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Allgemeiner
Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Tondetektoren.
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Töne
dienen vielfältigen
Zwecken in Telekommunikationssystemen. Mehrfrequenztöne oder
-signale (DTMF) werden von Fernsprechteilnehmern zur Eingabe der
Rufnummer eines anzurufenden Teilnehmers verwendet. Außerdem dienen
DTMF-Töne
zum Identifizieren bestimmter Parameter oder Merkmale, deren Verwendung
entweder vor, während
oder nach der Herstellung einer Fernsprechverbindung mit dem anzurufenden
Teilnehmer erwünscht
ist. Eine Nebenstellenanlage (PBX) oder die Vermittlungsstelle,
die einen Teilnehmer versorgt, erkennt von Teilnehmern sowohl für Anruf-
als auch Steuerzwecke eingegebene DTMF-Töne.
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Sprache, Musik, Daten oder andere
Klänge,
die von einem Tondetektor empfangen werden, können bewirken, daß der Detektor
falsch meldet, daß ein
Ton empfangen wurde. Die falsche Erkennung eines Tons aufgrund anderer
Klangeingaben wird als ein „talk-off"-Zustand bezeichnet.
Ausfälle,
wie zum Beispiel falsche Steuerung oder Wählsequenzen ergeben sich aus
solchen Falschdetektionen. Es wurden vielfältige vorbekannte Tondetektoren
mit unterschiedlichem Erfolg eingesetzt, abhängig von der Anwendung und
der Art von zu erkennenden Tönen.
Ein Tondetektor mit verbesserter Fähigkeit zur Zurückweisung
von talk-off-Zuständen wird
zum Beispiel in dem US-Patent 5,325,427 beschrieben. Obwohl bei
der Behandlung des talk-off-Problems Fortschritte erreicht wurden,
werden immer noch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tondetektion
benötigt, bei
denen das Problem weiter minimiert wird. Da immer mehr Fähigkeiten
verfügbar
werden, die auf Tonzeichengabe reagieren, wird noch mehr Wert darauf
gelegt, das Vorhandensein eines Tons oder DTMF-Signals für Steuer-
und Zeichengabezwecke korrekt erkennen zu können. Da solche Zeichengabetechniken
mehr verwendet werden, sind Falscherkennungen ein immer wichtiger
werdendes Problem. Es werden somit eine verbesserte Vorrichtung
und ein verbessertes Verfahren zum Erkennen von Tönen benötigt, die
im wesentlichen gegenüber
talk-off- und Falschdetektionen
immun sind.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist die Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, die
bzw. das die oben beschriebenen talk-off- und Falscherkennungsprobleme
weiter minimiert.
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Diese Aufgabe wird durch die in den
unabhängigen
Ansprüchen
1 und 5 definierten Merkmale gelöst.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden Koeffizienten der linear-prädiktiven Codierung
(LPC) für
Informationen in einem Rahmen von Abtastwerten eines Eingangssignals,
das einen zu erkennenden Ton tragen kann, berechnet. Die LPC-Koeffizienten werden
für eine
Reihe von Modellen bis herauf zu einer vorbestimmten Anzahl vorheriger
Abtastwerte berechnet, wie zum Beispiel für ein Modell, das zwölf vorherige
Abtastwerte verwendet. Wenn die Restenergie, d. h. von dem Modell
unberücksichtigte
Energie, kleiner als ein vorbestimmter Betrag von zum Beispiel 1
Prozent ist und die Ordnung des Modells kleiner als ein vorbestimmter
Wert ist, wie zum Beispiel kleiner als die neunte Ordnung, wird
bestimmt, daß der
Rahmen einen gültigen
Ton enthält.
Bei der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise vor der LPC-Koeffizientenberechnung
eine anfängliche
Bestimmung durchgeführt,
ob ein Ton mit einer bestimmten Frequenz vorhanden ist. Diese ist
erwünscht,
um die zur Implementierung der Technik notwendige Berechnungskomplexität und Rechenleistung
möglichst
gering zu halten; es ist jedoch ersichtlich, daß diese Technik zu Lasten einer
rechnerischen Komplexität
oder Leistung ohne die zuvor durchgeführte Tonbestimmung verwendet
werden könnte.
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Ein andere Aspekt gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betrifft eine weitere Tonbestimmungstechnik,
bei der an einem vorbestimmten Modell höchster Ordnung, für das LPC-Koeffizienten berechnet
werden, eine diskrete Fouriertransformation durchgeführt wird.
Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
ist eine Analyse durch diskrete Fouriertransformation (DFT) möglich, da
zuvor eine vorbestimmte Identifikation des Tons und seiner Frequenz
erfolgte. Vorzugsweise werden drei DFT-Berechnungen durchgeführt: eine
bei der Energiespitze des Tons und zwei weitere DFTs an beabstandeten
Frequenzen in gleichem Abstand von der Spitzenfrequenz, wie zum
Beispiel um 2,5 Prozent. Die beiden Tal- oder Seiten-DFT-Antworten
werden zusammen addiert und mit dem Spitzen-DFT-Wert verglichen.
Wenn dieser Vergleich ein vorbestimmtes Minimum übersteigt, wird bestimmt, daß ein Ton
existiert und es wird bestimmt, daß ein gültiger Ton empfangen worden
ist.
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Im Fall von Mehrfrequenztönen (DTMF-Tönen) werden
entsprechende Spitze und Täler
für jeden
der beiden Töne,
die gleichzeitig vorhanden sind, wenn ein DTMF-Ton vorhanden ist, berechnet. In diesem
Fall müssen
Vergleiche der Spitzen mit den Tälern
für den
hohen und den niedrigen Ton eines DTMF-Signals beide ein vorbestimmtes
Minimum übersteigen,
damit es zu einer Gültigkeitsbestimmung
kommt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
eines Tondetektors gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
ein Blockschaltbild einer Computerarchitektur, die zur Implementierung
einer Ausführungsform
des Tondetektors gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann.
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3 ist
ein Blockschaltbild der Ziffernbestimmungsschaltung von 1.
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4 liefert
eine visuelle Abbildung der Beziehung von DTMF-Tönen, wobei die Verwendung eines Tons
niedriger Frequenz und eines Tons hoher Frequenz zur Erzeugung von
bis zu 16 DTMF-Signalen gezeigt ist.
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5 ist
eine graphische Darstellung eines DTMF-Tons, der aus einem Ton niedriger
Frequenz und einem Ton hoher Frequenz besteht.
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6 ist
ein Graph eines um einen Ton zentrierten Detektionsfensters.
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7 ist
ein Graph eines Detektionsfensters, das nicht in bezug auf einen
zu erkennenden Ton zentriert ist.
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Ausführliche
Beschreibung
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1 ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die als drei Teile enthaltend angesehen werden kann:
eine Ziffernbestimmungsschaltung 10, eine erste Ziffernvalidierungsschaltung 12 und
eine zweite Ziffernvalidierungsschaltung 14. Die Ziffernbestimmungsschaltung 10 empfängt digitalisierte
Abtastwerte eines Signals, das zum Beispiel auf einem Kommunikationskanal
in einem Telekommunikationsnetz geführt wird, in dem die Töne für Zeichengabe-
oder Befehlszwecke verwendet werden. Zum Beispiel könnten die
Töne aus
einem einzigen Audiofrequenzton mit einer gegebenen Frequenz bestehen,
oder aus DTMF-Tönen,
wie zum Beispiel den gewöhnlich
im Fernsprechnetz verwendeten. Wie in 7 gezeigt,
bestehen DTMF-Töne
aus Paaren von Audiofrequenztönen,
die gleichzeitig mit jeweiligen Frequenzen gesendet werden. Die
Schaltung 10 bestimmt anfänglich, ob ein DTMF-Signal,
das eine Ziffer darstellt, empfangen wurde.
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Die beispielhafte Ausführungsform
der ersten Validierungsschaltung
12 enthält einen
Abtastwertpuffer
16, der einen Rahmen digitalisierter Eingangsabtastwerte
speichert. Dieser Rahmen enthält
mindestens denselben Rahmen, an dem die Ziffernbestimmungsschaltung
10 eine
entsprechende Bestimmung durchgeführt hat. Ein Rahmen von Eingangsabtastwerten
wird mit LPC-Koeffizienten
dargestellt. Die Spektralhöhe
der LPC-Funktion
stimmt gut mit der des ursprünglichen
Signals überein.
Die LPC-Funktion kann unter Verwendung der folgenden Gleichung definiert
werden:
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Dabei ist: sk das
Signal zum Zeitpunkt k;
an der LPC-Koeffizient
für den
n-ten vorherigen Abtastwert;
Sk-n das
Signal zum Zeitpunkt k-n, d. h. der n-te vorherige Abtastwert;
ek der Prädiktionsfehler
oder -rest zum Zeitpunkt k.
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Die Funktion in Klammern in der obigen
Gleichung stellt die LPC-Funktion dar, und ek die
in dem abgetasteten Signal enthaltene Energie, die durch das LPC-Modell
nicht berücksichtigt
wird.
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Wenn die Ziffernbestimmungsschaltung 10 eine
positive Entscheidung durchführt,
d. h. daß von
mehreren vorbestimmten Tönen
oder Ziffern einer bzw. eine empfangen wurde, wird das Abtastgatter 18 geschlossen,
wodurch die gespeicherten Abtastwerte in dem Puffer 16 zu
dem Multiplizierer 20 transferiert werden. Bei der beispielhaften
Ausführungsform
bilden 160 Abtastwerte einen Rahmen. Die andere Eingabe 22 für den Multiplizierer 20 kann
aus einer Raised-Cosine-Funktion bestehen, die bei Multiplikation
mit den Eingangsabtastwerten als ein Hamming-Fenster wirkt, das
die Effekte des Isolierens der 160 Abtastwerte von dem
kontinuierlichen Datenstrom glättet.
Zum Beispiel kann die Raised-Cosine-Funktion folgendes umfassen: WH(k) = 0,54 – 0,46 cos(2πk/159)mit
k = 0,1, ..., 159.
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Die Ausgabe des Multiplizierers
20,
die aus gewichteten Abtastwerten besteht, wird dem Autokorrelationskalkulator
24 als
Eingabe zugeführt,
der für
eine Verzögerung
von i Abtastwerten auf der Grundlage der Hamming-Fenster-Daten einen
einzigen Autokorrelationswert berechnet. Bei Bezeichnung der Eingangssequenz
für den
Autokorrelationskalkulator
24 als s
k wird
der Autokorrelationswert „r" für eine Verzögerung von
i Abtastwerten folgendermaßen
definiert:
dabei identifiziert k einen
ankommenden Abtastwert; i stellt die Leistung des LPC-Modells dar,
die bei der beispielhaften Ausführungsform
von 1 bis 12 reicht.
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Es wird jedoch nur ein einziger Autokorrelationswert,
d. h. eine gegebene Leistung, auf einmal berechnet. Die Autokorrelationswerte
werden vorzugsweise in einem Array gehalten. Da die Autokorrelationsberechnung
in der Regel der rechenintensivste Teil der Erzeugung einer Menge
von LPC-Koeffizienten ist, kann das Berechnen des Werts von einer
Zeitverzögerung
auf einmal mit anschließender
Auswertung der Anpassung des mit diesem Wert erzeugten LPC-Modells
die Gesamtzahl von Berechnungen minimieren, wenn vor der Erreichung
der maximalen Ordnung des Modells, wie zum Beispiel der zwölften Ordnung
bei der beispielhaften Ausführungsform,
eine Anpassung eines gewünschten
Werts (später
besprochen) bestimmt wird.
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Der LPC-Koeffizientenkalkulator
26 empfängt die
von dem Autokorrelationskalkulator
24 bestimmten Autokorrelationswerte
als Eingaben und berechnet vorzugsweise den Reflexionskoeffizienten
k des Index i auf der Grundlage des ersten Schritts der Levinson-Durbin-Rekursionslösung für die Normalgleichungen
von Yule-Walker, mit der folgenden Definition:
dabei ist k der Reflexionskoeffizient
für die
i-te Ordnung;
r ist der Autokorrelationswert für den referenzierten
Index;
a ist das j-te Element der Menge von LPC-Koeffizienten
der Ordnung i-1;
E ist das Quadrat des Restfehlers des LPC-Systems
der Ordnung i-1.
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Genau wie bei den Autokorrelationswerten
wird für
jede Ordnung nur ein Reflexionskoeffizient berechnet, d. h. für jede i-te
Iteration. Nachdem sie berechnet wurden, werden diese Werte in einem
Array gespeichert.
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Der LPC-Koeffizientenkalkulator 26 berechnet
weiterhin die Koeffizienten a(j) auf der Grundlage der folgenden
Formeln:
aj
(i) =
ki für
j = i, und aj
(i) = aj
(i-1) – kia(i-1) für j = 1,
2, ..., i-1.
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Die von den Elementen 24 bzw. 26 erzeugten
Autokorrelationswerte und LPC-Koeffizienten erzeugen jeweils nur
die entsprechenden Werte für
eine Ebene, oder Ordnung des Modells auf einmal. Ein Entscheidungsschritt 28 bestimmt,
ob die i-te Ordnung größer als 11 ist.
Eine NEIN-Antwort führt
zu einer weiteren Bestimmung im Schritt 30, ob die Restenergie
kleiner als 1 Prozent ist, und ob die i-te Ordnung kleiner als 9
ist. Es wird angenommen, daß eine
Restenergie im Bereich von 0,5% bis 4% geeignet ist, wobei 0,5%
bis 2% bevorzugt sind. Es könnte
eine i-te Ordnung von 4 bis 12 verwendet werden, obwohl ein Bereich
von 6 bis 9 bevorzugt wird. Die Restenergie kann folgendermaßen berechnet
werden: E(i) = (1 – k2i )E(i-1) dabei ist E(i) die
Restenergie, die durch das LPC-Modell für die i-te Ordnung nicht berücksichtigt
wird; k ist der oben für
die i-te Ordnung definierte Koeffizient.
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Die Restenergie für ein LPC-System der Ordnung
Null (E(0)) ist die Energie der Hamming-Fenster-Daten,
berechnet durch den Autokorrelationskalkulator 24. Die
obigen Restenergieschwellen sind vorzugsweise Prozentsätze von
E(0).
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Eine NEIN-Bestimmung durch den Bestimmungsschritt 30 führt zu einer
Erhöhung
der Ordnung um 1, wie durch den Block 32 dargestellt, und
zu einer Berechnung der LPC-Parameter
der nächsthöheren Ordnung. Eine
JA-Bestimmung durch den Bestimmungsschritt 30 gibt an,
daß die
Kriterien erfüllt
wurden, wodurch eine Eingabe für
das OR-Gatter 34 bereitgestellt wird. Die Ausgabe des OR-Gatters 34 liefert
ein Ziffernvalidierungssignal, das an die Ziffernbestimmungsschaltung 10 angekoppelt
wird und bewirkt, daß die
Schaltung 10 die zuvor betrachtete Ziffer auf der Ausgangsleitung 36 an
andere Schaltkreise in dem Telekommunikationssystem ausgibt, das
die Ziffer zur Erzeugung eines Ergebnisses oder einer Aktion verwendet.
Die Ausgabeziffer kann zum Beispiel die Eingabe eines Teilnehmers
eines DTMF-Tons darstellen, der als Teil einer Rufnummer als Eingabewählziffer
verwendet wird, oder die Auswahl eines Teilnehmers, einen Dienst
zu empfangen, oder als Antwort auf ein dem Teilnehmer abgespieltes
hörbares
Menü, bedeuten
kann.
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In bezug auf die in 1 dargstellte erste Validierungsschaltung 12 hat
die Prüfung
empirische Daten ergeben, die zu den Auswahlmöglichkeiten der angegebenen
Kriterien für
die Entscheidungsschritte 28 und 30 führten. Obwohl
die angegebenen Werte bevorzugt sind, ist für Fachleute erkennbar, daß die Auswahlmöglichkeiten
der Parameter des Schritts 30 (die i-te Ordnung und die
Restenergie E(i)) innerhalb von Bereichen veränderlich
sein können
und weiter Ergebnisse produzieren, die gemäß der vorliegenden Erfindung
erwünscht
sind. Eine Restenergieschwelle zwischen 0,5 Prozent und 4 Prozent
kann verwendet werden, und die i-te Schwelle kann im Bereich von
4 bis 12 liegen. Ein weiterer bevorzugter Bereich für die i-te Ordnung existiert zwischen
6 und 9, und zwischen 0,5 Prozent und 2 Prozent für die Restenergieschwelle.
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Der Vorteil der Durchführung einer
früheren
Validierungsbestimmung durch die erste Validierungsschaltung 12,
ohne die maximale i-te Ordnung zu erreichen, liefert rechnerische
Effizienzen durch Beseitigung von Berechnungen für Modelle höherer Ordnungen und beseitigt
gemäß der vorliegenden
Erfindung Aktionen durch die zweite Validierungsschaltung 14.
Es ist zu beachten, daß die
Schwelle für
die i-te Ordnung im Schritt 30 (i < 9) kleiner als die im Schritt 28 angegebene
maximale i-te Ordnung (i > 11)
ist. Es wurde bestimmt, daß ein
im Schritt 30 spezifizierter Restenergiepegel unerwünschterweise
erreicht werden kann, wenn erlaubt wird, daß die i-te Ordnung einen Maximalwert übersteigt
und somit eine falsche Validitätsbestimmung
liefert. Für
Modelle höherer
Ordnung kann eine bessere Anpassung an Daten erreicht werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird somit gewünscht,
die i-te Schwelle im Schritt 30 auf weniger als und vorzugsweise
mehr als zwei Ordnungen weniger als die Ordnung einzurichten, die
für eine
JA-Bestimmung durch
den Schritt 28 erforderlich ist.
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Die zweite Validierungsschaltung 14 enthält eine
Schaltung 38, die die Mittenfrequenz für die Spitzenenergieantwort
in einem gegebenen Fenster um die zuvor bestimmte bekannte Mittenfrequenz
herum findet und eine DFT-Analyse an dem oben berechneten Modell
auf der Grundlage von LPC-Koeffizienten berechnet. Die Berechnung
durch die Schaltung 38 erfolgt auf der Grundlage der zwölften Ordnung,
d. h. der minimalen Granularität,
die für
ein JA durch den Entscheidungsschritt 28 notwendig ist.
Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
führt die
Schaltung 38 somit ihre Operationen auf der Grundlage eines
LPC-Modells zwölfter Ordnung
durch.
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Wie nachfolgend in bezug auf 6 und 7 beschrieben werden wird, findet die
Schaltung 38 vorzugsweise die Mitte einer Energieantwort
in einem Fenster um eine für
den entsprechenden Ton definierte vorbestimmte Mittenfrequenz herum.
Für Fachleute
ist erkennbar, daß ein
Aufbau von Toleranzen dazu führen
kann, daß die Spitzenenergie
für eine
antizipierte Frequenz in einem Bereich um die definierte Frequenz
herum auftreten kann. Eine Aufgabe der Schaltung 38 besteht
darin, innerhalb eines begrenzenden Fensters zu bestimmen, wo die
Spitzenenergie liegt, falls sie nicht an der korrekt definierten
Frequenz für
den Ton liegt. Diese definierte Frequenz in dem Fenster der Spitzenantwort
wird dann für
die Spitzenberechnung der DFT verwendet.
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Bei der beispielhaften Ausführungsform
erfolgen DFT-Berechnungen
vorzugsweise auf jeder Seite der vorbestimmten Frequenz der Spitzenenergieantwort.
In dem Beispiel, bei dem ein DTMF-Ton erkannt werden soll, existieren
zwei Mengen von Ausgaben aus der Schaltung 38, wobei jede
Menge aus folgendem besteht: einem Wert, der die Energie an der
Spitze darstellt, und entsprechenden Energiewerten, die über und
unter der Frequenz der Spitzenenergie bestimmt werden, wie zum Beispiel
bei 2,5% der Spitzenfrequenz über
und unter der Spitzenfrequenz. Obwohl sich Talenergien bei ± 2,5%
gut für
diese Anwendung eignen, könnten
auch Talenergien bei ± 0,5%
bis 5% verwendet werden, wobei sich ± 1% bis 3% besonders eignen.
Die Schaltung 40 empfängt
die Spitzen- und die zwei Talenergieberechnungen, die sich aus der
DFT für
den hohen Ton ergeben, und die Schaltung 42 empfängt die
Spitzen- und die beiden entsprechenden Talenergien für einen
entsprechenden niederfrequenten Ton. Gemäß der beispielhaften Ausführungsform
addiert die Schaltung 40 die für die beiden Talwerte berechneten
Energien und dividiert das Ergebnis in die Energie, die dem Spitzenenergiewert
zugeordnet ist. Die Schaltung 42 führt eine ähnlich Berechnung in Bezug
auf den anderen DTMF-Ton durch, sodaß jede der Schaltungen 40 und 42 einen
Wert ausgibt, der einen Vergleich zwischen der Energie bei der Spitzenfrequenz
relativ zu der Energie in den bestimmten Tälern darstellt. Die Bestimmungsschritte 44 und 46 liefern
eine Bestimmung auf der Grundlage der Ausgangsberechnung aus den
Schaltungen 40 bzw. 42. Der von den Schaltungen 40 und 42 ausgegebene
Wert betrifft im allgemeinen die Steigung der Spitzenenergien relativ
zu den Werten. Ein vorbestimmter Minimalwert für die jeweiligen Töne mit hoher
und niedriger Frequenz, wie durch die Schritte 44 bzw. 46 bestimmt,
muß für die Ausgabe
der Bestimmungsschritte 44 und 46 überschritten
werden, um ein JA zu ergeben, das als Eingabe dem AND-Gatter 48 zugeführt wird.
Die Ausgabe des AND-Gatters wird als Eingabe von dem OR-Gatter 34 empfangen.
Das OR-Gatter liefert eine gültige-Ziffernbestimmungsausgabe,
die zu der Ziffernbestimmungsschaltung 10 übertragen
wird, die dann die vorläufig
bestimmte Ziffer an dem Ausgang 36 als eine gültige Ziffer
ausgibt. Eine NEIN-Bestimmung durch einen der Bestimmungsschritte 44 oder 46 führt dazu,
daß das
OR-Gatter 50 der Ziffernbestimmungsschaltung 10 eine
Ausgabe zuführt,
die einen Neustart bewirkt und anzeigt, daß die vorläufig bestimmte Ziffer, die
von der Schaltung 10 als vorhanden angenommen wurde, nicht
validiert wurde und somit nicht auf dem Ausgang 36 ausgegeben
wird. Eine Ausgabe aus dem OR-Gatter 50 bewirkt also eine
Neuinitialisierung, so daß die
Ziffernbestimmungsschaltung 10 versucht, in späteren Datenrahmen
nach dem Vorhandensein möglicherweise
gültiger
Ziffern oder Töne
zu suchen.
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Die entsprechenden Minimalwerte,
die in den Schritten 44 und 46 für die Erkennung
von DTMF-Ziffern verwendet werden, sind in der nachfolgenden Tabelle
angegeben.
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Die obige Tabelle basiert auf empirischen
Informationen, mit denen Bestimmungen durchgeführt werden, ob entsprechende
DTMF-Ziffern gemäß der vorliegenden
Erfindung als gültig
bestimmt werden sollten. Es versteht sich, daß diese Steigungen für die konkrete
Implementierung galten, die ein LPC-Modell zwölfter Ordnung enthält, das
eine Anpassung an entsprechende DFT-Berechnungen auf der Grundlage
einer zentrierten Spitzenfrequenzausgabe mit entsprechenden Tälern mit
einem Trennungsabstand von 2,5 Prozent auf jeder Seite der Spitzenfrequenz
liefert.
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Die zweite Validierungsschaltung 14 liefert
einen größeren Granularitätsgrad der
Entscheidungsfindung, der die erste Validierungsschaltung 12 übersteigt.
Für Fachleute
ist erkennbar, daß die
erste Validierungsschaltung besonders dafür nützlich ist, die erforderliche
rechnerische Komplexität
und Entscheidungsfindung zu verringern, d. h. es unnötig zu machen,
daß die
zweite Validierungsschaltung an den Daten wirkt. Die Entscheidung,
die einer JA-Ausgabe durch den Entscheidungsschritt 30 zugeordnet
ist, könnte
beseitigt werden, wobei jeder Rahmen nur von der zweiten Validierungsschaltung 14 validiert
wird. Es wäre
jedoch eine wesentliche Zunahme der rechnerischen Komplexität/Leistung
erforderlich, wenn die erste Validierungsschaltung beseitigt würde. Auf
einer statistischen Grundlage wird eine beträchtliche Anzahl von Tönen als
gültig
validiert, ohne daß eine
Aktion durch die zweite Validierungsschaltung erforderlich ist.
Es wird als vorteilhaft angenommen, die erste Validierungsschaltung
in Verdindung mit der zweiten Validierungsschaltung zu implementieren, da
die durch die erste Validierungsschaltung zu verwendenden Parameter
als Zwischenschritte bei der Erreichung der für die zweite Validierungsschaltung
höhere
Ordnung benötigten
Parameter erzeugt werden. Somit dient man den Effizienzen und Wirtschaftlichkeiten
am besten durch Benutzung der ersten Validierungsschaltung in Kombination
mit der zweiten Validierungsschaltung.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild einer Computerarchitektur 60 zur Implementierung
der vorliegenden Erfindung. Für
Fachleute ist erkennbar, daß die
vorliegende Erfindung durch spezifische Hardwareschaltungen, spezialisierte
integrierte Schaltungen oder durch eine Computerarchitektur 60 wie
in 2 gezeigt implementiert
werden kann. Ein Mikroprozessor 62 wird von Nurlesespeicher
(ROM) 64, Direktzugriffsspeicher (RAM) 66 und
ein nichtflüchtiges
Datenspeicherelement 68, das eine Festplatte umfassen kann,
unterstützt. Außerdem wird
ein digitaler Signalprozessor (DSP) 70 von ROM 64,
RAM 66 und dem Datenspeicherelement 68 unterstützt. Ein
Direktkommunikationskanal oder Bus 72 koppelt vorzugsweise
den Mikroprozessor 62 und den DSP 70, um eine
schnelle Übertragung
von Daten zwischen ihnen zu ermöglichen.
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Für
Fachleute ist erkennbar, daß der
DSP 70 besonders für
die Ausführung
von mathematischen Berechnungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung
benutzt werden, geeignet ist. Eine Eingangs-/Ausgangssteuerung 74 ist
durch die Kommunikationsleitung 76 mit dem Mikroprozessor 62 und
durch die Kommunikationsleitung 78 mit dem DSP 70 gekoppelt.
Die Eingangs-/Ausgangssteuerung 74 liefert eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle
zwischen dem Mikroprozessor 62 und dem DSP 70,
den als Eingaben empfangenen digitalen Eingangsabtastwerten und
der Ausgangsleitung 36, auf der gültige Ziffern übertragen
werden. Ein gespeichertes Programm kann die für die Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschriebenen Aktionen implementieren.
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3 ist
ein Blockschaltbild einer Ziffernbestimmungsschaltung 10,
wie in 1 gezeigt. Ein
Rahmenpuffer 100 speichert einen Rahmen von Eingangsabtastwerten.
Eine Leistungsberechnungsschaltung 102 berechnet die Gesamtleistung,
die in den Abtastwerten enthalten ist, die in dem aktuellen Rahmen
enthalten sind, und liefert die berechnete Leistung an den Entscheidungsschritt 104.
Wenn die berechnete Gesamtleistung eine vorbestimmte Schwelle übersteigt,
führt der
Bestimmungsschritt 104 zu einer JA-Entscheidung, die bewirkt, daß sich das
Abtastgatter 106 schließt, wodurch die aktuellen Abtastwerte
in dem Rahmen zu der Frequenzbereichsanalyseschaltung 108 transferiert
werden. Eine NEIN-Bestimmung durch den Schritt 104 führt dazu,
daß der
Rahmenpuffer 100 zurückgesetzt
wird und einen neuen Rahmen von Eingangsabtastwerten empfängt, an
dem durch die Schaltung 102 eine weitere Gesamtleistungsberechnung
durchgeführt
wird. Dieser Teil der Ziffernbestimmungsschaltung 10 wirkt
also als eine Schwellenbestimmung, um zu bestimmen, ob in den Abtastwerten
eines Rahmens ausreichend Leistung existiert, um eine weitere Analyse
zu rechtfertigen.
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Die Frequenzbereichsanalyseschaltung 108 kann
DFT-Berechungen
an den acht DTMF-Tönen
zugeordneten Frequenzen umfassen. Die Analyseschaltung 108 liefert 8 Ausgaben
X(f1) ... X(f8)
, wobei die Ausgaben jeweils eine berechnete Energie an jeder der
acht Frequenzen, die den acht möglichen
DTMF-Frequenzen zugeordnet sind, darstellen. Eine Ziffernauswahlschaltung 110 empfängt die
acht Ausgaben aus der Analyseschaltung 108 und liefert
einen Vergleich jeder der acht Ausgaben mit einer vorbestimmten
Schwelle, um zu bestimmen, welche etwaige DTMF-Ziffer in dem aktuellen
Rahmen vorliegt. Wenn bestimmt wird, daß keine Ziffer vorliegt, wird
auf der Kommunikationsleitung 112 ein Ausgangssignal von
der Ziffernauswahlschaltung 110 zu dem Rahmenpuffer 100 übertragen,
wodurch bewirkt wird, daß der
Puffer zurückgesetzt
und die Verarbeitung des nächsten
Rahmens Abtastwerte eingeleitet wird. Wenn die Ziffernauswahlschaltung 110 bestimmt, daß eine Ziffer
vorliegt, wird die Ziffer identifiziert und zu der Schaltung 114 gesendet,
die ein Register umfassen kann, das die erkannte Ziffer speichert.
Die Schaltung 114 sendet die Ziffer jedoch erst dann zu
der Ausgangsleitung 36, wenn sie von dem OR-Gatter 34 von 1 erzeugtes Ziffer-gültig-Signal
empfängt.
Nach der Verarbeitung durch die erste und die zweite Validierungsschaltung 12 bzw. 14 von 1 und der vorläufigen Bestimmung,
die in der Schaltung 114 gespeichert wird, wird entweder
ein Ziffer-gültig-Signal erzeugt oder
das OR-Gatter 50 erzeugt ein Ziffernsuch-Neustart-Signal.
Der Empfang des Ziffergültig-Signals
durch die Schaltung 114 bewirkt, daß die gespeicherte Ziffer auf
der Ausgangsleitung 36 übertragen
wird. Im Anschluß an
die Übertragung
dieser Ziffer werden die Schaltkreise dann zurückgesetzt, um einen weiteren
Rahmen von Daten zu verarbeiten. Wenn das NOR-Gatter 50 das
Ziffernsuch-Neustart-Signal erzeugt, wird die in der Schaltung 114 gespeicherte
Ziffer verworfen und nicht auf der Ausgangsleitung 36 übertragen.
Das Ziffernsuch-Neustart-Signal sowie die Ziffer-gültig-Signale
können
an die Ziffernauswahlschaltung 110 angekoppelt werden, die
zum Einleiten eines Rücksetzens
der den Rahmenpuffer 100 enthaltenden Schaltkreise dienen,
um den nächsten
Rahmen von Daten zu empfangen.
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Für
Fachleute ist erkennbar, daß die
Ziffernbestimmungsschaltung 10 vielfältige Arten von Schaltkreisen
außer
der in 3 gezeigten beispielhaften
Schaltung umfassen kann. Zum Beispiel kann die Ziffernbestimmungsschaltung 10 einen
Tondetektor umfassen, der in dem eigenen US-Patent 5,325,427 mit
dem Titel „Apparatus
and Robust Method for Detecting Tones" beschrieben wird. Auf dieses Patent
wird hiermit ausdrücklich
Bezug genommen.
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4 zeigt
eine graphische Darstellung eines 4 × 4-Matrixtelefontastenfelds, das zur Kodierung
von 16 DTMF-Symbolen verwendet werden kann. Für Fachleute ist erkennbar,
daß die
vierte Spalte auf einem Standardapparat im allgemeinen weggelassen
wird. Die Zeilen stellen die Töne
niedrigerer Frequenz von f1...f4 dar,
während
die Spalten die Töne
höherer
Frequenz f5...f8 darstellen.
Die Frequenzen, die den niedrigen Tönen zugewiesen werden, reichen
von 697 Hertz (Hz) für
f1 bis zu 941 Hz für f4;
die Töne
höherer
Frequenz reichen von 1209 Hz für
f5 bis 1633 Hz für f8.
Die Verwendung der Tasten auf einem Standardapparat führt zu der Übertragung
der beiden entsprechenden Töne,
die durch den Querschnitt der entsprechenden Zeilen- und Spaltenleitungen
in 4 angegeben werden.
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5 zeigt
einen Graph, in dem die Energieamplitude als Funktion der Frequenz
für die
hörbaren
Frequenzen, die die DTMF-Tonfrequenzen enthalten, aufgetragen ist.
In dem beispielhaften Graph stellt die Linie 150 eine Gesamtantwort
dar, die eine Spitze 152 bei einer niedrigeren Frequenz
und eine Spitze 154 bei einer höheren Frequenz enthält. Jede
dieser Spitzen ist um eine niedrigere Frequenz f1 bzw.
eine höhere
Frequenz fh zentriert. Dieser Graph zeigt
eine idealisierte Antwort für
eine Empfangskurve einer DTMF-Ziffer, in der die niedrigere Frequenz
der Spitze 152 und der Ton höherer Frequenz der Spitze 154 entspricht.
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6 zeigt
einen ähnlichen
Graph wie 5, in dem
nur eine einzige Energiespitze 160 bei der Frequenz fL gezeigt ist. Ein Fenster 162,
das bei der beispielhaften Ausführungsform
in gleichem Abstand oder zentriert um die Frequenz der Spitze liegt,
ist gezeigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform stellt das Fenster einen
Bereich um die Spitze dar, der ± 0,5% bis 5% der Frequenz
fL umfassen kann, wobei 2,5% ein bevorzugtes
Fenster ist. Die untere und obere Frequenz des Fensters werden durch
die Frequenzen fL1 bzw. fL2 definiert. Dieser
Graph zeigt die Spitzenenergie auf P(f1),
so wie sie der Steigungsschaltung 42 zugeführt wird,
sowie die Talenergiebestimmungen V (fL1)
und V (fL2) , die der unteren und oberen
Energiebestimmung an der entsprechenden unteren und oberen Frequenz
des Fensters 162 entsprechen. Die Differenz zwischen den
Energiepegeln an der Spitze und den Rändern des Fensters 162 wird
bei der Bestimmung im Schritt 46 verwendet, ob ein gültiger Ton
in der zweiten Validierungsschaltung 14 empfangen wurde.
Für Fachleute
ist erkennbar, daß für den Ton
der oberen Frequenz, der der Steigungsschaltung 40 zugeordnet
würde,
eine im wesentlichen identische Technik verwendet und eine resultierende
Bestimmung im Schritt 44 durchgeführt würde.
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7 zeigt
einen Graph der Energieamplitude als Funktion der Frequenz, wobei
die Spitzenenergie 170 in bezug auf ein Fenster 172 gezeigt
ist. Bei dem veranschaulichenden Beispiel fällt die Frequenz fp der Energiespitze
nicht mit der Frequenz fc zusammen, die
die Mittenfrequenz des Fensters 172 darstellt. Dadurch wird
graphisch ein Fall dargestellt, in dem ein empfangener Ton keine
Energiespitze aufweist, die genau bei der für den Ton spezifizierten Frequenz
liegt. Dazu kann es aufgrund von verschiedenen Faktoren kommen, darunter
ein Toleranzaufbau, der zu der Erzeugung des Tons in einem Bereich
seiner spezifizierten Frequenz führt.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird bevorzugt, daß die
diskreten Fouriertransformationen um die tatsächliche Frequenz, die der Spitzenenergie
fp entspricht, herum durchgeführt wird,
anstelle der Frequenz fc, an der der Ton
aufgetreten sein sollte. In der Schaltung 38 (siehe 1) wird vorzugsweise eine
Technik zur Bestimmung der tatsächlichen
Spitzenfrequenz fp innerhalb eines durch
das Fenster 172 definierten Bereichs von Frequenzen verwendet.
Für Fachleute
ist erkennbar, daß mehrere
iterative Berechnungen über
eine Menge von Frequenzen innerhalb des Fensters 172 verwendet
werden kann, um zu bestimmen, wo der maximale Energiepegel besteht.
Es kann eine alternative Technik verwendet werden, die das mathematische
Convergenzprinzip verwendet, um die Frequenz zu bestimmen, an der
die maximale Energie auftritt. Wenn die Spitzenenergie in dem Fenster 172 liegt,
wird nach der Bestimmung der Frequenz fp dieser
Spitzenenergie gemäß der vorliegenden
Erfindung das Fenster 172 bewegt oder verschoben, so daß die Mittenfrequenz
fc des Fensters mit der Mittenfrequenz der
Spitze fp zusammenfällt. Dies ermöglicht eine
bessere Erkennung von Tönen, wenn
solche Töne
nicht mit Spitzenenergien gesendet werden, die genau an ihrer definierten
Frequenz auftreten.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise eine erste und eine zweite
Validierungsschaltung verwendet, um die Bestimmung eines empfangenen
Tons (einer empfangenen Ziffer) zu validieren. Durch eine Validierung
durch die erste Validierungsschaltung wird eine weitere Verarbeitung
durch die zweite Validierungsschaltung unnötig, und dadurch werden die
erforderliche rechnerische Komplexität und die erforderlichen Betriebsmittel
minimiert. In den Fällen,
in denen die erste Validierungsschaltung keine Validierungsbestimmung
bereitstellen kann, liefert die zweite Validierungsschaltung eine
Auswertung mit feinerer Auflösung
darüber,
ob ein gültiger
Ton empfangen wurde. Es ist ersichtlich, daß die zweite Validierungsschaltung
zu Lasten einer zusätzlichen
rechnerischen Komplexität
und zusätzlicher
Betriebsmittel ohne die erste Validierungsschaltung verwendet werden
könnte.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung können
Ausführungsformen
angepaßte
integrierte Schaltungen, Hardwareschaltkreise oder eine Implementierung
in einer Computerarchitektur, wie zum Beispiel in 2 gezeigt, umfassen. Es kann eine Kombination
von Software und Hardware verwendet werden, um die Techniken gemäß der vorliegenden
Erfindung zu implementieren.
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Obwohl eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in den Zeichnungen beschrieben und gezeigt wurde, wird
der Schutzumfang der Erfindung durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.
