DE3914841A1

DE3914841A1 - Digitaler tonsignalempfaenger

Info

Publication number: DE3914841A1
Application number: DE3914841A
Authority: DE
Inventors: Jerry Stroobach
Original assignee: Mitel Corp
Current assignee: Microsemi Semiconductor ULC
Priority date: 1988-05-05
Filing date: 1989-05-05
Publication date: 1989-11-16
Also published as: DE3914841C2; GB8910226D0; GB2219174A; IT1229347B; CA1289281C; IT8920392A0; GB2219174B; US5119322A

Description

Die Erfindung betrifft einen digitalen Tonsignalempfänger nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In Fernsprechvermittlungsanlagen werden zur Ansteuerung der Anschlüsse Tonsignale verwendet, die aus zwei gleichzeitig übertragenen Tonfrequenzen bestehen, wobei die eine Tonfrequenz eine hohe Frequenz und die andere Frequenz eine niedere Frequenz aufweist. Diese Tonsignale werden auch als DTMF (dual tone multi-frequency) -Signale bezeichnet. Die Gruppe der niederen Tonfrequenzen besteht aus DTMf-Tönen mit einer Frequenz von 697, 770, 852 und 941 Hz, während die Gruppe der vier hochfrequenten DTMF-Töne Nominalfrequenzen von 1209, 1336, 1477 und 1633 Hz aufweisen.

Es sind analog arbeitende Tonsignalempfänger bekannt, welche zur paarweisen Dekodierung der DTMF-Töne dienen. Diese analog arbeitenden Empfänger sind kompliziert und teuer aufgebaut und liefern oftmals nicht exakte Ergebnisse. Da der Trend besteht, Fernsprechvermittlungsanlagen digital zu betreiben, sind diese analog arbeitenden Empfänger nur schwer kompatibel, so daß das Bestreben besteht, diese Empfänger ebenfalls digital zu betreiben.

Um dem Trend der Digitalisierung entgegenzukommen, wurden eine Reihe digital arbeitender Tonsignalempfänger entwickelt.

Ein solcher Empfänger ist beispielsweise Gegenstand der GB-PS 20 49 360. Bei diesem Empfänger wird ein abgetastetes Eingangssignal verglichen mit den Werten von gespeicherten Bezugssignalen, wobei letztere Frequenzen entsprechend den zu erfassenden Frequenzen aufweisen. Die Auswertung erfolgt in Form einer diskreten Fouriertransformation (DFT) welche zu zwei Serien trigonometrischer Produktwerte führt, von denen die Spektrumskomponenten des Eingangssignals bei den gewünschten Frequenzen bestimmt werden können.

Ein weiterer bekannter digitaler Tonsignalempfänger ist beschrieben in dem Artikel "Add DTMF Generation and Decoding to DSP-µP Designs", von Patrick Mock, erschienen in Electronic Design News, 21. März 1985. Bei diesem digitalen Tonsignalempfänger wird eine diskrete Fouriertransformation ausgeführt nach dem Goertzel's Algorithmus. Der Hauptvorteil der Verwendung des Goertzel's Algorithmus gegenüber der Arbeitsweise des Empfängers nach der vorgenannten GB-PS besteht darin, daß nur zwei reale Koeffizienten pro Detektorfrequenz erzeugt werden müssen um die Amplitude der Signalkomponente bei der Detektorfrequenz bestimmen zu können.

Beide bekannten Tonsignalempfänger haben jedoch den Nachteil, daß eine sehr lange und komplexe Fouriertransformation auszuführen ist, um die ankommende Signalfrequenz ausreichend genau erfassen zu können, was zu einer sehr langsamen Detektorgeschwindigkeit führt. Wird andererseits eine rasche und einfache Fouriertransformation ausgeführt, dann ist es nicht möglich, die erfaßten Töne mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen, um die nationalen und industriellen Normspezifikationen für die Erfassung von DTMF-Tönen erfüllen zu können.

Es besteht die Aufgabe, den digitalen Tonsignalempfänger so auszubilden, daß er rasch und mit hoher Geschwindigkeit die ankommenden Tonsignale ermittelt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung unterwirft der Empfänger das ankommende Signal einer schnellen Fouriertransformation bei den acht DTMF-Frequenzen mit einer relativ geringen Genauigkeit. Dies führt zu einer Voranzeige darüber, ob das ankommende Signal zwei Töne enthält oder nicht, die DTMF-Töne sein können. Falls diese diskrete Fouriertransformation ergibt, daß solche Töne im ankommenden Signal enthalten sein können, wird sodann das ankommende Signal einem Verifikationsalgorithmus unterworfen, bei dem eine weitere diskrete Fouriertransformation bei den zwei zuvor ermittelten Tonfrequenzen ausgeführt wird, jedoch diesmal mit einer höheren Genauigkeit.

Dies bedeutet, daß die erste Fouriertransformation entsprechend einem digitalen Filter wirkt, bei dem alle sonstigen Töne, die beispielsweise aus Sprachtönen bestehen können, mit Ausnahme möglicher DTMF-Töne ausgefiltert werden, wobei dann diese möglichen DTMF-Töne durch eine zweite Transformation mit höherer Genauigkeit verarbeitet werden. Die erste Transformation kann daher wie nachfolgend als Tondetektor und die zweite Transformation als Tonverifizierung bezeichnet werden.

Bei dieser Arbeitsweise ist eine rasche Erfassung der Signaltöne mit hoher Genauigkeit möglich.

Der Tonsignalempfänger kann hierbei als aus einem einzigen Chip bestehender Digitalsignalprozessor aufgebaut sein.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm des digitalen Tonsignalempfängers in allgemeiner Form und

Fig. 2 eine grafische Darstellung des Goertzel's Algorithmus zur Ausführung einer diskreten Fouriertransformation gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.

Der Tonsignalempfänger gemäß Fig. 1 weist einen PCM-Puffer 1 auf, dem impulskodierte Signale (PCM-Signale) zugeführt werden und der mit einem Konverter 3 verbunden ist, der eine Linearumsetzung der PCM-Signale durchführt und der seinerseits verbunden ist mit einem Bandpassfilter 5. Der Ausgang des Bandpassfilters 5 ist verbunden mit den Eingängen einer Detektorschaltung 6, eines Tondetektors 7 und einer Tonverifizierschaltung 9. Der Detektorschaltkreis 6 führt eine Quadrierung und Summierung in bekannter Weise durch.

Die ankommenden PCM-Signale werden in Blocks zu 8 Millisekunden unterteilt und im PCM-Puffer 1 gespeichert. Die gespeicherten PCM-Signale werden sodann vom nach dem µ-Gesetz (auch A-Gesetz genannt) komprimierten Format in lineare Werte innerhalb des Konverters 3 umgesetzt. Die umgesetzten Signale gelangen dann vom Ausgang des Konverters 3 zum Bandpassfilter 5.

Bei einem Prototyp bestand der Bandpassfilter 5 aus einem Zweitonzurückweisungsfilter und war ausgeführt in der Form eines digitalen Bandpassfilters fünfter Ordnung mit unbegrenztem Impulsansprechverhalten. Der Sperrbereich lag zwischen 0 und 480 Hz und zwischen 3400 bis 4000 Hz, während der Durchlaßbereich zwischen 648,5 und 1659,5 Hz lag, womit eine wesentliche Bedämpfung der Wähltonsignale erreicht wurde, welche sonst zu einem Ausfall der Erfassung gültiger DTMF-Signale führen würde.

Die Schaltung 6 errechnet die totale Blockenergie der empfangenen ankommenden PCM-Signale und erzeugt in Abhängigkeit davon eine digitale Signaldarstellung, die dem Tondetektor 7 und der Tonverifizierschaltung 9 zugeführt wird.

Der Tondetektor 7 führt bei den ankommenden Signalen eine rasche diskrete Fouriertransformation durch und erzeugt in Abhängigkeit davon ein Tonverifiziersignal, das anzeigt, ob das ankommende Signal einen möglichen DTMF-Ton enthält oder nicht.

Eine Entscheidungsschaltung 10 empfängt das Tonverifiziersignal und schaltet in Abhängigkeit davon entweder die Tonverifizierschaltung 9 ein oder schaltet den Tondetektor 7 von neuem ein. Die Tonverifizierschaltung 9 führt sodann eine diskrete Fouriertransformation hoher Genauigkeit beim ankommenden Signal durch, falls das Tonverifiziersignal anzeigt, daß ein möglicher DTMF-Ton erfaßt wurde. Die mit hoher Genauigkeit durchgeführte Fouriertransformation verifiziert somit die Anwesenheit des erfaßten Tones. Die Tonverifizierschaltung 9 erzeugt sodann ein Tonanwesenheitssignal, das anzeigt, ob der erfaßte Ton augenblicklich vorhanden ist oder nicht.

Das Tonanwesenheitssignal wird der Entscheidungsschaltung 10 übermittelt und von dort dem Tondetektor 7. Der Tondetektor 7 übermittelt das Tonanwesenheitssignal einer Nachrichtenwarteschaltung 11. Falls das Tonanwesenheitssignal den logischen Wert H aufweist, dann sucht der Detektor 7 nach dem Ende des Tones. Erfaßt der Detektor, daß der Ton nicht mehr vorhanden ist, dann wird eine Nachricht in die Nachrichtenwarteschaltung 11 eingegeben, welche der Hauptsteuerschaltung der Vermittlungsanlage übermittelt wird zur Anzeige, daß ein bestimmter DTMF-Ton erfaßt wurde. Falls das Tonanwesenheitssignal den logischen Wert L aufweist, dann wird der Tondetektor 7 über die Entscheidungsschaltung 10 eingeschaltet zur Erfassung möglicher DTMF-Töne in den nachfolgenden PCM-Signalzeitschlitzen.

Der Tondetektor 7 sucht nach niederen und hohen DTMF-Tönen mit den größten Energiewerten durch Berechnen der Energie der PCM-Signale bei jeder der vorerwähnten hohen und niederen DTMF-Tonfrequenzen unter Verwendung einer einzigen Punkt-Fouriertransformation.

Wie schon vorerwähnt, wird zur Ausführung der diskreten Fouriertransformation der Goertzel's Algorithmus verwendet in Form eines IIR-Filters zweiter Ordnung, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Folge der gefilterten linearen ankommenden Signale wird dem Bandpassfilter 5 zugeführt und sodann an den Tondetektor 7 angelegt, was in Fig. 2 mit dem Wert x(n) bezeichnet ist, wobei die Abtastlänge N beträgt, wobei in dem Prototyp N gleich 64 betrug.

Die linearen Abtastwerte x(n) werden einem Einheitabtastverzögerungsregister 21 zugeführt, wobei dann die verzögerten Abtastwerte mit einer Normierungskonstanten 2cos(2π k/N) multipliziert wird, wobei k/N der Frequenz entspricht, auf die das Filter abgestimmt ist, dividiert durch die Abtastfrequenz (z. B. 8000 Hz).

Die verzögerten Abtastwerte werden weiterhin einem weiteren Verzögerungsregister 22 zugeführt, wobei dann die verzögerten Ausgangswerte des Registers 22 invertiert und mittels der Summierschaltung 23 mit dem normierten Abtastausgangswerten zusammengezählt werden.

Der Ausgang der Summierschaltung 23 wird addiert mit der linearen Eingangsabtastfolge x(n) mittels einer weiteren Summierschaltung 24, deren Ausgang einer weiteren zusätzlichen Summierschaltung 25 zugeführt wird. Der verzögerte Signalabtastausgang des Verzögerungsregisters 21 wird multipliziert mit einer weiteren Konstanten -W(k, N), wobei -W(k, N)

= exp -(j(2π k, N)
= cos (2π k/N) -j sin (2π k/N).

Der Ausgang der Summierschaltung 25 (y(k, n)) ist eine komplexe Digitalwertdarstellung der Energie des ankommenden Signals bei der zu erfassenden Frequenz. Die ungewichtete Energie, die mittels der Fouriertransformation gemessen wird, läßt sich wie folgt ausdrücken:

Energie = y(k, N-1)**2.

Da y(k, n) nur für n=N-1 ausgewertet werden muß, ist nur eine Auswertung der digitalen Operationen der rechten Seite des Filterdiagramms nach Fig. 2 erforderlich.

Bei dem erfolgreichen Prototyp eines Tondetektors 7 wurde der digitale Signalprozessor TMS 32010 der Firma Texas Instruments verwendet. Die linke Seite der in Fig. 2 dargestellten diskreten Fouriertransformation benötigt 5 DSP-Instruktionen pro Abtastung.

Die folgende Tabelle zeigt die Zweigverstärkungswerte, die bei dem Tonempfänger nach Fig. 2 verwendet werden.

Tabelle 1

Das Verhältnis des Scheinsignals zum Signalplusrauschen, das als ASSPNR bezeichnet wird, wird definiert als das Verhältnis der gemessenen Energie zur gesamten Signalleistung, wie gemessen, durch die Schaltung 6. Wird beispielsweise eine diskrete Fouriertransformation bei einer reinen digitalen Sinuswelle ausgeführt, deren Frequenz mit der Frequenz des Tondetektors 7 übereinstimmt und wird hierbei der Goertzel Algorithmus verwendet, dann wird das ungewichtete Verhältnis ASSPNR gleich Nr. 1. Hierbei sind Abrundungsfehler nicht berücksichtigt.

Allgemein kann gesagt werden, daß eine rechteckige maskierte reine digitale Sinuswelle der Frequenz f, wenn sie durch eine diskrete Fouriertransformation unter Verwendung des Goertzel Algorithmus gemessen wird, abgestimmt auf eine Nominalfrequenz von f _nom zu einem ungewichteten Verhältnis ASSPNR der nachfolgenden Formel führt:

Hierbei sind wiederum Abrundungsfehler nicht berücksichtigt. In der Formel bedeutet 8000 die Abtastfrequenz und N stellt die Eingangssignalblockgröße dar (beispielsweise N=64 für den Empfänger).

System- und sonstige Erfordernisse bestimmen, daß DTMF-Töne als gültig akzeptiert werden, wenn sie innerhalb ±(1,5%+2 Hz) der Nominalfrequenz liegen. Das Verhältnis ASSPNR variiert als Funktion der absoluten Frequenzabweichung von der Nominalfrequenz. Töne hoher Frequenz sind gekennzeichnet durch ein niedrigeres Verhältnis ASSPNR bei Maximalabweichung als Töne niedriger Frequenz. Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung korrigiert durch Gewichtung der errechneten Energiewerte, die sich bei der Fouriertransformation nach Fig. 2 ergeben, wobei die Gewichtung mit einem Wert erfolgt, der zu einem gewichteten Verhältnis ASSPNR von 0,8 bei der maximalen Frequenzabweichung führt. Die Wichtungsfaktoren, die bei dieser Korrektur verwendet werden, sind in Tabelle 2 dargestellt und werden empirisch bestimmt unter Berücksichtigung der Abrundungsfehler und der nicht ganzzahligen Werte von k.

Tabelle 2

Die gewichtete Energie wird dazu verwendet, zu bestimmen, welcher Ton die höchste Amplitude aufweist. Die gewichtete Energie wird auch für Twists, Umkehrtwists und für Tests bezüglich des Verhältnisses Signal-Rauschen verwendet, wobei ein Twist definiert ist als das Verhältnis der Tonenergien der hochfrequenten und niederfrequenten DTMF-Signale.

Wie schon zuvor erwähnt, ist der Tondetektor 7 bevorzugt Teil eines digitalen Signalprozessors. Die Pseudo-Coderoutine, die vom Tondetektor 7 ausgeführt wird, lautet bevorzugt wie folgt:

BEGINN [Detektor]
Tonerfassungskennzeichen: = vorhanden
Erfassen der niederfrequenten Töne mit der höchsten Energie mittels DFT unter Verwendung des Goertzel Algorithmusses
Erfassen der hochfrequenten Töne mit höchster Energie mittels DFT unter Verwendung des Goertzel Algorithmus
FALLS Energie der niederfrequenten Töne < Detektorschwellwert
DANN Tonerfassungskennzeichen: = falsch
FALLS Energie der hochfrequenten Töne < Detektorschwellwert
DANN Tonerfassungskennzeichen: = falsch
FALLS (hochfrequente Tonenergie/niederfrequente Tonenergie) < maximalem Twistverhältnis DANN
Tonerfassungskennzeichen: = falsch
FALLS (hochfrequente Tonenergie/niederfrequente Tonenergie) < minimalem Twistverhältnis DANN
Tonerfassungskennzeichen: = falsch
FALLS (hochfrequente Tonenergie+niederfrequente Tonenergie)/totale Blockenergie < minimale Detektor ASSPNR DANN
Tonerfassungskennzeichen: = falsch
FALLS Ton-Vorhanden-Kennzeichen DANN
BEGINN
Falls Tonerfassungskennzeichen und (erfaßter Ton = verifizierter Ton) DANN
Tonabwesenheitszählung: = maximale Tonabwesenheitszählung
WEITER
Tonabwesenheitszählung: = Tonabwesenheitszählung -1
FALLS Tonabwesenheitszählung = 0 DANN
BEGINN
Ton-Vorhanden-Kennzeichen: = falsch
Tonabwesenheitszählung: = maximale Tonabwesenheitszählung
Füge Nachricht der Reihe hinzu, die anzeigt, daß ein "verifizierter Ton" erfaßt und verifiziert wurde
ENDE
ENDE
FALLS (Kein-Ton-Vorhanden-Kennzeichen) und Tonerfassungskennzeichen
DANN
BEGINN
Tonverifizierkennzeichen: = vorhanden
verifizierter Ton: = erfaßter Ton
Zahl der verifizierten Blocks: = maximale Zahl der verifizierten Blocks
Einschalten der Register für den Verifizierer
ENDE
ENDE

Der Tondetektor 7 zeigt an, daß ein DTMF-Ton nur dann gültig ist, falls der gewichtete Energiewert von jedem der einzelnen erfaßten Töne einen Energieschwellwert übersteigt, der nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel -32,5 dBm beträgt. Ebenso muß der gemessene Twist zwischen dem Mindesttwistverhältnisschwellwert und dem Maximaltwistverhältnisschwellwert liegen, die gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel -15 dB und 13,5 dB betrugen.

Weiterhin muß das gewichtete Verhältnis ASSPNR größer sein als der Mindestdetektor ASSPNR-Schwellwert, der gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 0,66 betrug.

Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 und dem Pseudocode für den Detektor Algorithmus erwähnt, erzeugt der Tondetektor 7 ein Tonverifiziersignal (Tonverifizierkennzeichen) falls zwei mögliche DTMF-Töne erfaßt wurden. Das Tonverifiziersignal wird der Entscheidungsschaltung 10 zugeführt, die daraufhin die Tonverifizierschaltung 9 einschaltet.

Die Entscheidungsschaltung 10 ist bevorzugt ein Teil des Codes innerhalb des digitalen Signalprozessors zur Steuerung des PCM-Puffers 1, des Konverters 3, des Bandpassfilters 5 und des Schaltkreises 6.

Bevorzugt wird ein Pseudocode zur Ausführung der Entscheidungsschaltung 10 alle 8 Millisekunden wie folgt ausgeführt:

BEGINN
Warte, bis der 8 Millisekunden PCM-Puffer voll ist Setze PCM vom µ-Gesetz (oder A-Gesetz) in lineare Abtastwerte µm
Bandpassfilter für Wahltonzurückweisung
Erhalte Summen-Quadratenergie des gefilterten Signals
FALLS Tonverifizierkennzeichen DANN
Versuche Ton zu verifizieren - führe detaillierte Analyse bei zwei DTMF-Frequenzen durch [wähle Tonverifizierer an] SONST
Versuche Ton zu erfassen - taste alle 8 DTMF-Tonfrequenzen ab [wähle Tondetektor an]
ENDE

Die Funktion der Tonverifizierschaltung 9 besteht darin, alle gültigen Töne zu akzeptieren und möglichst viele nichtgültigen Töne zurückzuweisen. Die Verifizierschaltung 9 analysiert drei aufeinanderfolgende Blocks von 8 Millisekunden des ankommenden Signals, wenn der Tondetektor 7 ein Tonverifiziersignal mit dem logischen Wert H erzeugt. Zwischenresultate werden zwischen aufeinanderfolgenden Anrufen des Verifizierers gespeichert. Nach jedem Anruf des Verifizierers, d. h. wenn der Verifizierer durch die Entscheidungsschaltung 10 eingeschaltet wird, dann wird die folgende Pseudo-Coderoutine durchgeführt:

BEGINN (Tonverifizierschaltung)
Gebe die Summen-Quadratblockenergie in das Verifizierenergieregister ein
Rufe schnelle Version des Detektors ab, um zu bestimmen, ob Ton noch vorhanden ist
FALLS Ton noch vorhanden ist DANN
BEGINN
Anzahl der verifizierten Blocks: = Anzahl der verifizierten Blocks -1
Führe teilweise diskrete Fouriertransformation unter Verwendung des Goertzel's Algorithmus für nieder- und hochfrequente verifizierte Töne durch
FALLS Anzahl der verifizierten Blocks = 0 DANN
BEGINN
Ton-Vorhanden-Kennzeichen: = vorhanden
Errechne Energie für nieder- und hochfrequente Töne mittels einer DFT unter Verwendung des Goertzel Algorithmusses
FALLS Energie der niederfrequenten Töne < Verifizierschwellwert DANN
Ton-Vorhanden-Kennzeichen: = falsch
FALLS Energie der hochfrequenten Töne < Tonverifizierschwellwert DANN
Ton-Vorhanden-Kennzeichen: = falsch
FALLS (Energie der hochfrequenten Töne/Energie der niederfrequenten Töne) < maximalem Verifiziertwist DANN
Ton-Vorhanden-Kennzeichen: = falsch
FALLS (Energie der hochfrequenten Töne/Energie der niederfrequenten Töne) < Mindestverifiziertwist DANN
Ton-Vorhanden-Kennzeichen: = falsch
FALLS (Signalenergievorfilter/Signalenergienachfilter) < Wählton-Vorhanden-Schwellwert
DANN
Mindestverifizier-ASSPNR: = Wählton-Vorhanden-Mindestverifizier-ASSPNR
WEITER
Mindestverifizier-ASSPNR: = Wähltonabwesenheit-Mindestverifizier-ASSPNR
FALLS (Energie niederfrequenter Ton+Energie hochfrequenter Ton)/totale Verifizierenergie < Mindestverifizier-ASSPNR DANN
Ton-Vorhanden-Kennzeichen: = falsch
FALLS Energie niederfrequenter Töne/(Gesamtverifizierenergie - Energie hochfrequenter Töne) < mindest-SNR der niederfrequenten Töne DANN
Ton-Vorhanden-Kennzeichen: = falsch
FALLS Energie der hochfrequenten Töne/(Gesamtverifizierenergie - Energie der niederfrequenten Töne) < Mindest-SNR der hochfrequenten Töne DANN
Ton-Vorhanden-Kennzeichen: = falsch
ENDE
ENDE

Bei der dritten Feststellung des Pseudo-Codes für den Tonverifizierer wird eine schnelle Version des Tondetektors abgerufen um festzustellen, ob der Ton noch vorhanden ist. Die schnelle Detektorversion ist ähnlich wie die normale Tondetektorversion mit Ausnahme, daß weniger einzelne Tonfrequenzen analysiert werden und die Kennzeichen unterschiedlich verwertet werden. Der Hauptzweck der schnellen Detektorversion besteht darin zu bestimmen, ob der verifizierte Ton noch vorhanden ist. Falls die schnelle Detektorversion anzeigt, daß kein Ton mehr vorhanden ist, dann wird die Verifikation beendet und das nächste Ansteuern der Entscheidungsschaltung 10 resultiert in einem darauffolgenden Ansteuern des Tondetektors 7.

Der Detektor 7 erfaßt manchmal nichtkorrekte Töne niederer Frequenz. Dies kann auftreten, da die Frequenzen der niederen Töne frequenzmäßig näher beieinander liegen und infolge der relativ großen nichtlinearen Verzögerung des Wähltonzurückweisungsfilters. Dieser Fehler tritt allgemein auf, falls der Ton kurz nach dem Einschalten des Tondetektors 7 empfangen wird oder falls der Ton beginnt, kurz bevor der Detektorblock 7 eingeschaltet wird und das Wähltonfilter keine Möglichkeit hatte, Feststellungen zu treffen. Um dieses Problem zu kompensieren werden die beiden niederfrequenten Töne, die benachbart zu den erfaßten niederfrequenten Tönen sind, ebenfalls bei der ersten Anwahl der schnellen Detektorversion und der Tonverifizierschaltung 9 analysiert.

Dies gibt dem Detektor die Möglichkeit, den verifizierten Ton zu korrigieren.

Die folgende Tabelle zeigt, in welcher Weise Töne niederer Frequenz durch die schnelle Detektorversion bei der ersten Anwahl von der Verifizierschaltung 9 analysiert werden:

Erfaßter Ton
Durch die schnelle Detektorversion analysierte Töne
697
697, 941, 770
770	770, 697, 852
852	852, 770, 941
941	941, 852, 697

Bei jeder Anwahl der schnellen Detektorversion von der Verifizierschaltung 9 wird folgende Pseudo-Coderoutine ausgeführt:

BEGINN (Schnelle Detektorversion)
Erfasse Verifiziertonenergie der hochfrequenten Töne
Erfasse Verifiziertonenergie der niederfrequenten Töne
FALLS Anzahl der verifizierten Blocks = maximale Anzahl der verifizierten Blocks DANN
BEGINN
Erfasse Energie der Töne nahe dem niederfrequenten verifizierten Ton durch Ausführen einer DFT unter Verwendung des Goertzel's Algorithmus
Erfasse niederfrequente Töne mit höchster Energie durch Ausführen einer DFT unter Verwendung des Goertzel Algorithmus
Verifizierter Ton: = erfaßter Ton
ENDE
Tonerfassungskennzeichen: = vorhanden
FALLS Energie der niederfrequenten Töne < Detektorschwellwert DANN
Tonerfassungskennzeichen: = falsch
FALLS Energie der hochfrequenten Töne < Detektorschwellwert DANN
Tonerfassungskennzeichen: = falsch
FALLS (Energie der hochfrequenten Töne/Energie der niederfrequenten Töne) < maximalem Twistverhältnis DANN
Tondetektorkennzeichen: = falsch
FALLS (Energie der hochfrequenten Töne/Energie der niederfrequenten Töne) < minimalem Twistverhältnis DANN
Tonerfassungskennzeichen: = falsch
FALLS (Energie der hochfrequenten Töne+Energie der niederfrequenten Töne)/gesamte Blockenergie) < Mindestdetektor ASSPNR DANN
Tonerfassungskennzeichen: = falsch
FALLS kein Tonerfassungskennzeichen DANN
Tonverifizierkennzeichen: = falsch
ENDE

Die Tonverifizierschaltung 9 arbeitet ebenfalls unter Verwendung des Goertzel Algorithmus, wie zuvor im Zusammenhang mit dem Tondetektor 7 beschrieben. Die Verifizierschaltung 9 verwendet bevorzugt eine Verifizierblockgröße von N=3×64=192 Abtastungen gemäß dem Prototyp. Diese Blockgröße führt zu einer genaueren Frequenzauflösung und damit zu einer höheren Genauigkeit als dies mit dem Detektor 7 erreicht werden kann.

Wie schon zuvor erwähnt, fordern die Spezifikationen, daß eine Tonfrequenz akzeptiert und als gültiger Ton bewertet wird, wenn diese Frequenz ±(1,5%+2 Hz) der Nominalfrequenz liegt. Falls das Verhältnis ASSPNR für einen reinen Ton nicht konstant im gültigen akzeptierten Frequenzbereich ist, dann müssen die Schwellwerte für den Twist, dem Pegel und das ASSPNR eingestellt werden, um diese Variation zu kompensieren.

Das theoretische ungewichtete ASSPNR führ eine Tonabweichung von 1,5% von der Nominalfrequenz von 697 Hz, gemessen unter Verwendung einer einzigen Goertzel-DFT beträgt beispielsweise:

Eine Tonabweichung von 1,5% von der Nominalfrequenz von 1209 Hz, gemessen mit einer ungewichteten Goertzel-DFT führt zu einem ASSPNR von 0,5130.

Eine erfolgreiche Verifizierung des 697/1209 Hz-DTMF-Tons mit einer Frequenzabweichung von 1,5% würde daher einen Wert für die Mindestverifizier-ASSPNR von weniger als (0,8083+0,5130)/2=0,661 erfordern. Dies bedeutet, daß Signale mit einem gemessenen Rauschanteil von 33,9% akzeptiert werden. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird für die Mindestverifizier-ASSPNR ein Wert von 0,935 festgelegt, was bedeutet, daß alle Signale zurückgewiesen werden, deren gemessener Rauschanteil größer als 6,5% ist.

Die gemessene ASSPNR von rauschlosen DTMF-Tönen ist näherungsweise gleich 1,0, falls beide Tonfrequenzen innerhalb von ±(1,5%+2 Hz) der Nominalfrequenz liegen. Die gemessene Energie fällt schnell ab, falls eine der Frequenzen aus diesem Bereich driftet. Der Wert der gemessenen Energie muß gering genug sein, damit keine Falschablesung für Töne durchgeführt wird, die mehr als 3,5% von der Nominalfrequenz abweichen.

Die obigen Aufgaben werden von der Verifizierschaltung 9 erledigt durch Messen der Energie bei bestimmten DTMF-Frequenzen unter Verwendung mehrerer Goertzel-Filter. Jeder Filter ist auf eine geringe unterschiedliche Frequenz abgestimmt. Die bei jedem abgestimmten Goertzel-Filter gemessene Energie wird gewichtet und summiert. Die gewichtete Summe ist die gemessene Energie bei einer bestimmten DTMF-Frequenz. Zwei Goertzel-Filter werden zur Messung der Energie jedes niederfrequenten Tons und drei Goertzel-Filter zur Messung der Energie jedes hochfrequenten Tons verwendet.

Die folgende Tabelle 4 zeigt die Frequenz und die Wichtung jedes Goertzel-Filters, der durch die Verifizierschaltung 9 benutzt wird:

Tabelle 4

Für alle einzelnen Frequenz DTMF-Töne mit Ausnahme von 697 und 770 Hz ergibt ein reiner Ton, der innerhalb von ±(1,5%+2 Hz) der Nominalfrequenz liegt, ein gemessenes ASSPNR-Verhältnis zwischen 1,0 und 1,019, vorausgesetzt, es sind keine Abrundungsfehler vorhanden. Diese Variation ist eine Funktion sowohl der Frequenz als auch der Phase des gemessenen Signals. Eine Abweichung von 1,4% entsteht in Folge der Frequenzabweichung und eine solche von 0,5% in Folge der Phasenabweichung. Das gemessene ASSPNR-Verhältnis für einen reinen Ton innerhalb des Bereichs ±1,5% bei den Frequenzen von 697 oder 770 Hz liegt zwischen 1,0 und 1,041. Das gemessene ASSPNR-Verhältnis für einen Ton mit einer Abweichung von ±(1,5%+2 Hz) der Nennfrequenz 697 oder 770 Hz liegt zwischen 0,981 und 1,041. Der breitere Bereich des gemessenen ASSPNR-Verhältnisses für die Töne mit 697 oder 770 Hz ist es erforderlich, um eine Zurückweisung von Tönen zu garantieren, die mehr als 3,5% von der Nominalfrequenz abweichen.

Die Tonverifizierschaltung 9 akzeptiert einen DTMF-Ton nur dann, falls die gemessene Energie jedes der einzelnen Töne den Verifizierschwellwert überschreitet, der bei dem Prototyp -32 dBm betrug. In entsprechender Weise wird ein DTMF-Ton nur dann akzeptiert, falls der gemessene Twist zwischen dem Mindest-Verifiziertwistschwellwert und dem maximalen Verifiziertwistschwellwert liegt, die beispielsweise -11,5 dB und 10,5 dB betragen.

Wie schon zuvor erwähnt, wird, sobald von der Tonverifizierschaltung 9 ein Ton verifiziert wurde, vom Tondetektor 7 ein Nachrichtensignal erzeugt, das an die Nachrichtenwarteschlange angelegt wird und von dort zur Hauptsteuerschaltung der Telefonanlage gelangt. Gemäß einem bevorzugten Prototyp wird jede Millisekunde die Nachrichtenwarteschlange 11 daraufhin überprüft, ob ein Nachrichtensignal zu übermitteln ist oder nicht. Falls ein Nachrichtensignal vorliegt, dann wird dieses in einen Datenbus oder einen Nachrichtenkommunikationskanal der Fernmeldeanlage eingegeben, deren Hauptsteuerschaltung zum Ablesen dieses Nachrichtensignals unterbrochen wird.

Das Nachrichtensignal entspricht dem folgenden Format: 0XXXYYYY, wobei das Drei-Bit-Feld XXX dem PCM-Kanal anzeigt, in welchem der DTMF-Ton erfaßt wurde und das Vier-Bit-Feld YYYY einem der 16 DTMF-Töne zu dessen Kennzeichnung zugeordnet ist.

Die vorbeschriebene Arbeitsweise ist nicht nur auf die Erfassung von DTMF-Tönen beschränkt. In gleicher Weise können auch andere Töne wie beispielsweise MF-R1, MF-R2 usw. erfaßt werden.

Claims

1. Digitaler Tonsignalempfänger zur Erfasseung von aus zwei Tönen zusammengesetzten DTMF-Signalen, bei dem die empfangenen Audiosignale bei den zu erfassenden Frequenzen bezüglich ihrer Energie erfaßt und mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tondetektorschaltung (7) vorgesehen ist, die die ankommenden Audiosignale mit einer ersten Genauigkeit bezüglich ihrer Energie erfaßt und die ein Tonverifiziersignal erzeugt, wenn ein mögliches DTMF-Signal erfaßt wurde, dieses Tonverifiziersignal einer Tonverifizierschaltung (9) zugeführt wird, die die ankommenden Audiosignale bei den Frequenzen des möglichen DTMF-Signals mit einer zur ersten Genauigkeit höheren Genauigkeit bezüglich ihrer Energie erfaßt und die ein Tonanwesenheitssignal erzeugt, wenn deren Energie einen Schwellwert übersteigt.

2. Digitaler Tonsignalempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tondetektor- und die Tonverifizierschaltung (7, 9) jeweils eine diskrete Fourier-Transformation mit unterschiedlicher Genauigkeit und Geschwindigkeit durchführen.

3. Digitaler Tonsignalempfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fourier-Transformation durch Filter zweiter Ordnung mit unendlichem Impulsansprechverhalten unter Verwendung des Goertzel-Algorithmus durchgeführt werden.

4. Digitaler Tonsignalempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tondetektorschaltung (7) die Energie der Audiosignale bei Frequenzen erfaßt, die nahe den Frequenzen der DTMF-Signale liegen.

5. Digitaler Tonsignalempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tondetektorschaltung (7) das maximale und minimale Verhältnis der zwei Töne eines DTMF-Signals (Twist-Verhältnis) sowie das Verhältnis zwischen dem Scheinsignal und dem Signal plus Rauschen erfaßt und in Abhängigkeit davon und bei Überschreiten der Energieschwellwerte das Tonverifiziersignal erzeugt.

6. Digitaler Tonsignalempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonverifizierschaltung (9) das maximale und minimale Verhältnis der zwei Töne eines DTMF-Signals (Twistverhältnis) sowie das Verhältnis zwischen dem Scheinsignal und dem Signal plus Rauschen erfaßt und in Abhängigkeit davon und bei Überschreiten der Energieschwellwerte das Tonanwesenheitssignal erzeugt.

7. Digitaler Tonsignalempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tondetektor- und der Tonverifizierschaltung (7, 9) ein Filter (5) vorgeschaltet ist, das ein Durchlaßband aufweist, dessen untere Frequenz unter der Frequenz des niedrigsten DTMF-Tons und dessen obere Frequenz oberhalb der Frequenz des höchsten DTMF-Tons liegt.

8. Digitaler Tonsignalempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Audiosignale die Form von PCM-Signalen haben, die einem PCM-Puffer (1) zugeführt werden, der aufeinanderfolgende Blocks in einem Konverter (3) in lineare Abtastsignale umgesetzt werden.

9. Digitaler Tonsignalempfänger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die PCM-Signale einem Detektor (6) zugeführt werden, der durch Quadrieren und Summieren ein Gesamtenergiesignal der PCM-Signale erzeugt.

10. Digitaler Tonsignalempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Tonanwesenheitssignal den Tondetektor (7) einschaltet, der das Audiosignal bei den Frequenzen des erfaßten DTMF-Signals erfaßt und der bei von ihm erfaßter Beendigung des DTMF-Signals das Tonabwesenheitssignal weiterleitet.

11. Digitaler Tonsignalempfänger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Tondetektorschaltung (7) erfaßte Blockgröße der PCM-Signale geringer ist als die von der Tonverifizierschaltung (9) erfaßte Blockgröße.