empfangenen analogen Signale abtastet und analog/ digital wandelt, ein Schwellenwertbaustein ist und diesem ein Wähltonfilter vorgeschaltet ist

6. Signalempfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellenwertbaustein verwendet ist der ein Signal der einen Art abgibt, wenn die Eingangsspannung >0 ist und ein Signal der anderen Art abgibt wenn die Eingangsspannung > 0 ist.

7. Signalempfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß ein Schwellenwertbaustein to verwendet ist, der dreiwertig arbeitet und ein logisches Signal der einen Art abgibt, wenn das Eingangssignal einen vorgegebenen positiven Schwellenwert überschreitet ein logisches Signal der anderen Art abgibt wenn das Eingangssignal einen vorgegebenen negativen Schwellenwert unterschreitet und andernfalls ein drittes Signal abgibt.

EHe Erfindung betrifft einen Signalempfänger zur Erkennung und Auswertung von analogen Signalen vorgegebener Frequenz für Fernmeide- oder Datenverarbeitungsanlagen.

In Nachrichtenübertragungssystemen, Vermittlungssystemen und Datenverarbeitungsanlagen werden Zeichen, Steuersignale, Adreßinformationen und Daten vielfach in einem Mehrfrequenzcode dargestellt und übertragen. Auf dem Übertragungsweg werden diese Signale in unerwünschter Weise linear und nicht linear verzerrt, und durch zusätzliche Signale, wie z.B. das Übersprechen von Nachbarkanälen, Wählimpulse, Sprachsignale und/oder Rauschen gestört Es ist Aufgabe des Signalempfängers, aus den Empfangssignalen möglichst fehlerlos die gesendeten Informationen zu erkennen und für die weitere Auswertung aufzubereiten.

Es sind bereits zahlreiche Verfahren und Schaltungsanordnungen zur Realisierung von Mehrfrequenzcode-Signalempfingem bekannt Aus der FuJJe der bekannten Lösungen haben die folgenden Verfahren praktische Bedeutung erlangt:

1. Jede der möglichen Sendefrequenzen wird auf der Empfangsseite durch ein Bandpaßfilter überwacht

2. Hoch- und Tiefpässe trennen zunächst die Mehrfrequenzcodesignale in Gruppen, so daß sinusförmige Einzekchwingungen entstehen. Anschließend werden durch Messung der Zeit zwischen zwei oder mehreren Nuildurchgängen die Frequenzen der Einzelschwingungen ermittelt

Ein Mehrfrequenzcode-Signal wird erkannt wenn in jeder Gruppe nur eine Schwingung vorhanden ist und wenn die zeitlichen Bedingungen, wie z. B. die Mindestsendedauer für ein Zeichen, eingehalten werden. Weiterhin ist eine Reihe von Maßnahmen bekannt um den sogenannten Sprachschutz zu verbessern.

In Abhängigkeit von der Technologie werden die Filter vielfach durch Parallelresonanzkreise mit Spulen und Kondensatoren realisiert es gibt aber auch Vorschläge, aktive Filter oder unterkritisch gekoppelte Oszillatoren einzusetzen.

Im Tagungsband ISS 1972, S. 442/445 ist ein Korrelationsempfänger für tonfrequente Signalisierung diskutiert der mit Analogbausteinen realisiert wurde.

Der Nachteil der genannten Lösungen besteht darin, daß sehr viele Einzelbausteine erforderlich sind, daß der Raumbedarf für einen solchen Signalempfänger sehr groß ist und daß die einzelnen Filter nach der Fertigstellung abgeglichen werden müssen.

In der Zeitschrift »Elektrisches Nachrichtenwesen« 1976, H. 3, S. 182/185 ist ein Empfänger für tonfrequente Tastwahl mit digitaler Frequenzerkennung beschrieben, bei dem zwar noch eine Gruppentrennung durchgeführt wird, die Auswertung der Einzelschwingungen jedoch digital mit speziellen Schaltkreisen erfolgt Hierbei wird also von den Vorteilen der Großintegrationstechnik wenigstens im Auswerteteil des Empfängers Gebrauch gemacht Der Nachteil dieses Empfängers besteht darin, daß dessen aus Eingangsverstärker, Wähltonfilter, Gruppenfilter, Pegelüberwachung und Begrenzerverstärker bestehender Analogteil recht aufwendig ist und daß für die Frequenzerkennung im Digitalteil spezielle Schaltkreise entwickelt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Signalempfänger anzugeben, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll der Signalempfänger möglichst wenige Einzelbausteine