DE69325481T2

DE69325481T2 - Verfahren und Apparat zur Verbesserung der Breitbanddetektion eines Tones

Info

Publication number: DE69325481T2
Application number: DE69325481T
Authority: DE
Inventors: Mccaslin Shawn Mccaslin Shawn
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1992-04-06
Filing date: 1993-03-08
Publication date: 2000-01-20
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: DE69325481D1; JPH0630450A; US5198992A; EP0582037A2; EP0582037B1; EP0582037A3; JP3624241B2

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren und einen Apparat zur Signalverarbeitung und im Besonderen auf ein Verfahren und einen Apparat zur Breitbanderkennung eines Tones.

Hintergrund der Erfindung

In Anwendungen wie etwa der Telekommunikation ist es häufig erforderlich, gewisse besondere Signale zu erkennen, die im Datenfluß der Telekommunikation vorhanden sein können. Im DTMF-Telefonsystem ist es z. B. notwendig, zwei Töne zu erkennen, um eine auf der Telefontastatur gedrückte Taste zu dekodieren. Im DTMF-System muß ein Tondetektor das Vorhandensein zweier von verschiedenen möglichen Tönen erkennen, um eine der zwölf Telefontasten zu dekodieren. Der Tondetektor muß zuverlässig zwischen diesen Tönen und anderen Geräuschen wie etwa der menschlichen Stimme und Hintergrundrauschen unterscheiden können. Im DTMF-System sind die Frequenzen, bei denen die vorbestimmten Töne erwartet werden, mit hoher Genauigkeit bekannt, was die Erkennung der Töne erleichtert.
Ein Ton ist eine sinusförmige Welle mit einer bestimmten Frequenz. Ein in DTMF-Systemen eingesetztes Verfahren zur Tonerkennung besteht darin, das Eingangssignal durch ein Bandpassfilter geringer Bandbreite zu führen, und dann die Stärke des durch den Bandpass gefilterten Signals zu messen. Falls ein Ton im Eingangssignal vorhanden ist, wird ein hoher Signalpegel im durch den Bandpass gefilterten Signal gemessen. Der Ton wird durch Vergleich der Stärke des durch den Bandpass gefilterten Signals mit der Stärke in einem anderen Frequenz band erkannt. Dieses andere Frequenzband wird gewählt, um jede mögliche Tonfrequenz auszuschließen, wie etwa die zweite harmonische Oberwelle der höchsten zu erwartenden Tonfrequenz, Falls die Stärke im ersten durch den Bandpass gefilterten Signal die Stärke in dem anderen Frequenzband um einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, ist ein Ton erkannt. Falls kein Ton vorhanden ist wird die gemessene Stärke im durch den Bandpass gefilterten Signal nicht die Stärke in dem anderen Band um den Schwellwert übersteigen. Eine Veränderung im Stärkeverhältnis kann auch verwendet werden, um den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem ein Ton begonnen oder geendet hat. Ein Falsch-Wahr-Übergang in der Auswertung des Stärkeverhältnisses kennzeichnet eine ansteigende Flanke des Tones; ein Wahr-Falsch-Übergang in der Auswertung des Stärkeverhältnisses kennzeichnet eine abfallende Flanke des Tones.
In anderen Anwendungen wird ein Ton bei einer Frequenz irgendwo innerhalb eines weiten Bereiches erwartet. Falls die Bandbreite des Bandpassfilters genügend breit gemacht wurde, um jede beliebige Frequenz für den Ton zu umfassen, werden auch nicht unbedeutende Mengen anderer Bestandteile wie etwa zusätzliches weißes, gausssches Rauschen (additive white Gaussian, AWG) erfaßt, und die Auswertung des Stärkeverhältnisses kann fälschlich einen Ton anzeigen, wenn nur das weiße Rauschen vorhanden ist. Die Zuverlässigkeit, mit der Töne in Gegenwart dieses weißen Rauschens erkannt werden können, kann einen begrenzenden Faktor des Kommunikationssystem darstellen. Daher werden neue Verfahren und Systeme zur Tonerkennung in Gegenwart von Rauschen benötigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Damit in Einklang wird in einer Form ein Verfahren zur Verbesserung der Breitbanderkennung eines Tones bereitgestellt. Ein phasenrichtiges Signal wird am Eingang eines ersten Analog-Digital-Wandlers erfaßt. Ein quadriertes Signal wird am Eingang eines zweiten Analog-Digital-Wandlers erfaßt. Ein Ausgang des ersten Analog-Digital-Wandlers wird um eine Anzahl von einer und zuzüglich einem ganzzahligen Vielfachen von vier Erfassungsperioden verzögert, um ein verzögertes phasenrichtiges Signal bereitzustellen. Das verzögerte phasenrichtige Signal wird zu dem quadrierten Signal addiert, um so ein Summensignal bereitzustellen. Der Ton wird im Summensignal erkannt.
Diese und andere Eigenschaften und Vorteile werden deutlicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden werden, die in Verbindung mit den sie begleitenden Zeichnungen durchgeführt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Abb. 1 veranschaulicht in Form eines Blockdiagramms ein Funktions-Blockdiagramm eines Systems 20 zur Verarbeitung gemischter Signale in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Abb. 2 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Systems 30 zur Verarbeitung gemischter Signale für die Durchführung der Funktionen der Abb. 1.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Abb. 1 veranschaulicht in Form eines Blockdiagramms ein Funktions-Blockdiagramm eines gemischten Systems 20 zur Verarbeitung gemischter Signale in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Ein Basisbandsignal einer anderen Station (nicht gezeigt) wird auf die Hochfrequenz aufmoduliert. Bei dem Basisbandsignal handelt es sich um ein analoges Signal, das unter Verwendung eines Kodierungsschemas wie etwa GMSK, FSK oder ähnlich kodiert wurde. Eine Antenne 21 empfängt das mit "HF-SIGNAL" bezeichnete modulierte Signal. Demodulator/Verstärker 22 ist mit Antenne 21 verbunden und demoduliert das HF-SIGNAL bis hinab zum Basisband, und verstärkt das Signal geeignet zur weiteren Verarbeitung, um ein mit "BASISBANDSIGNAL" bezeichnetes Signal bereitzustellen. Das BASISBANDSIGNAL wird dann einem Dekoder 23 bereitgestellt, wo es dekodiert wird, um ein mit "IQ' bezeichnetes phasenrichtiges Signal und ein mit "QA" bezeichnetes quadriertes Signal bereitzustellen. Signal QA ist um 90 Grad gegenüber dem Signal IA phasenverschoben. Die Analog-Digital- Wandler (ADW) 24 enthalten zwei getrennte ADW, einen für den phasenrichtigen Kanal, der das Signal IA empfängt, der als Ergebnis ein mit "I" bezeichnetes digitales phasenrichtiges Signal bereitstellt, und einen anderen für den quadrierten Kanal, der das Signal QA empfängt und ein mit "Q" bezeichnetes digitales quadriertes Signal bereitstellt. Die ADW 24 erfassen das empfangene Signal mit dem doppelten der Nyquist- Rate (dem Vierfachen der höchstens zu erwartenden Frequenzkomponente). In der veranschaulichten Ausführungsform handelt es sich bei den beiden ADW in ADW 24 um 8-Bit-ADW. Danach empfängt ein Verzögerungselement 25 das Signal I und verzögert es um (1 + 4 N) Erfassungsperioden, wobei N eine Ganzzahl ist, um ein mit "ID" bezeichnetes phasenrichtiges Signal bereitzustellen. Eine Summierungseinrichtung 26 empfängt die Signale ID und Q an daran vorhandenen entsprechenden Eingangsanschlüssen und stellt an einem daran vorhandenen Ausgang ein mit "(ID + Q)" bezeichnetes Summensignal bereit. Das Summensignal (ID + Q) wird dann einem Tondetektor 27 bereitgestellt, der damit die Tonerkennung durchführt, um ein mit "TONERKENNUNG" bezeichnetes Signal bereitzustellen, sofern ein Ton im Summensignal erkannt wurde. Bei dem Tondetektor 26 in der veranschaulichten Ausführungsform handelt es sich um den Tondetektor, der im U.S.-Patent Nr. 5.136.531, erschienen am 4. August 1992, von Shawn McCaslin unter dem Titel "Method of Detecting a Wideband Tone" veröffentlicht wurde. Es kann aber auch ein herkömmlicher Tondetektor eingesetzt werden.
System 20 erkennt das Vorhandensein eines Breitbandtons im empfangenen Signal. Sowohl der I- als auch der Q-Kanal empfangen den selben Ton, aber mit 90 Grad Phasenverschiebung. Falls es sich um weißes Rauschen handelt, ist es zufällig hinsichtlich der Frequenz in der interessierenden Bandbreite. Das weiße Rauschen ist nicht mit der Zeit korreliert (d. h. es besitzt den Drang zur Selbstkorrelation). Daher empfängt Tondetektor 26 durch das Verzögern des I-Signals, um die Tonkomponente phasenrichtig mit dem Q-Signal zu machen, und die Addition des Signals ID zum Signal Q, ein Signal mit einem höheren Tonsignal im Vergleich zum Rauschen. System 20 stellt eine ideale Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) von 3 Dezibel (dB) bereit, was der Quadratwurzel von 2 entspricht.
Da die Frequenz des Tones nicht mit der Nennfrequenz übereinstimmen könnte, beträgt die SNR-Verbesserung nur genau bei der erwarteten Frequenz 3 dB und fällt etwas ab, sobald die Frequenz von der erwarteten Frequenz abweicht. Außerdem könnte die Annahme, dass das Rauschen nicht korreliert ist, nicht vollständig gültig sein. Weil das Rauschen über eine kurze Zeitspanne korreliert sein könnte, wie etwa während einer Erfassung, kann es notwendig sein, den Wert von N zu erhöhen, um die Korrelation zu verringern. Es gibt aber einen Nachteil bei höheren Werten für N, denn die SNR-Verbesserung fällt schärfer ab, wenn die tatsächliche Frequenz von der erwarteten Frequenz abweicht.
Die Blöcke des Systems 20 zur Verarbeitung gemischter Signale können vollständig in Hardware-Schaltkreisen implementiert sein oder mit einer Kombination von Hardware-Schaltkreisen und durch Beeinflussung durch Software oder den Mikrokode, der auf einem Datenprozessor läuft. Die veranschaulichte Ausführungsform implementiert die vorliegende Erfindung mit einer solchen Kombination aus Hardware-Schaltkreisen und Mikrokode, der auf einem Datenprozessor läuft, was insbesondere in Abb. 2 veranschaulicht wird. Abb. 2 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Systems 30 zur Verarbeitung gemischter Signale für die Ausführung der Funktionen der Abb. 1. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Verarbeitung gemischter Signale 30 in einer herkömmlichen integrierten Schaltung implementiert. Das System 30 zur Verarbeitung gemischter Signale enthält einen Empfänger 40, der einen ADW 41 für den I-Kanal und einen ADW 42 für den Q-Kanal enthält, die als herkömmliche Hardware-Schaltkreise implementiert sind. Empfänger 40 empfängt einen Erfassungstakt, der dem doppelten der Nyquist-Rate entspricht. Empfänger 40 enthält ebenfalls eine Schnittstelle für einen Kommunikationsbus 31 zur Leitung von Steuer- und Datensignalen, die mit dem Betrieb des Empfängers 40 in Zusammenhang stehen. Empfänger 40 stellt außerdem ein mit "DATA READY" bezeichnetes Signal für einen Datenprozessor 32 bereit, um anzuzeigen, dass ein demoduliertes, dekodiertes digitales Datenwort vollständig ist. Datenprozessor 32 ist ein Datenprozessor, der für Anwendungen der digitalen Signalverarbeitung (DSP) optimiert ist und enthält einen Mikrokode 33. Mikrokode 33 enthält die Programmierung für Datenprozessor 32, um die zugehörigen Aufgaben der Signalverarbeitung und der Datenmanipulation durchzuführen. Datenprozessor 32 besitzt eine Schnittstelle für Kommunikationsbus 31 zur Leitung von Adress-, Steuer- und Datensignalen auf diesem. Sobald Empfänger 40 das Signal DATA READY bereitstellt veranlaßt ein Programm im Mikrokode 33 daraufhin den Datenprozessor 32, auf das Datenwort zuzugreifen, das vom Empfänger 40 bereitgestellt wird, und das Datenwort in einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 34 zu speichern, der ebenfalls mit dem Kommunikationsbus 31 verbunden ist.
Insbesondere empfängt Datenprozessor 32 eine DATA READY- Anzeige vom Empfänger 40 und stellt Adress- und Steuersignale auf dem Kommunikationsbus 31 bereit, um das Speichern des empfangenen Datenworts in RAM 34 zu bewirken. Es werden zwei Datenplätze, 35 und 36, veranschaulicht. Datenprozessor 32 speichert das empfangene Datenwort I in Datenplatz 35. Nach (1 + 4N) Erfassungen speichert Datenprozessor 32 ebenfalls das Datenwort Q auf einem zweiten Platz 36. Das phasenrichtige Datenwort auf Platz 35 ist also gegenüber dem quadrierten Datenwort auf Platz 36 um (1 + 4N) Erfassungen verzögert. Mikrokode 33 enthält Anweisungen, die den Datenprozessor veranlassen, den Inhalt der Datenplätze 35 und 36 zu addieren und die Summe einer Tonerkennungsfunktion bereitzustellen. Funktionen, die den Blocken 25, 26 und 27 der Abb. 1 entsprechen, werden also vom Mikrokode 33 ausgeführt, der auf Datenprozessor 32 läuft. Es sollte aber deutlich geworden sein, dass verschiedene Kombinationen von Hardware und Software ebenfalls möglich sind.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, wird den mit der Technik Vertrauten klar geworden sein, dass die vorliegende Erfindung auf mannigfache Weise modifiziert werden und so viele andere Ausführungsformen annehmen kann als die, welche voranstehend besonders herausgestellt und beschrieben wurde. Während z. B. GMSK das am höchsten effiziente Dekodierungsschema bereitstellt, kann die Tonerkennung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit Signalen durchgeführt werden, die andere Dekodierungsschemata wie auch etwa FSK verwenden. Damit in Einklang wird mit den beigefügten Patentansprüchen beabsichtigt, alle Modifikationen der Erfindung abzudecken, die in den Anwendungsbereich der Erfindung fallen, wie in den Patentansprüchen definiert.

Claims

1. Ein Verfahren zur Verbesserung der Breitbanderkennung eines Tones mit folgenden Schritten:

Erfassung eines phasenrichtigen Signals an einem Eingang eines ersten Analog-Digital-Wandlers (41);

Erfassung eines quadrierten Signals an einem Eingang eines zweiten Analog-Digital-Wandlers (42);

Verzögerung eines Ausgangs des ersten Analog-Digital-Wandlers (41) um eine Anzahl von einer und zuzüglich dem ganzzahligen Vielfachen von vier Erfassungsperioden, um ein verzögertes phasenrichtiges Signal bereitzustellen;

Addition dieses verzögerten phasenrichtigen Signals zu einem Ausgang des zweiten Analog-Digital-Wandlers (42), um ein Summensignal bereitzustellen; und

Erkennung eines Tones in diesem Summensignal.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Schritt der Erkennung den Schritt des Empfangs des Summensignals an einem Eingang eines Tondetektors (27) aufweist und Tondetektor (27) ein Tonerkennungssignal an einem Ausgang von diesem als Ergebnis der Erkennung eines Tones bereitstellt, der einen vorherbestimmten Schwellwert in einem vorherbestimmten Frequenzband übersteigt.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Schritt der Erfassung des phasenrichtigen Signals weiter die Erfassung des phasenrichtigen Signals mit dem doppelten der Nyquist- Rate des phasenrichtigen Signals aufweist, und worin der Schritt der Erfassung des quadrierten Signals weiter die Erfassung des quadrierten Signals mit dem doppelten der Nyquist-Rate aufweist.

4. Ein Apparat (20) zur Breitbanderkennung eines Tones mit:

Einem ersten Analog-Digital-Wandler (41), der einen Eingang zum Empfang eines analogen phasenrichtigen Signals und einen Ausgang zur Bereitstellung eines digitalen phasenrichtigen Signals hat;

einem zweiten Analog-Digital-Wandler (42), der einen Eingang zum Empfang eines analogen quadrierten Signals und einen Ausgang zur Bereitstellung eines digitalen quadrierten Signals hat;

einem Verzögerungselement (25), das einen mit dem Ausgang des ersten Analog-Digital-Wandlers (41) verbundenen Eingang und einen Ausgang zur Bereitstellung eines verzögerten phasenrichtigen Signals hat, und dieses Verzögerungselement (25) das phasenrichtige Signal um eine und zusätzlich ein ganzzahliges Vielfaches von vier Erfassungsperioden verzögert, um ein verzögertes phasenrichtiges Signal bereitzustellen;

einer Summierungseinrichtung (26) mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Verzögerungselements (25) verbunden ist, und einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des zweiten Analog-Digital-Wandlers (42) verbunden ist, und einem Ausgang; und

einem Tondetektor (27) mit einem Eingang, der mit dem Ausgang der Summierungseinrichtung (26) verbunden ist, und einem Ausgang zur Bereitstellung eines Tonerkennungssignals.

5. Der Apparat gemäß Anspruch 4, der weiter aufweist:

Eine Antenne (21) zum Empfang eines Hochfrequenzsignals;

einen Demodulator (22) mit einem Eingang, der mit der Antenne (21) verbunden ist, und mit einem Ausgang zur Bereitstellung eines Basisbandsignals; und

einen Dekoder (23) mit einem Eingang zum Empfang des Basisbandsignals, und erstem und zweitem Ausgang zur Bereitstellung des analogen phasenrichtigen Signals beziehungsweise des analogen quadrierten Signals als Reaktion darauf.

6. Der Apparat gemäß Anspruch 5, worin das Hochfrequenzsignal als GMSK-kodiertes Hochfrequenzsignal gekennzeichnet ist.

7. Der Apparat gemäß Anspruch 5, worin das Hochfrequenzsignal als FSK-kodiertes Hochfrequenzsignal gekennzeichnet ist.

8. Ein System zur Signalverarbeitung (30) mit:

Einem Kommunikationsbus (31);

einer Vielzahl von Speicherelementen (34), die mit dem Kommunikationsbus (31) verbunden sind;

einem ersten Analog-Digital-Wandler (41) mit einem Eingang zum Empfang eines analogen phasenrichtigen Signals, und einem Ausgang zur Bereitstellung eines digitalen phasenrichtigen Signals, der mit dem Kommunikationsbus (31) verbunden ist;

einem zweiten Analog-Digital-Wandler (42) mit einem Eingang zum Empfang eines analogen quadrierten Signals, und einem Ausgang zur Bereitstellung eines digitalen quadrierten Signals, der mit dem Kommunikationsbus (31) Verbunden ist;

Mitteln (40) zur Bereitstellung einer DATA READY-Anzeige als Reaktion sowohl auf den ersten Analog-Digital-Wandler (41), der die Erfassung des digitalen phasenrichtigen Signals abgeschlossen hat, als auch den zweiten Analog-Digital-Wandler (42), der die Erfassung des digitalen quadrierten Signals abgeschlossen hat;

einem Datenprozessor (32), der mit dem Kommunikationsbus (31) verbunden ist, zur Aktivierung des ersten (41) und des zweiten (42) Analog-Digital-Wandlers zur Bereitstellung, und der Vielzahl von Speicherelementen (34) zum Speichern des digitalen phasenrichtigen Signals und des digitalen quadrierten Signals als Reaktion auf die DATA READY-Anzeige, zur Bereitstellung der Summe des digitalen quadrierten Signals und des digitalen phasenrichtigen Signals, das um eine und zuzüglich ein ganzzahliges Vielfaches von vier Erfassungsperioden gegenüber dem quadrierten Signal verzögert ist, und zur Erkennung eines Tones in der Summe.

9. Das System zur Signalverarbeitung (30) gemäß Anspruch 8, worin die Vielzahl der Speicherelemente (34) aus Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) besteht.

10. Das System zur Signalverarbeitung (30) gemäß Anspruch 8, worin der Datenprozessor (32) Mikrokode-Mitteln (33) zur Speicherung einer Vielzahl von Anweisungen des Datenprozessors (32) enthält.