JP3909183B2 - トーン信号検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信機におけるＣＴＣＳＳ等に利用されるトーン信号を検出する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、複数のトーン信号の検出・復調には、処理速度の点から専用のＩＣもしくはＤＳＰを採用する必要があった。
ＤＳＰを用いて処理するには、任意の15波のトーン信号から１波を選びだす必要があり、その処理には高速性が要求される。従って、15波同時に別個にフィルタリングを行った後に相互相関を行って選びだす処理方法が一般的に考えられる。
この場合のブロック図は、図９の（Ａ）に示したような構成となる。図９の（Ａ）におけるＣＰＵはトーン信号検出・復調用のデコードＩＣの制御とともに、他のキー（ＳＷ）や表示器、記憶装置等の制御を行う構成である。この場合、トーン信号の処理は前記デコードＩＣに任せているので、他の制御と共用することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したような専用ＩＣやＤＳＰを用いた処理方法を採用することはコストアップの原因になるという問題があった。
一方、図９の（Ｂ）のように、上述したような専用ＩＣやＤＳＰを用いずに、トーン信号の処理もＣＰＵで行うには、ＣＰＵのデジタル処理能力はＤＳＰに比較して遥かに劣るため処理できないという問題があった。
【０００４】
そのため、他の制御と供するＣＰＵを用いて高速でトーン信号のデコードを可能とする技術が待たれていた。
そこで、本発明は、他の制御と共用するＣＰＵを用いて、トーン信号の検出・復調が可能なシステムの提供を目的としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるトーン信号検出装置においては、入力信号をサンプリングして処理することにより、複数の異なるトーン信号の何れかが含まれているか否かを判定するように構成されたトーン信号検出装置であって、前記入力信号を、後述する周期測定手段にて指定される第１サンプリング周波数でサンプリングする第１サンプリング手段と、第１サンプリング手段でサンプリングされた信号からオフセット成分を除去する第１オフセット除去手段と、第１オフセット除去手段からの信号を２値化する２値化手段と、２値化された信号と、基準波形との相関演算により、後述する周期測定手段にて測定された周期を持った周波数成分の周波数スペクトルを測定するスペクトル測定手段と、
前記入力信号を、所定の固定されたサンプリング周波数でサンプリングする第２サンプリング手段と、
第２サンプリング手段でサンプリングされた信号から低域成分を選択する低域選択手段と、
低域選択手段にて低域成分が選択された信号からオフセット成分を除去する第２オフセット除去手段と、
第２オフセット除去手段からの信号の周期を測定して、その周期に基づいて前記第１サンプリング周波数を指定する周期測定手段と、
前記スペクトル測定手段にて行われたスペクトル測定の結果に応じてトーン信号の判定を行う判定手段と、
を備えるという手段を講じた。
そして、請求項２の発明では、
前記トーン信号検出装置において、
前記スペクトル測定手段によるスペクトル測定処理と前記周期測定手段による周期測定処理を組み合わせた一連の処理を２段階行うこととし、
前記スペクトル測定手段は、２値化した信号と基準波形との相関演算を行い、該相関値について所定の範囲にわたって積分を行って積分値を求め、該積分値からスペクトルを計算するスペクトル計算処理を備え、
前記周期測定手段は、所定の範囲のサンプリングデータによる周期測定値を加算平均して得られる結果を周期測定結果とする周期測定処理を備え、
前記スペクトル計算処理における積分範囲と、前記周期測定手段における加算平均のためにデータをサンプリングする範囲は、前記周期測定手段で測定される周期の何周期分に相当するかを指定する周期数によって決定され、
前記スペクトル計算処理において積分範囲を決める周期数を大小２段階に設定し、前記周期測定手段における加算平均処理を行う周期を大小２段階に設定し、
第１段階の測定処理では、前記周期測定手段における周期数の小さなサンプリング範囲から周期を測定する周期測定と、前記スペクトル測定手段における周期数の小さな積分範囲でスペクトルを計算するスペクトル計算処理が行われ、
第２段階の測定処理では、前記周期測定手段における周期数の大きなサンプリング範囲から周期を測定する周期測定と、前記スペクトル測定手段における周期数の大きな積分範囲でスペクトルを計算するスペクトル計算処理が行われ、
前記判定手段は、第１段階の測定処理によるスペクトル測定値が所定のしきい値を越えるときに、前記入力信号が「有効」であると判断して第２段階の測定処理を開始し、第２段階の測定処理によるスペクトル測定結果が所定のしきい値を超えたときに、トーン信号が含まれていると判別して、トーン信号の判定を行うように構成されている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるトーン信号検出装置を、その実施の形態を示した図面に基づいて詳細に説明する。
【０００７】
図１において、
入力信号ｓ（ｔ）は、アンチエイリアスフィルタ１にて折り返し歪みの元となる成分がカットされてＡ／Ｄ変換手段２へ入力されてデジタル信号へ変換される。このＡ／Ｄ変換手段２においては入力信号の振幅Ｖｐ−ｐが３ビット以上（４ビット以上が望ましい。）のデジタル信号へ変換されるようにレベル調節をしておくことが好ましい。
このようにして前記Ａ／Ｄ変換手段２から出力されたデジタル信号は第１サンプリング手段３と第２サンプリング手段４へ入力される。
【０００８】
第１サンプリング手段３においては、前記デジタル信号は、変動タイマー31にて設定されたサンプリング周期ｔ１に基づいたサンプリング周波数ｆ１＝１／ｔ１でサンプリングされて出力される。前記変動タイマー31は、タイムアップする前にリロード値を書き換え可能な16ビットプログラムタイマー機能を備えている。ここにおけるサンプリング周波数の変動範囲は（400〜3000Hz）×４必要である。
第１微分手段５においては、単位時間毎の変動量を求めるという疑似微分演算によって直流成分であるオフセットを０にする。
次ぎに、符号抽出手段６においては、第１微分手段５から出力された微分信号の符号成分のみを抽出して＋１または−１というような２値信号として出力する。このような２値信号化によって、全てのサンプリングデータのレベルを自動的に利得制御することになり、後段のスペクトル測定の精度をあげることができる。
【０００９】
スペクトル測定手段７においては、前記符号抽出手段６において２値化された信号のパワースペクトルＰＳを、後述の周期測定手段１１において測定された周波数成分を変動タイマー３１に設定して第１サンプリング手段３を経て、演算・測定する。
【００１０】
第２サンプリング手段４において、前記デジタル信号は、固定タイマー41にて設定されたサンプリング周期ｔ０に基づいたサンプリング周波数ｆ０＝１／ｔ０でサンプリングされて出力される。なお、このサンプリング周波数ｆ０は、サンプリング定理より最大のトーン周波数3000Hzの２倍以上が必要であるので、6.1KHz程度とする。
ローパスフィルタ９においては、高域周波数を排除して低域周波数を選択的に通過させる。
第２微分手段１０においては、単位時間毎の変動量を求めるという疑似微分演算によって直流成分であるオフセットを０にする。
次ぎに、周期測定手段１１においては、第２微分手段１０から出力された微分信号を加算平均して相関を取って周期測定の精度を向上させる。なお、加算平均することによりＳＮ比も向上する。周期測定手段１１における周期測定を信頼性の高いものとするために、加算平均してノイズを相対的に低減する。また、第２微分手段１０によってオフセットを確実に０とする。
【００１１】
なお、この周期測定手段１１において測定された周期ｔ２に基づき、前記サンプリング周期ｔ１はこの周期ｔ２の１／４に設定される。即ち、第１サンプリング手段におけるサンプリング周波数ｆ１は、前記周期ｔ２に基づく周波数１／ｔ２の４倍に設定されるのである。そして、トーン判定手段１２においては、後述するようにパワースペクトル演算毎にトーン判定を行う。なお、前記第１微分手段５は特許請求の範囲の第１オフセット除去手段に相当し、前記第２微分手段１０は特許請求の範囲の第２オフセット除去手段に相当し、前記符号抽出手段６は特許請求の範囲の２値化手段に相当し、前記ローパスフィルタ９は特許請求の範囲の低域選択手段に相当する。
【００１２】
次ぎに、前記周期測定手段１１における処理内容を説明する。
図２に示したように、第２サンプリング手段４においてサンプリングされた信号のサンプリング数を０、１、２、・・・とカウントするとともに、周期数を０、１、２、・・・とカウントし、周期数が８になったときに以下のようにして変動タイマー用の周波数ｆ１を決定する。
周期数が８になったときには、そのときのサンプリング数をリングバッファ８個のうちの１つに格納する。
後述するスペクトル測定の結果が「無効」の場合には、
【００１３】
【数１】
ｆ１＝ｆ０／（周期数／８）×４倍サンプリング
としてサンプリング周波数ｆ１を決定し、
「有効」の場合には、
【数２】
ｆ１＝ｆ０／（リングバッファ内容総合計／６４）×４倍サンプリング
としてサンプリング周波数ｆ１を決定する。
そして、サンプリング数、周期数ともに０にリセットしてリングバッファのアドレス位置を移動する。
【００１４】
次ぎに、スペクトル測定手段７における処理内容を説明する。
４倍オーバーサンプリングのため、サンプリング角度は０°、90°、180°、270°の４種類の固定された角度となっている。このようにしてサンプリングした１周期（４ビット）分の相関と積分結果をＲＯＭテーブルに書き込んでおく。
【００１５】
【数３】
【数４】
【００１６】
符号抽出手段６において符号抽出されたデータを左シフトで格納した場合は、以下の表１のようになる。
この表１は、１周期分の入力信号を１／４周期（ステップ角度９０°）ごとに２値化したときに考えられる１６種類（００００〜１１１１）の入力信号波形を左側４列に示し、各波形と基本波形（ sin 波、 cos 波）との相関の積分結果を右側２列に示したものである。
【００１７】
相関を計算する範囲としての相関窓は、次の二つ（４周期分と１６周期分）を用意する。
(1)４周期分（偏差2.5％）
応答速度を早めるために使用する。
(2)16周期分（偏差6.25％）
判定精度を高めるために使用する。
４周期毎の積分結果を４つのリングバッファに格納できるようにすればよい。
【００１８】
相関窓＝４周期の場合には、次のようにして「有効」、「無効」を判定する。ここで判定される「有効」、「無効」の結果は、周期判定における式１、式２に反映される。パワースペクトルＰＳの値が所定のしきい値、例えば最大値の 60 ％以上の場合には「有効」と判定し、それ以外は「無効」と判定する。「有効」から「無効」へ移行した時には、（低い周波数のトーン信号を素早くデコードするために、）全てのリングバッファをリングバッファ内の最新の内容に書き換えると同時に変動タイマー用の周波数ｆ１も更新する。
【００１９】
相関窓＝16周期の場合には、次のようにして「信号あり」、「信号なし」を判定する。
パワースペクトルＰＳの値が所定のしきい値以上からそのしきい値未満へ移行した時には、（隣接するトーン信号を素早くデコードするために、）全てのリングバッファをリングバッファ内の最新の内容に書き換えると同時に変動タイマー用の周波数ｆ１も更新する。パワースペクトルＰＳの値が所定のしきい値以上の場合には「信号あり」と判定し、それ以外は「信号なし」と判定する。
【００２０】
トーン判定手段１２においては、以下のようにして相関窓＝16周期のパワースペクトル演算毎にトーン判定を行う。
１）まず、前述した周期測定の結果によりトーン番号を区別する。いずれのトーン番号にも該当しない場合にはトーン番号に該当なしという意味でＦとする。２）次ぎに、Ｆ以外のトーン番号が数回続くとそのトーン番号を有効とする。
以下のようにして「信号あり」のチェックを行う。
３）上述した２）においてトーン番号を有効とした場合で、上記スペクトル測定で「信号あり」と判定された時には「トーンあり」として処理する。
図３に、トーン判定のタイムチャートを示した。
４）トーン番号がＦあるいは、スペクトル測定で「信号なし」と判定された場合にはノートーン判定タイマーを動作させて、次のサンプリングを待つ。
このようにして、トーン信号を判定するのである。
【００２１】
図１におけるブロック図の機能をソフトウェアで実現した場合の手順を図４、図５に基づいて説明する。
図４のステップ１においては、固定タイマーとして設定されたサンプリング周波数ｆ０に基づいた割り込み要求が発生すると、
ステップ２においては、Ａ／Ｄ変換手段２によって変換されたデジタル信号をサンプリングする。
ステップ３においては、現時点の測定周波数（変動タイマー）ｆ１と比較して、高い場合にはステップ４において基準変化量を小さくし、低い場合にはステップ５において基準変化量を大きくする。
ステップ６においては、信号変化量を基準変化量と比較して、信号変化量≧基準変化量ならステップ７の処理を、信号変化量＜基準変化量ならステップ１２で終了する。
【００２２】
ステップ８においては、「相関窓 ＝４周期」のスペクトルが「無効」の場合にはステップ９において周期数Ｎが８に達しているか否かを検査し、「有効」の場合にはステップ１０において周期数 Ｎが６４に達しているか否かを検査し、何れの場合も達した場合にはステップ１１において変動タイマーのサンプリング周波数ｆ１をｆ１＝ｆ０／（サンプリン グ数／周期数）×４倍サンプリングとして決定する。何れの場合も周期数が達していなければステップ１２で終了する。
【００２３】
図５のステップ２１においては、図４の手順によって求めた変動タイマーのサンプリング周波数ｆ１に基づいた割り込み要求が発生すると、ステップ２２においては、Ａ／Ｄ変換手段２によって変換されたデジタル信号をサンプリングする。ステップ２３においては、「相関窓＝４周期」のパワースペクトルＰＳ４を求める。ステップ２４においては、パワースペクトルＰＳ４を所定のしきい値と比較して、前記しきい値未満であればステップ２６の処理を行う。前記しきい値以上であって「無効」から「有効」へ移行した場合にはステップ２５において周波数測定をリセットし、「有効」から「有効」へ移行した場合にはステップ２６の処理を行う。
【００２４】
ステップ２６においては、「相関窓＝16周期」のパワースペクトルＰＳ16を求める。ステップ２７においては、パワースペクトルＰＳ16を所定のしきい値と比較して、前記しきい値未満であれば「信号なし」としてステップ２９で終了する。前記しきい値以上であって「信号なし」から「信号あり」へ移行した場合にはステップ２８において周波数測定をリセットし、「信号あり」から「信号あり」へ移行した場合にはステップ２９で終了する。
【００２５】
以上のように、本発明においては、入力信号を加算平均することにより、測定開始を同期させて同じ測定を複数回繰り返し、その平均を求めることによってノイズを減少させてトーン信号を検出するものである。
このような簡単な処理でノイズを除去してトーン信号を抽出することができる。
なお、信号成分と雑音成分の構成周波数に大差がない場合には加算平均ではトーン信号を抽出することが困難になるが、入力信号と測定で得られた周波数との相互相関を行うことによって、測定結果の周波数成分が入力信号にどれくらい含まれているかが分かるのでホワイトノイズか否かを判断することができるようになる。
また、精度を向上させるためには加算回数を増やせばよいが、加算回数を増やすと測定に要する時間が長くなる。その間に次の異なるトーン信号が来ても検出できるように前述した相互相関を行うことによって、トーン信号が切り換わるタイミングを周波数成分が極端に少なくなることで検知できるようになる。
そして、トーン信号が切り換わったあとは、今までの加算平均は捨てて、ひとまず「相関窓＝４周期」で測定して周波数の測定を行った後に、「相関窓＝16周期」として測定周期を長くして精度良く測定するのである。
【００２６】
このようにして、加算平均の処理においては、「速く測定できるがサンプリングノイズが多いため誤差が大きい」という８周期分の加算平均処理（偏差＝１／８＝12.5％）と、「サンプリングノイズが抑圧されて誤差は少ないが測定が遅い」という64周期分の加算平均処理（偏差＝１／64＝1.5％）の２種類の処理を用い、相互相関の処理においては、「速く測定できるが周波数分解能が低い」という４周期分の相関窓を用いた処理（偏差＝１／４＝25％）と、「周波数分解能は高いが、測定が遅い」という16周期分の相関窓を用いた処理（偏差＝１／16＝6.25％）の２種類の処理を用いるようにしたのである。
このような２種類づつの処理を測定の状況に合わせて選択して使用することにより迅速且つ正確な測定が可能となったのである。
【００２７】
また、トーン信号からトーン信号への切り換わりの検出処理、もしくはホワイトノイズからトーン信号への切り換わりの検出処理の具体例を以下に説明する。信号に誤差が含まれているとトーン信号の判定ができないので、精度の良い方の加算平均処理（64周期分）を用いる。
例えば、図６において、ａの時点でトーン信号Ａからトーン信号Ｂに切り換わったとしても、64周期後のｂの時点にならないとトーン信号Ｂと判定できない。具体例では、トーン信号Ｂ＝1000Hz、偏差５％以内、トーンピリオド＝50mSecの場合、測定精度＝1.5％も考慮すると、64周期分＝1/1000×64×(1-(0.05-0.015))＝61.8mSecの時間が必ず必要となる。
また、トーン信号Ｂの次のトーン信号Ｃは、ａの時点から50mSec(＜61.8mSec)後に来るので、測定終了前にトーン信号Ｃが来てしまうことになる。
【００２８】
そこで、４周期分の相関窓を用いた処理で無効と判定中は、８周期分の加算平均処理を使用することによって速やかな測定を行うようにする。
図７において、８周期分の加算平均処理によりｂの時点より早いｃの時点で無効から有効になるので、次ぎに来るトーン信号を測定することが可能になるのである。
具体例では、トーン信号Ｂ＝1000Hz、偏差５％以内の場合、相関処理（相関−１）には最大４周期分（1/1000×４＝４mSec)かかる。64周期分の加算平均処理から速度の速い８周期分の加算平均処理に切り換えるのに最大４mSecかかることになる。従って、８周期分の加算平均でトーン信号を判定することは最大で４＋1/1000×８＝12mSecかかり、偏差は12.5％以内に納まることになる。
また、最大12.5％の偏差から５％以内の偏差に収束するに要する時間は、1/1000×64×（0.125＋0.015）＝９mSecとなり、最大で４＋８＋４＋９＝25mSec（＜50mSec）となり、次のトーン信号Ｃが来る前に測定が終了する。
【００２９】
また、トーン信号の判定の処理の具体例を説明する。
図８において、トーン信号の判定の処理には精度の高い16周期分の相関窓による処理（相関−２）を用いる。４周期分の相関窓では偏差が25％と広くなるので隣接する帯域のトーン信号を判定することができない。
具体例では、トーン信号Ｂ＝1000Hz、トーンピリオド＝50mSecの場合、16周期分の相関窓による判定は、最大でｅの時点（1/1000×16＝16mSec）で判定か完了する。
従って、図７で説明した25mSecと合わせても25mSec＋16mSec＝41mSecで判定できるので、50−41＝９mSecの時間的余裕が確保できるのである。
【００３０】
図４、図５のように従来方式であれば専用ＩＣもしくはＤＳＰが必要であった処理を、図９の（Ｂ）に示したように、他の制御と共用するＣＰＵで処理可能になったので、コストの低減と、装置全体の所要スペースの削減が可能になったのである。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、サンプリングされた信号からオフセット成分を除去して、２値化してからスペクトル測定するので簡単な処理で高精度が得られる。また、サンプリングされた信号から低域成分を選択して、さらにオフセット成分を除去してから周期を測定するので、簡単な処理で周期を測定することができる。そして、トーン判定手段においてトーン信号を判定するようにしたので、共用のＣＰＵでも十分処理可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるトーン信号検出装置の実施の形態の構成を示したブロック図である。
【図２】入力信号のサンプリング数と周期数のカウントを説明するタイムチャートである。
【図３】周波数の変動とトーン信号の判定を説明するタイムチャートである。
【図４】ソフトウェアで実現した場合のフローチャートである。
【図５】ソフトウェアで実現した場合のフローチャートである。
【図６】トーン信号の切り換わり過程を説明するタイムチャートである。
【図７】トーン信号の切り換わり過程を説明するタイムチャートである。
【図８】トーン信号の切り換わり過程を説明するタイムチャートである。
【図９】ＣＰＵまわりの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ アンチエイリアスフィルタ
２ Ａ／Ｄ変換手段
３ 第１サンプリング手段
31 変動タイマー
４ 第２サンプリング手段
41 固定タイマー
５ 第１微分手段
６ 符号抽出手段
７ スペクトル測定手段
９ ローパスフィルタ
１０ 第２微分手段
１１ 周期測定手段
１２ トーン信号判定手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信機におけるＣＴＣＳＳ等に利用されるトーン信号を検出する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、複数のトーン信号の検出・復調には、処理速度の点から専用のＩＣもしくはＤＳＰを採用する必要があった。
ＤＳＰを用いて処理するには、任意の15波のトーン信号から１波を選びだす必要があり、その処理には高速性が要求される。従って、15波同時に別個にフィルタリングを行った後に相互相関を行って選びだす処理方法が一般的に考えられる。
この場合のブロック図は、図９の（Ａ）に示したような構成となる。図９の（Ａ）におけるＣＰＵはトーン信号検出・復調用のデコードＩＣの制御とともに、他のキー（ＳＷ）や表示器、記憶装置等の制御を行う構成である。この場合、トーン信号の処理は前記デコードＩＣに任せているので、他の制御と共用することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したような専用ＩＣやＤＳＰを用いた処理方法を採用することはコストアップの原因になるという問題があった。
一方、図９の（Ｂ）のように、上述したような専用ＩＣやＤＳＰを用いずに、トーン信号の処理もＣＰＵで行うには、ＣＰＵのデジタル処理能力はＤＳＰに比較して遥かに劣るため処理できないという問題があった。
【０００４】
そのため、他の制御と供するＣＰＵを用いて高速でトーン信号のデコードを可能とする技術が待たれていた。
そこで、本発明は、他の制御と共用するＣＰＵを用いて、トーン信号の検出・復調が可能なシステムの提供を目的としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるトーン信号検出装置においては、入力信号をサンプリングして処理することにより、複数の異なるトーン信号の何れかが含まれているか否かを判定するように構成されたトーン信号検出装置であって、前記入力信号を、後述する周期測定手段にて指定される第１サンプリング周波数でサンプリングする第１サンプリング手段と、第１サンプリング手段でサンプリングされた信号からオフセット成分を除去する第１オフセット除去手段と、第１オフセット除去手段からの信号を２値化する２値化手段と、２値化された信号と、基準波形との相関演算により、後述する周期測定手段にて測定された周期を持った周波数成分の周波数スペクトルを測定するスペクトル測定手段と、
前記入力信号を、所定の固定されたサンプリング周波数でサンプリングする第２サンプリング手段と、
第２サンプリング手段でサンプリングされた信号から低域成分を選択する低域選択手段と、
低域選択手段にて低域成分が選択された信号からオフセット成分を除去する第２オフセット除去手段と、
第２オフセット除去手段からの信号の周期を測定して、その周期に基づいて前記第１サンプリング周波数を指定する周期測定手段と、
前記スペクトル測定手段にて行われたスペクトル測定の結果に応じてトーン信号の判定を行う判定手段と、
を備えるという手段を講じた。
そして、請求項２の発明では、
前記トーン信号検出装置において、
前記スペクトル測定手段によるスペクトル測定処理と前記周期測定手段による周期測定処理を組み合わせた一連の処理を２段階行うこととし、
前記スペクトル測定手段は、２値化した信号と基準波形との相関演算を行い、該相関値について所定の範囲にわたって積分を行って積分値を求め、該積分値からスペクトルを計算するスペクトル計算処理を備え、
前記周期測定手段は、所定の範囲のサンプリングデータによる周期測定値を加算平均して得られる結果を周期測定結果とする周期測定処理を備え、
前記スペクトル計算処理における積分範囲と、前記周期測定手段における加算平均のためにデータをサンプリングする範囲は、前記周期測定手段で測定される周期の何周期分に相当するかを指定する周期数によって決定され、
前記スペクトル計算処理において積分範囲を決める周期数を大小２段階に設定し、前記周期測定手段における加算平均処理を行う周期を大小２段階に設定し、
第１段階の測定処理では、前記周期測定手段における周期数の小さなサンプリング範囲から周期を測定する周期測定と、前記スペクトル測定手段における周期数の小さな積分範囲でスペクトルを計算するスペクトル計算処理が行われ、
第２段階の測定処理では、前記周期測定手段における周期数の大きなサンプリング範囲から周期を測定する周期測定と、前記スペクトル測定手段における周期数の大きな積分範囲でスペクトルを計算するスペクトル計算処理が行われ、
前記判定手段は、第１段階の測定処理によるスペクトル測定値が所定のしきい値を越えるときに、前記入力信号が「有効」であると判断して第２段階の測定処理を開始し、第２段階の測定処理によるスペクトル測定結果が所定のしきい値を超えたときに、トーン信号が含まれていると判別して、トーン信号の判定を行うように構成されている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるトーン信号検出装置を、その実施の形態を示した図面に基づいて詳細に説明する。
【０００７】
図１において、
入力信号ｓ（ｔ）は、アンチエイリアスフィルタ１にて折り返し歪みの元となる成分がカットされてＡ／Ｄ変換手段２へ入力されてデジタル信号へ変換される。このＡ／Ｄ変換手段２においては入力信号の振幅Ｖｐ−ｐが３ビット以上（４ビット以上が望ましい。）のデジタル信号へ変換されるようにレベル調節をしておくことが好ましい。
このようにして前記Ａ／Ｄ変換手段２から出力されたデジタル信号は第１サンプリング手段３と第２サンプリング手段４へ入力される。
【０００８】
第１サンプリング手段３においては、前記デジタル信号は、変動タイマー31にて設定されたサンプリング周期ｔ１に基づいたサンプリング周波数ｆ１＝１／ｔ１でサンプリングされて出力される。前記変動タイマー31は、タイムアップする前にリロード値を書き換え可能な16ビットプログラムタイマー機能を備えている。ここにおけるサンプリング周波数の変動範囲は（400〜3000Hz）×４必要である。
第１微分手段５においては、単位時間毎の変動量を求めるという疑似微分演算によって直流成分であるオフセットを０にする。
次ぎに、符号抽出手段６においては、第１微分手段５から出力された微分信号の符号成分のみを抽出して＋１または−１というような２値信号として出力する。このような２値信号化によって、全てのサンプリングデータのレベルを自動的に利得制御することになり、後段のスペクトル測定の精度をあげることができる。
【０００９】
スペクトル測定手段７においては、前記符号抽出手段６において２値化された信号のパワースペクトルＰＳを、後述の周期測定手段１１において測定された周波数成分を変動タイマー３１に設定して第１サンプリング手段３を経て、演算・測定する。
【００１０】
第２サンプリング手段４において、前記デジタル信号は、固定タイマー41にて設定されたサンプリング周期ｔ０に基づいたサンプリング周波数ｆ０＝１／ｔ０でサンプリングされて出力される。なお、このサンプリング周波数ｆ０は、サンプリング定理より最大のトーン周波数3000Hzの２倍以上が必要であるので、6.1KHz程度とする。
ローパスフィルタ９においては、高域周波数を排除して低域周波数を選択的に通過させる。
第２微分手段１０においては、単位時間毎の変動量を求めるという疑似微分演算によって直流成分であるオフセットを０にする。
次ぎに、周期測定手段１１においては、第２微分手段１０から出力された微分信号を加算平均して相関を取って周期測定の精度を向上させる。なお、加算平均することによりＳＮ比も向上する。周期測定手段１１における周期測定を信頼性の高いものとするために、加算平均してノイズを相対的に低減する。また、第２微分手段１０によってオフセットを確実に０とする。
【００１１】
なお、この周期測定手段１１において測定された周期ｔ２に基づき、前記サンプリング周期ｔ１はこの周期ｔ２の１／４に設定される。即ち、第１サンプリング手段におけるサンプリング周波数ｆ１は、前記周期ｔ２に基づく周波数１／ｔ２の４倍に設定されるのである。そして、トーン判定手段１２においては、後述するようにパワースペクトル演算毎にトーン判定を行う。なお、前記第１微分手段５は特許請求の範囲の第１オフセット除去手段に相当し、前記第２微分手段１０は特許請求の範囲の第２オフセット除去手段に相当し、前記符号抽出手段６は特許請求の範囲の２値化手段に相当し、前記ローパスフィルタ９は特許請求の範囲の低域選択手段に相当する。
【００１２】
次ぎに、前記周期測定手段１１における処理内容を説明する。
図２に示したように、第２サンプリング手段４においてサンプリングされた信号のサンプリング数を０、１、２、・・・とカウントするとともに、周期数を０、１、２、・・・とカウントし、周期数が８になったときに以下のようにして変動タイマー用の周波数ｆ１を決定する。
周期数が８になったときには、そのときのサンプリング数をリングバッファ８個のうちの１つに格納する。
後述するスペクトル測定の結果が「無効」の場合には、
【００１３】
【数１】
ｆ１＝ｆ０／（周期数／８）×４倍サンプリング
としてサンプリング周波数ｆ１を決定し、
「有効」の場合には、
【数２】
ｆ１＝ｆ０／（リングバッファ内容総合計／６４）×４倍サンプリング
としてサンプリング周波数ｆ１を決定する。
そして、サンプリング数、周期数ともに０にリセットしてリングバッファのアドレス位置を移動する。
【００１４】
次ぎに、スペクトル測定手段７における処理内容を説明する。
４倍オーバーサンプリングのため、サンプリング角度は０°、90°、180°、270°の４種類の固定された角度となっている。このようにしてサンプリングした１周期（４ビット）分の相関と積分結果をＲＯＭテーブルに書き込んでおく。
【００１５】
【数３】
符号抽出手段６において符号抽出されたデータを左シフトで格納した場合は、以下の表１のようになる。
この表１は、１周期分の入力信号を１／４周期（ステップ角度９０°）ごとに２値化したときに考えられる１６種類（００００〜１１１１）の入力信号波形を左側４列に示し、各波形と基本波形（ sin 波、 cos 波）との相関の積分結果を右側２列に示したものである。
【００１７】
相関を計算する範囲としての相関窓は、次の二つ（４周期分と１６周期分）を用意する。
(1)４周期分（偏差2.5％）
応答速度を早めるために使用する。
(2)16周期分（偏差6.25％）
判定精度を高めるために使用する。
４周期毎の積分結果を４つのリングバッファに格納できるようにすればよい。
【００１８】
相関窓＝４周期の場合には、次のようにして「有効」、「無効」を判定する。ここで判定される「有効」、「無効」の結果は、周期判定における式１、式２に反映される。パワースペクトルＰＳの値が所定のしきい値、例えば最大値の 60 ％以上の場合には「有効」と判定し、それ以外は「無効」と判定する。「有効」から「無効」へ移行した時には、（低い周波数のトーン信号を素早くデコードするために、）全てのリングバッファをリングバッファ内の最新の内容に書き換えると同時に変動タイマー用の周波数ｆ１も更新する。
【００１９】
相関窓＝16周期の場合には、次のようにして「信号あり」、「信号なし」を判定する。
パワースペクトルＰＳの値が所定のしきい値以上からそのしきい値未満へ移行した時には、（隣接するトーン信号を素早くデコードするために、）全てのリングバッファをリングバッファ内の最新の内容に書き換えると同時に変動タイマー用の周波数ｆ１も更新する。パワースペクトルＰＳの値が所定のしきい値以上の場合には「信号あり」と判定し、それ以外は「信号なし」と判定する。
【００２０】
トーン判定手段１２においては、以下のようにして相関窓＝16周期のパワースペクトル演算毎にトーン判定を行う。
１）まず、前述した周期測定の結果によりトーン番号を区別する。いずれのトーン番号にも該当しない場合にはトーン番号に該当なしという意味でＦとする。２）次ぎに、Ｆ以外のトーン番号が数回続くとそのトーン番号を有効とする。
以下のようにして「信号あり」のチェックを行う。
３）上述した２）においてトーン番号を有効とした場合で、上記スペクトル測定で「信号あり」と判定された時には「トーンあり」として処理する。
図３に、トーン判定のタイムチャートを示した。
４）トーン番号がＦあるいは、スペクトル測定で「信号なし」と判定された場合にはノートーン判定タイマーを動作させて、次のサンプリングを待つ。
このようにして、トーン信号を判定するのである。
【００２１】
図１におけるブロック図の機能をソフトウェアで実現した場合の手順を図４、図５に基づいて説明する。
図４のステップ１においては、固定タイマーとして設定されたサンプリング周波数ｆ０に基づいた割り込み要求が発生すると、
ステップ２においては、Ａ／Ｄ変換手段２によって変換されたデジタル信号をサンプリングする。
ステップ３においては、現時点の測定周波数（変動タイマー）ｆ１と比較して、高い場合にはステップ４において基準変化量を小さくし、低い場合にはステップ５において基準変化量を大きくする。
ステップ６においては、信号変化量を基準変化量と比較して、信号変化量≧基準変化量ならステップ７の処理を、信号変化量＜基準変化量ならステップ１２で終了する。
【００２２】
ステップ８においては、「相関窓 ＝４周期」のスペクトルが「無効」の場合にはステップ９において周期数Ｎが８に達しているか否かを検査し、「有効」の場合にはステップ１０において周期数 Ｎが６４に達しているか否かを検査し、何れの場合も達した場合にはステップ１１において変動タイマーのサンプリング周波数ｆ１をｆ１＝ｆ０／（サンプリン グ数／周期数）×４倍サンプリングとして決定する。何れの場合も周期数が達していなければステップ１２で終了する。
【００２３】
図５のステップ２１においては、図４の手順によって求めた変動タイマーのサンプリング周波数ｆ１に基づいた割り込み要求が発生すると、ステップ２２においては、Ａ／Ｄ変換手段２によって変換されたデジタル信号をサンプリングする。ステップ２３においては、「相関窓＝４周期」のパワースペクトルＰＳ４を求める。ステップ２４においては、パワースペクトルＰＳ４を所定のしきい値と比較して、前記しきい値未満であればステップ２６の処理を行う。前記しきい値以上であって「無効」から「有効」へ移行した場合にはステップ２５において周波数測定をリセットし、「有効」から「有効」へ移行した場合にはステップ２６の処理を行う。
【００２４】
ステップ２６においては、「相関窓＝16周期」のパワースペクトルＰＳ16を求める。ステップ２７においては、パワースペクトルＰＳ16を所定のしきい値と比較して、前記しきい値未満であれば「信号なし」としてステップ２９で終了する。前記しきい値以上であって「信号なし」から「信号あり」へ移行した場合にはステップ２８において周波数測定をリセットし、「信号あり」から「信号あり」へ移行した場合にはステップ２９で終了する。
【００２５】
以上のように、本発明においては、入力信号を加算平均することにより、測定開始を同期させて同じ測定を複数回繰り返し、その平均を求めることによってノイズを減少させてトーン信号を検出するものである。
このような簡単な処理でノイズを除去してトーン信号を抽出することができる。
なお、信号成分と雑音成分の構成周波数に大差がない場合には加算平均ではトーン信号を抽出することが困難になるが、入力信号と測定で得られた周波数との相互相関を行うことによって、測定結果の周波数成分が入力信号にどれくらい含まれているかが分かるのでホワイトノイズか否かを判断することができるようになる。
また、精度を向上させるためには加算回数を増やせばよいが、加算回数を増やすと測定に要する時間が長くなる。その間に次の異なるトーン信号が来ても検出できるように前述した相互相関を行うことによって、トーン信号が切り換わるタイミングを周波数成分が極端に少なくなることで検知できるようになる。
そして、トーン信号が切り換わったあとは、今までの加算平均は捨てて、ひとまず「相関窓＝４周期」で測定して周波数の測定を行った後に、「相関窓＝16周期」として測定周期を長くして精度良く測定するのである。
【００２６】
このようにして、加算平均の処理においては、「速く測定できるがサンプリングノイズが多いため誤差が大きい」という８周期分の加算平均処理（偏差＝１／８＝12.5％）と、「サンプリングノイズが抑圧されて誤差は少ないが測定が遅い」という64周期分の加算平均処理（偏差＝１／64＝1.5％）の２種類の処理を用い、相互相関の処理においては、「速く測定できるが周波数分解能が低い」という４周期分の相関窓を用いた処理（偏差＝１／４＝25％）と、「周波数分解能は高いが、測定が遅い」という16周期分の相関窓を用いた処理（偏差＝１／16＝6.25％）の２種類の処理を用いるようにしたのである。
このような２種類づつの処理を測定の状況に合わせて選択して使用することにより迅速且つ正確な測定が可能となったのである。
【００２７】
また、トーン信号からトーン信号への切り換わりの検出処理、もしくはホワイトノイズからトーン信号への切り換わりの検出処理の具体例を以下に説明する。信号に誤差が含まれているとトーン信号の判定ができないので、精度の良い方の加算平均処理（64周期分）を用いる。
例えば、図６において、ａの時点でトーン信号Ａからトーン信号Ｂに切り換わったとしても、64周期後のｂの時点にならないとトーン信号Ｂと判定できない。具体例では、トーン信号Ｂ＝1000Hz、偏差５％以内、トーンピリオド＝50mSecの場合、測定精度＝1.5％も考慮すると、64周期分＝1/1000×64×(1-(0.05-0.015))＝61.8mSecの時間が必ず必要となる。
また、トーン信号Ｂの次のトーン信号Ｃは、ａの時点から50mSec(＜61.8mSec)後に来るので、測定終了前にトーン信号Ｃが来てしまうことになる。
【００２８】
そこで、４周期分の相関窓を用いた処理で無効と判定中は、８周期分の加算平均処理を使用することによって速やかな測定を行うようにする。
図７において、８周期分の加算平均処理によりｂの時点より早いｃの時点で無効から有効になるので、次ぎに来るトーン信号を測定することが可能になるのである。
具体例では、トーン信号Ｂ＝1000Hz、偏差５％以内の場合、相関処理（相関−１）には最大４周期分（1/1000×４＝４mSec)かかる。64周期分の加算平均処理から速度の速い８周期分の加算平均処理に切り換えるのに最大４mSecかかることになる。従って、８周期分の加算平均でトーン信号を判定することは最大で４＋1/1000×８＝12mSecかかり、偏差は12.5％以内に納まることになる。
また、最大12.5％の偏差から５％以内の偏差に収束するに要する時間は、1/1000×64×（0.125＋0.015）＝９mSecとなり、最大で４＋８＋４＋９＝25mSec（＜50mSec）となり、次のトーン信号Ｃが来る前に測定が終了する。
【００２９】
また、トーン信号の判定の処理の具体例を説明する。
図８において、トーン信号の判定の処理には精度の高い16周期分の相関窓による処理（相関−２）を用いる。４周期分の相関窓では偏差が25％と広くなるので隣接する帯域のトーン信号を判定することができない。
具体例では、トーン信号Ｂ＝1000Hz、トーンピリオド＝50mSecの場合、16周期分の相関窓による判定は、最大でｅの時点（1/1000×16＝16mSec）で判定か完了する。
従って、図７で説明した25mSecと合わせても25mSec＋16mSec＝41mSecで判定できるので、50−41＝９mSecの時間的余裕が確保できるのである。
【００３０】
図４、図５のように従来方式であれば専用ＩＣもしくはＤＳＰが必要であった処理を、図９の（Ｂ）に示したように、他の制御と共用するＣＰＵで処理可能になったので、コストの低減と、装置全体の所要スペースの削減が可能になったのである。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、サンプリングされた信号からオフセット成分を除去して、２値化してからスペクトル測定するので簡単な処理で高精度が得られる。また、サンプリングされた信号から低域成分を選択して、さらにオフセット成分を除去してから周期を測定するので、簡単な処理で周期を測定することができる。そして、トーン判定手段においてトーン信号を判定するようにしたので、共用のＣＰＵでも十分処理可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるトーン信号検出装置の実施の形態の構成を示したブロック図である。
【図２】入力信号のサンプリング数と周期数のカウントを説明するタイムチャートである。
【図３】周波数の変動とトーン信号の判定を説明するタイムチャートである。
【図４】ソフトウェアで実現した場合のフローチャートである。
【図５】ソフトウェアで実現した場合のフローチャートである。
【図６】トーン信号の切り換わり過程を説明するタイムチャートである。
【図７】トーン信号の切り換わり過程を説明するタイムチャートである。
【図８】トーン信号の切り換わり過程を説明するタイムチャートである。
【図９】ＣＰＵまわりの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ アンチエイリアスフィルタ
２ Ａ／Ｄ変換手段
３ 第１サンプリング手段
31 変動タイマー
４ 第２サンプリング手段
41 固定タイマー
５ 第１微分手段
６ 符号抽出手段
７ スペクトル測定手段
９ ローパスフィルタ
１０ 第２微分手段
１１ 周期測定手段
１２ トーン信号判定手段
Claims (2)
- 入力信号をサンプリングして処理することにより、複数の異なるトーン信号の何れかが含まれているか否かを判定するように構成されたトーン信号検出装置であって、
前記入力信号を、後述する周期測定手段にて指定される第１サンプリング周波数でサンプリングする第１サンプリング手段と、
第１サンプリング手段でサンプリングされた信号からオフセット成分を除去する第１オフセット除去手段と、
第１オフセット除去手段からの信号を２値化する２値化手段と、
２値化された信号と、基準波形との相関演算により、後述する周期測定手段にて測定された周期を持った周波数成分の周波数スペクトルを測定するスペクトル測定手段と、
前記入力信号を、所定の固定されたサンプリング周波数でサンプリングする第２サンプリング手段と、
第２サンプリング手段でサンプリングされた信号から低域成分を選択する低域選択手段と、
低域選択手段にて低域成分が選択された信号からオフセット成分を除去する第２オフセット除去手段と、
第２オフセット除去手段からの信号の周期を測定して、その周期に基づいて前記第１サンプリング周波数を指定する周期測定手段と、
前記スペクトル測定手段にて行われたスペクトル測定の結果に応じてトーン信号の判定を行う判定手段と、
を備えていることを特徴とするトーン信号検出装置。 - 前記トーン信号検出装置において、
前記スペクトル測定手段によるスペクトル測定処理と前記周期測定手段による周期測定処理を組み合わせた一連の処理を２段階行うこととし、
前記スペクトル測定手段は、２値化した信号と基準波形との相関演算を行い、該相関値について所定の範囲にわたって積分を行って積分値を求め、該積分値からスペクトルを計算するスペクトル計算処理を備え、
前記周期測定手段は、所定の範囲のサンプリングデータによる周期測定値を加算平均して得られる結果を周期測定結果とする周期測定処理を備え、
前記スペクトル計算処理における積分範囲と、前記周期測定手段における加算平均のためにデータをサンプリングする範囲は、前記周期測定手段で測定される周期の何周期分に相当するかを指定する周期数によって決定され、
前記スペクトル計算処理において積分範囲を決める周期数を大小２段階に設定し、前記周期測定手段における加算平均処理を行う周期を大小２段階に設定し、
第１段階の測定処理では、前記周期測定手段における周期数の小さなサンプリング範囲から周期を測定する周期測定と、前記スペクトル測定手段における周期数の小さな積分範囲でスペクトルを計算するスペクトル計算処理が行われ、
第２段階の測定処理では、前記周期測定手段における周期数の大きなサンプリング範囲から周期を測定する周期測定と、前記スペクトル測定手段における周期数の大きな積分範囲でスペクトルを計算するスペクトル計算処理が行われ、
前記判定手段は、第１段階の測定処理によるスペクトル測定値が所定のしきい値を越えるときに、前記入力信号が「有効」であると判断して第２段階の測定処理を開始し、第２段階の測定処理によるスペクトル測定結果が所定のしきい値を超えたときに、トーン信号が含まれていると判別して、トーン信号の判定を行うことを特徴とする請求項１に記載のトーン信号検出装置。
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