JPH0666980B2 - ト−ン検出器 - Google Patents

ト−ン検出器

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JPH0666980B2
JPH0666980B2 JP58064642A JP6464283A JPH0666980B2 JP H0666980 B2 JPH0666980 B2 JP H0666980B2 JP 58064642 A JP58064642 A JP 58064642A JP 6464283 A JP6464283 A JP 6464283A JP H0666980 B2 JPH0666980 B2 JP H0666980B2
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ドミニク・ゴダ−ル
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04QSELECTING
    • H04Q1/00Details of selecting apparatus or arrangements
    • H04Q1/18Electrical details
    • H04Q1/30Signalling arrangements; Manipulation of signalling currents
    • H04Q1/44Signalling arrangements; Manipulation of signalling currents using alternate current
    • H04Q1/444Signalling arrangements; Manipulation of signalling currents using alternate current with voice-band signalling frequencies
    • H04Q1/45Signalling arrangements; Manipulation of signalling currents using alternate current with voice-band signalling frequencies using multi-frequency signalling
    • H04Q1/457Signalling arrangements; Manipulation of signalling currents using alternate current with voice-band signalling frequencies using multi-frequency signalling with conversion of multifrequency signals into digital signals

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
  • Burglar Alarm Systems (AREA)
  • Circuits Of Receivers In General (AREA)
  • Measuring Frequencies, Analyzing Spectra (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔本発明の技術的分野〕 本発明はトーン検出器、特に多重周波数受信装置におけ
るトーン検出器に係る。
〔本発明の技術的背景〕
検出されるべき信号は有限の周波数の組から選択された
少なくとも1つの周波数から成る。
本発明では特に、通常2つの単一周波数の信号の組合わ
せから成る多重周波数信号について処理する。これらの
信号は、例えば電話キーボードのダイヤル信号である。
この場合、キーボードのキーの1つを押下げることによ
つて、多重周波数信号が所定の8周波数の中から選択さ
れた2周波数の組合わせに対応して、電話局(PBXま
たはCX)に伝送される。押下げられたキーの識別、従
つて要求された電話番号の識別は、電話局で、いわゆる
多重周波数受信装置(MFR)によつて実施される。M
FRの動作は受信された波で多重周波数信号の存在を検
出し、受信された多重周波数信号を形成する2周波数を
識別することである。
一般に、多重周波数信号を形成するように組合わせられ
た2周波数のうち、1つはいわゆる低周波数帯域(例え
ば、約700乃至1000Hz)に属し、他の1つはい
わゆる高周波数帯域(例えば、約1200乃至1700
Hz)に属する。従つて最も簡単なMFRは2個のフイ
ルタ、すなわち低域フイルタ(LPF)および高域フイ
ルタ(HPS)のみから成ることがあり、両フイルタと
も1000Hzと1200Hzの間でカットオフされ
る。このようにして得られた帯域の各々は更に4副帯域
に分割され、その各々は前記所定の8周波数のうちの1
周波数のみを含むように規定される。MFRの問題はこ
のようにして2つの単一周波数信号(純音と呼ばれる)
−一方は低帯域内にあり(LPFフイルタ・バンド)、
他方は高帯域内にある(HPFフイルタ・バンド)−を
検出する問題に集約される。従つて、MFRは2つの類
似のトーン受信装置で構成され、一方は高い周波数を検
出、識別し、他方は低い周波数を検出、識別する。よつ
て、MFRの機能は前記副帯域の各々でのエネルギを測
定し、高低の2周波数帯域の各々で最も高いエネルギを
搬送する副帯域を識別することによつて達成される。
しかしながら、予防策を講じないで前記方法を押し進め
ると、誤つた検出に陥り易い回路となることがある。こ
のような回路では、本当の番号信号を周辺雑音、すなわ
ち音声信号から見分けることが不可能である。
前記MFRの改善策として、LPFおよびHPFの出力
部にリミツタ回路を付加するという案が提起された。こ
れはBell System TechnicalJournal(BST)of Septe
mber 1981、volume 60、No.7、pp 1574-1576に記述さ
れている。リミツタ回路は2つの役割を演ずる。第1は
振幅リミツタとして動作しLPFおよびHPFの出力信
号の振幅を正規化することである。第2は複数の周波数
を含む副帯域信号(雑音)よりも単一周波数を含む副帯
域信号(MFRによつて検出される信号の場合)を優先
するように動作することである。
更に、MFRの全動作は実際にはデイジタル・モードで
実行される点に留意しなければならない。これは次のこ
とを意味する。すなわち、信号は、LPFおよびHPF
に現われる前に、約8KHzのナイキスト周波数でサン
プリングされ、12または16ビツトでデイジタル符号
化される。従つて、MFRによつて実行される全フイル
タ動作はマイクロプロセツサによつてデイジタル・モー
ドで実行される。マイクロプロセツサの使用は計算雑音
を生じ、MFRの動作が不安定になる。更に、毎秒80
00のデイジタル・サンプルの処理にはかなりの計算能
力を必要とし、これはMFRの費用に大きく影響する。
〔本発明の概要〕
本発明によつて比較的低価格のトーン検出器および該検
出器を使用する多重周波数受信装置が実現され、多重周
波数信号の誤つた検出に対して十分な保護を与えること
ができる。
本発明のトーン検出器は下記のものを含む。
(a)検出される単数または複数のトーン周波数を含む帯
域幅を有するバンドパス・フィルタ。このフイルタは受
信信号をフイルタし、フイルタされた信号の同相成分お
よび直交成分を供給する。
(b)フイルタされた信号の前記成分を結合し、その位相
および振幅データを取出す手段。
(c)前記位相および振幅データを解析し、前記振幅デー
タが所定の期間中ほぼ一定であつて位相変化が前記所定
の期間中ほぼ一定であるときにトーン信号受信を表示す
る手段。
本発明の応用として、下記を含む多重周波数受信装置
(MFR)が得られる。
(a)前記定義の第1トーン検出器。これはいわゆる高周
波数範囲をカバーする帯域幅を有する。
(b)第1トーン検出器に類似の第2トーン検出器。これ
はいわゆる低周波数範囲をカバーする帯域幅を有する。
(c)受信されたMFR信号を前記位相変化の解析によつ
て識別し、前記検出器の各々によつて検出された信号の
周波数の値を取出す手段。
〔詳細な説明〕
以下説明する電話の番号指定機能で使用される多重周波
数信号は、2つの単一周波数信号から成る。これらの信
号の一方はいわゆる低周波数グループに属し、697H
z、770Hz、852Hzおよび941Hzの4周波
数中のいずれか1つを有することができる。他方の信号
はいわゆる高周波数グループに属し、1209Hz、1
336Hz、1477Hzおよび1633Hzの4周波
数中のいずれか1つを有することができる。これらを組
合わせると16種類の多重周波数信号が得られる。MF
Rはこの信号を雑音、例えば15Hzから480Hzま
での範囲のダイヤル・トーン雑音が存在する中で検出し
識別しえなければならない。MFRのもう1つの重要な
特性は音声信号または音楽が有効なMF信号として検出
されてはならないということである。言い換えれば、誤
つたダイヤル検出は回避されなければならない。
第1図は本発明の多重周波数受信装置の基本的回路図を
示す。ADC(アナログ・デイジタル・コンバータ)1
0によつて入力信号は8KHzでサンプリングされ、デ
イジタル信号に変換される。ADC10の出力はヒルベ
ルト変換器型の2つのフイルタ12および14に同時に
送られる。フイルタ12は低周波数グループ697Hz
乃至941Hzをカバーする帯域幅を有するバンドパス
・フイルタである。フイルタ14は高周波数グループ1
209Hz乃至1633Hzをカバーする帯域幅を有す
るバンドパス・フイルタである。フイルタ12および1
4の各々はカルテシアン座標における信号、すなわち一
方が同相成分(x(t)またはx(t))で、他方が直交
成分(y(t)またはy(t))の2成分によつて定義さ
れる信号を供給する。(x、y)の各々の対はいわゆる
解析信号Sを下記のように定義する。
(t)=x(t)+jy(t) (1) S(t)=x(t)+jy(t) (2) 解析信号の特性によつて、各々のフイルタ12または1
4の出力信号は高い方の周波数の2倍の周波数でサンプ
リングされる代りに、その帯域幅に等しいか、またはそ
れよりも高い周波数でサンプリング可能であり、かつこ
のサンプリングによつて雑音を生じない。本実施例で
は、各々のフイルタ12または14の出力されたサンプ
リング周波数は、こうしていわゆるデシメーション動作
によつて500Hzまで低くすることができる。これは
第1図において、0.5KHzの速度で作動される複数の
スイツチ16で示される。従つて、デシメーションされ
た信号を実際に処理するのに必要な計算能力は、信号の
サンプリング周波数が8KHzに保持された場合に必要な
計算能力よりもかなり低い。信号S(t)およびS(t)
は極座標コンバータ18および20によつて処理され、
カルテシアン座標(x,y)を極座標(ρ、θ)に変換
する。ただし、ρは処理された信号の振幅、θはその位
相である。低周波数帯域の振幅および位相信号情報(す
なわちρ、θ)および高周波数帯域の振輻および位
相信号情報(すなわちρ、θ)は論理回路22に送
られ、これらの情報が解析されてMFRの信号の存在が
検出され、かつこの信号が識別される。識別された信号
は出力信号として出力に現われる。
各々の単一周波数の振幅ρおよびその位相変化は一定で
ある、というよりも実際上は所定の範囲内で変化すると
いう事実に基づいて検出動作が行なわれる。
従つて、解析信号S(t)=x(t)+jy(t)が単一周波数
、初期位相φおよび振幅ρを有する場合には次の関
係式が得られる。
x(t)=ρ cos(2πt+φ) (3) y(t)=ρ sin(2πt+φ) (4) S(t)=ρ exp jθ(t) ただし、θ(t)=2πt+φ 振幅ρは定数であり、位相θ(t)は直線性を有する。よ
つて、2つの瞬時tおよびt+τの間の位相変化は次の
ようになる。
Δθ(τ)=2πτ (5) 従つて、τが一定ならばΔθ(τ)も一定である。
論理回路22には2ミリ秒ごとに振幅情報ρおよびその
ときの位相情報θが与えられる。前記条件において、ρ
は実質的に一定のままであり、θの変化も連続する2つ
のサンプリング時点の間で実質的に一定のままである。
更に、τの値がわかればΔθ(τ)の測定によつてo
が計算可能である。このようにして、単一周波数信号
(すなわち単一正弦波トーン)の受信を検出し、その周
波数を識別することが可能である。
実際には、雑音によつてこれらの測定が妨害を受ける。
従つて、一定数のサンプリング期間にわたつて測定され
たρおよびΔθの変化が所定範囲内にとどまつていると
きにトーンが検出されるものとする。
このように、第1図に示すシステムは2つのトーン受信
装置から成るMFRを表わし、各々のトーン受信装置は
4つの単一トーンを受信し、解析して受信されたトーン
を識別し、それからMFRによつて受信された多重周波
数信号の識別を取出すことが可能である。
第2図は高周波数帯域と低周波数帯域を分離するフイル
タ配列の実施例を示す。第2図には、第1図の極座標コ
ンバータ18および20の左側の構成に、0から2KH
zまでの範囲の周波数帯域幅を有する低域フイルタ(L
PF)24が付加されて示されている。
ADC10から毎秒8000サンプル(τ=1/80
00=125μs)の速度で送られる信号サンプルは低
域フイルタ24に供給される。このフイルタは、各々1
2ビツトで符号化された15の係数w-7、w-6、……、w
、w、……wを有するデイジタル・トランスバー
サル・フイルタである。これらの係数はw-n=wとな
るように選択される。wの値は次のとおりである。
=1045 w=644 w=−14 w=−206 w=6 w=140 w=−46 w=−63 低域フイルタ24の出力信号はヒルベルト変換器型のフ
イルタ12および14に送られる前に1/τ=4KH
zの周波数で再びサンプリングされる。フイルタ12お
よび14はそれぞれ、いわゆる低周波数グループ(69
7、770、852および941Hz)および高周波数
グループ(1209、1336、1477および163
3Hz)の信号の同相成分および直交成分を供給するバ
ンドパス・フイルタである。各々のフイルタは2組のデ
イジタル・トランスバーサル・フイルタで形成され、同
じ遅延線を共有する。フイルタ12および14の係数も
12ビツトで符号化されており、それぞれ第1表および
第2表に示す値を有する。
カルテシアン座標(x、y)から極座標(ρ、θ
への信号の変換は次式に基づき、極座標コンバータ18
および20で実行される。
x=ρ cos θ (6) y=ρ sin θ (7) 極座標コンバータ18および20の目的はρ及びθ
を決定することである。変換は各々のサンプルの成分
(x、y)を第3図に示す2分法演算にゆだねることに
よつて行なわれる。
第3図の上部に示す動作の目的は(x、y)のベクトル
をその最初の位置から回転し(受信され、フイルタされ
た信号の第1の回転)、実際の回転の大きさを測定しな
がら、前記ベクトルを三角法の円の第一象限にもつてゆ
く。例えばx>0,Y>0のときはベクトルがすでに第
1象限に存在するので回転動作はφ=0となりx′=
x;y′=yとなる。x<0,y>0のときはベクトル
が第4象限に存在するので第1象限への回転のために回
転動作はφ=3π/2となり、その結果x′=−y;
y′=xとなる。同様にx<0,y>0のときはφ=π
/2、x′=y,y′=−xとなり、x<0,y<0の
ときはφ=π、x′=−x,y′=−yとなる。次に第
1の回転のベクトルはπ/8、π/16、π/32、π/64
およびπ/128ずつ連続して回転される(第2の回
転)。これらの動作は第3図の下部に示されている。こ
の第3図下部の動作は次のとおりである。まず、φ=
0,π/2,π,3π/2のいずれかの値をとるものと
し、 (x,y)=φ+(x′,y′) (x′,y′)=a1・π/4+a2・π/8+a3・
π/16+a4・π/32+………とする。ここでa
1,a2,a3…………は0か1の値をとる。
ステップ1 まず、x′>y′について判断される。(x′,y′)
>π/4であれば、a1=1,φ=φ+π/4となる。
(x′,y′)ベクトルは−π/8回転され、その結果
(x′,y′)=π/4−π/8+a2・π/8+a3
・π/16+a4・π/32+………… となる。
(x′,y′)<π/4であれば、a1=0,φ=φと
なる。(x′,y′)ベクトルはπ/8回転され、その
結果(x′,y′)=π4−π/8+a2・π/8+a
3・π/16+a4・π/32+………… となる。
ステップ1においてa1の値が決定される。
ステップ2 y′>x′のとき(x′,y′)>π/4であり、a2
=1,φ=φ+π/8となり、 (x′,y′)ベクトルは−π/16回転され、
(x′,y′)=π/4−π/16+a3・π/16+
a4・π/32+……… となる。
一方a2=0のときはφの値は増加されず(x′,
y′)ベクトルはπ/16回転され、(x′,y′)=
π/4−π/16+a3・π/16+a4・π/32+
……… となる。
ステップ3 上述と同様の動作がなされ、(x′,y′)=π/4−
π/32+a4・π/32+………となる。
以下同様の動作が繰り返される。動作が終了すると、
x′、y′およびφの値が得られる。x′およびy′は
ベクトルの座標の最終位置にある、すなわちできるだけ
π/4に近い位置に持つて来られる。従つて、x′
y′であるφの値は最初のベクトル(x、y)になされ
た連続回転に関係し、π/128の精度で前記ベクトル
(x、y)の最初の位置における位相の値を表わす。
従つて、極座標コンバータ18および20は第1および
第2の回転情報から得られた情報を使用し、次の演算を
実行する計算手段(図示せず)を使用して極座標成分を
計算する。
ただし、X=x′ 第2の回転を更に続ける、すなわち数N(第3図参照)
の上限を増大することによつてρおよびθをもつと
正確に測定しうることに留意しなければならない。しか
し、どんな場合でも、前記計算動作(2分法演算)を実
行することによつて、極座標コンバータ18および20
は振幅(ρ、ρ)および位相(θ、θ)情報を
提供する。
前記のように、各々が一定の値を有する単一トーン周波
数がフイルタ12および14の各々で検出されると、多
重周波数(MF)信号が受信されたものとみなすことが
できる。また、十分に長い期間(2msの数倍)にわた
つて一定であるか、または所定の範囲内で変化する振幅
および位相変化によつて単一周波数の存在が表わされた
ことが注目される。次に、受信された多重周波数信号の
トーン検出および識別の動作が論理回路22によつてど
のように実行されるかについて説明する。
受信された信号n番目のサンプルが論理回路22によつ
て処理されるべきときの受信信号の振幅および瞬時位相
がそれぞれρおよびθで表わされるものとする。
信号の瞬時位相とその周波数の間の関係については既に
述べたが、実際にはトーン周波数は±1.8%の精度を有
し、これは位相についても当てはまる。また、前記説明
から、位相表示よりはむしろ位相変化表示が考慮されな
ければならないことを認識する必要がある。
いわゆる低周波数グループ(グループA)において、瞬
時位相変化の妥当な範囲を第3表に示す。なお、ここで
瞬時とは2mm秒(500Hzのサンプリング)である。
第 3 表 684.5<<709.5 132.8°<Δθ<150.8° 756.1<<783.9 184.4°<Δθ<204.4° 836.7<<865.3 242.4°<Δθ<264.4° 924<<957.9 305.2°<Δθ<329.6° いわゆる高周波グループ(グループB)において、瞬時
位相変化の妥当な範囲を第4表に示す。なお、ここで瞬
時とは2mm秒(500Hzのサンプリング)である。
第 4 表 1187.2<<1230.8 134.8°<Δθ<166.1° 1312<<1360 224.6°<Δθ<259.2° 1450.4<<1503.6 -35.7°<Δθ<2.6° 1603.6<<1662.4 74.6°<Δθ<116.9° 第3および4表はどちらも論理回路22内のメモリ(図
示せず)に記憶される。前記メモリにはこのように周波
数対位相変化の情報が記憶される。
実際には、検出される信号に属する多重周波数信号が受
信されると、論理回路22で単一トーン周波数およ
に雑音が付加された2つの信号SおよびS
得られる。信号SおよびSの極座標を表わす式を次
に示す。
(nT)=ρexp j(2πnT+Ψ)+雑音 S(nT)=ρexp j(2πnT+Ψ)+雑音 ただし、T=2ms、 ΨおよびΨは最初の位相の値、 nはサンプリングの瞬時(すなわち、n=1、2、3、
……) である。
およびSの微分測定が雑音の影響を中和する。す
なわち、瞬時nにおける位相をΦ(n)とするとΦ
(n)は Φ(n)=2πnT+Ψ+V(n) で表される。ここでΨは最初の位相値であり、V(n)
は雑音による位相誤差を表す。
位相変化はΦ(n+1)−Φ(n),Φ(n+2)−Φ
(n+1),………Φ(n+m)−Φ(n+m−1)の
各々によって計算され、これらを加算し、mで除算する
と、 2πT+(V(n+m)−V(n))/mとなり、雑
音項がm分割され、雑音による影響が中和される。
また、次の関係式が成立する。
の2つの連続サンプル値における位相変化値に等し
い瞬時位相を有する値をqとし、Sの2つの連続サ
ンプル値における位相変化値に等しい瞬時位相を有する
値をqとすると、 q=S(nT)S 〔(n−m)T〕 =▲ρ ▼ exp j Δθ+雑音項 (9) q=S(nT)S 〔(n−p)T〕 =▲ρ ▼ e×p j Δθ+雑音項 (1
0) Δθ=2πmt (11) Δθ=2πpt (12) ただし、m=τ/T p=τ/T τおよびτは受信されフイルタされた信号Sおよ
びSでなされた連続する2つの測定の間の期間をそれ
ぞれ表わす。実際には、500Hzのサンプリング速度
で、mおよびpはどちらも1に等しく選択されるであろ
う。
記号*は複素共役を示す。
前記の式(11)および(12)は、受信された信号の位相変化
が連続するいくつかの時間間隔(等間隔である)にわた
つて一定であるものとすれば、受信信号は純粋な正弦波
であると見込まれることを示す。この推測は信号の振幅
ρおよびρが一定であることを検査することによつ
て確証される。
実際には、測定精度の制約によつて、位相変化Δθおよ
び振幅ρがほぼ一定であることが検査されるという方が
適切である。これが、2つの受信信号すなわちSおよ
びSの各々の位相変化Δθおよび振幅ρの平均値
を計算する回路(図示せず)が論理回路22に含まれて
いる理由である。
これらの平均値は8サンプルにわたつて計算される。す
なわち、 また、論理回路22は下記の演算を実行することによつ
て振幅および位相変化を決定する。
論理回路22で供給され式(15)および(16)で表われた数
値は、ρおよびΔθがほぼ一定とみなされる範囲内の境
界を表わす所定のしきい値KおよびK′と、振幅および
位相検査手段(図示せず)で比較される。
ρおよびΔθがほぼ一定、すなわち かつ であるとき、 受信された正弦波信号は識別される。そのため、論理回
路22は、第3または4表に示すように記憶された位相
変化の値Δθと<Δθ>を比較する判断装置(図示せ
ず)を含み、それによつて多重周波数信号の受信が検出
され、前記多重周波数信号が識別される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による多重周波数受信装置の基本的回路
図、 第2図は第1図の回路図に属する回路の実施例を示す
図、 第3図は第1図の回路18および20の動作を示す流れ
図である。 10……ADC、12、14……フイルタ、16……ス
イツチ、18、20……極座標コンバータ、22……論
理回路、24……低域フイルタ。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−107803(JP,A) L.E.フランクス猪瀬博外2名訳「信 号理論」S49−3−23産業図書株式会社 P.77−81

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所定のトーン周波数信号を検出して該信号
    の周波数を識別するために下記(a)乃至(e)を具備するト
    ーン検出器。 (a)受信された信号をサンプリングしてデイジタル信号
    へ変換する手段。 (b)前記変換されたデイジタル信号をフイルタして該信
    号の同相成分および直交成分をそれぞれ発生するバンド
    パス・フイルタ手段。 (c)前記成分を極座標変換することによって前記フイル
    タされた信号の位相情報および振幅情報をそれぞれ取出
    す極座標変換手段。 (d)識別すべき周波数と位相変化との間の一意的な対応
    関係を予め記憶するメモリ。 (e)所定のサンプリング期間中に得られる一連の前記位
    相情報から位相変化を計算して、該位相変化および前記
    振幅情報が前記所定のサンプリング期間のそれぞれの平
    均値との比較において所定の範囲内にあることを検出
    し、前記メモリを参照して対応周波数を識別する論理手
    段。
JP58064642A 1982-06-25 1983-04-14 ト−ン検出器 Expired - Lifetime JPH0666980B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP82430017.2 1982-06-25
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