СПОСОБ ИНДЕНТИФИКАЦИИ ТОНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ В СЕТЯХ СВЯЗИ И ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01H3/00 H04M1/66 H04M3/38 

Изобретение относится к технологии и технике связи, например идентификации тональных сигналов для автоматического определения номера (АОН) телефона вызывающего абонента в коммутируемых каналах сетей передачи информации.

Известны способ и устройства на базе современного цифрового сигнального процессора (ДСП), которые предназначены для посылки сигнала запроса кодограммы АОН (500 Гц) по соединительной телефонной линии на городскую телефонную станцию (ГТС) и дистанционного приема в тональном диапазоне частот информации в двухчастотной тональной системе сигнализации DTMF (Dual-Tone Multifrequency), код "2 из 6", о номере и категории телефона вызывающего абонента методом "безынтервального пакета" [1].

Недостатком известных АОН, появившихся на потребительском рынке с 1990 года в виде оконечного абонентского оборудования, являются сравнительно невысокие показатели определения номера вызывающего абонента при ухудшающих параметрах абонентских телефонных линий (неравномерность затухания и перекос АЧХ, индустриальные шумы). Многочастотный широкополосный сигнал, проходя по коммутируемым аналоговым каналам связи, искажается, так как различные частотные составляющие запаздывают на разное время, зависящее от параметров коммутируемого канала связи и частоты исследуемого сигнала.

Задача обнаружения гармонического сигнала (или его отрезков) на фоне шума достаточно хорошо изучена [1, 2, 3]. Техническая реализация осложняется высоким уровнем шумов с неопределенным законом распределения и нестационарностью параметров каналов передачи информации в технологии и технике связи.

Близким аналогом предлагаемому является патент Японии "Способ и устройство анализа звуков музыки" [G 01 H 3/00, JP 2750332 В2, 2126123А]. Цифровое устройство, реализующее способ анализа звуков музыки на базе прямого и обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ), содержит предварительный усилитель анализируемых звуков, поступающих от источника, например микрофона. Через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) усиленный сигнал подается в блок БПФ. Полученный сигнал поступает в блок памяти и затем проходит через буфер, в котором хранятся спектры выделяемых звуковых (тональных) составляющих. Из буфера сигнал проходит в блок обратного БПФ (ОБПФ). Из блока ОБПФ сигнал поступает в вычислительные блоки для получения амплитудных и, соответственно, частотных характеристик по заданным формулам.

Общим недостатком известных способов и устройств для идентификации тональных сигналов в задачах АОН является сложность реализации алгоритма БПФ и ОБПФ в реальном масштабе времени. Особенно характерны эти трудности при технической реализации цифровых узкополосных КИХ-фильтров (например, с помощью алгоритма БПФ), которые очень быстро возрастают с увеличением разрядной сетки АЦП и частоты квантования. Поэтому для идентификации тональных сигналов в реальном масштабе времени необходимо применять оптимальные по помехоустойчивости адаптивные цифровые фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры).

Настоящее изобретение направлено на повышение быстродействия идентификации тональных сигналов в реальном масштабе времени. Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, состоит в полной компенсации случайной фазовой погрешности сигналов тональных частот, а также сигналов с другими видами модуляции, например ИКМ.

Для этого в известном способе, состоящем в предварительном усилении аналоговых сигналов тональных частот, снимаемых с телефонной сети, ограничении по амплитуде, дискретизации этих сигналов в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразования и последующей цифровой обработке, при этой цифровой обработке цифровой поток дискретных сигналов в тональном диапазоне частот в параллельном коде фильтруют в реальном масштабе времени, детектируют непрерывно фильтруемые многочастотные тональные дискретные сигналы по модулю, накапливают их в течение фиксированного интервала времени, формируя на каждом тактовом шаге общей синхронизации многочастотные спектральные составляющие, выполняют непрерывный контроль превышения по амплитуде полезного сигнала над уровнем помех телефонной сети вместе с шумовой составляющей аналого-цифрового преобразования, фиксируют моменты этих превышений в скользящем режиме, выполняют промежуточное накопление, идентифицируют многочастотные кодовые комбинации и регистрируют идентифицированные сигналы.

При этом цифровую фильтрацию в реальном масштабе времени предпочтительно ведут по методу конвейерной обработки в цифровых БИХ-фильтрах, собственную частоту, добротность и коэффициент передачи каждого фильтра адаптивно перенастраивают, причем фильтруемый сигнал ортогонален сигналу на предыдущем шаге.

Цифровое устройство для реализации предлагаемого способа идентификации тональных сигналов в сетях связи содержит, наряду с известным аналого-цифровым преобразователем, подключенным через усилитель к телефонной линии, схему цифровой обработки сигналов, в которой усилитель подключен к телефонной линии через блок коммутации и согласования с телефонной линией, аналого-цифровой преобразователь подключен своим выходом к информационному входу буферного регистра, используемого в качестве многопозиционного ключа, выход которого соединен с общей шиной данных параллельно подключенных адаптивных узкополосных цифровых БИХ-фильтров, выходы которых через мультиплексор, цифровой блок детекторов по модулю и арифметических сумматоров с накоплением подключены к блоку контроля в скользящем режиме уровней многочастотных спектральных составляющих полезного сигнала и фиксации событий превышения этих уровней над помехой, выходы которого соединены соответственно с входами логического блока текущего анализа, идентификации и регистрации кодов тональных сигналов, а блок индикации подключен к выходу логического блока через микропроцессорный комплект.

При этом каждый адаптивный узкополосный цифровой БИХ-фильтр предпочтительно выполнен в виде последовательно соединенных первого арифметического блока умножения, арифметического сумматора-вычитателя и двух цифровых интеграторов, первый из которых состоит из второго блока арифметического умножения и первого арифметического сумматора с накоплением, соединенных последовательно друг с другом, а второй цифровой интегратор состоит из последовательно соединенных третьего арифметического блока умножения и второго арифметического сумматора с накоплением, причем выход второго цифрового интегратора соединен со вторым входом арифметического сумматора-вычитателя и одновременно является первым выходом БИХ-фильтра, выход первого цифрового интегратора одновременно является вторым выходом БИХ-фильтра, а второй вход первого арифметического блока умножения и объединенные вторые входы второго и третьего арифметических блоков умножения присоединены к соответствующим управляющим выходам микропроцессорного комплекта.

На фиг.1 приведена функциональная схема предложенного устройства;

на фиг.2 - структурная схема адаптивного узкополосного цифрового БИХ-фильтра второго порядка.

Идентификация тональных сигналов в сетях связи, например телефонной сети общего пользования, осуществляется следующим образом (фиг.1). По соединительной телефонной линии на городскую телефонную станцию (ГТС) посылается сигнал запроса кодограммы АОН (500 Гц). Информация в двухчастотной тональной системе сигнализации DTMF, код "2 из 6", о номере и категории телефона вызывающего абонента методом "безынтервального пакета" принимается в аналоговой форме через блок коммутации и согласования с телефонной линией 1. Эти сигналы усиливаются усилителем 2 и ограничиваются по амплитуде для предотвращения выхода из строя аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 3, который своим информационным входом подключен к выходу усилителя 2. Выход АЦП 3 в параллельном коде через буферный регистр 4, используемый в качестве многопозиционного ключа, соединен с общей шиной данных, к которой подключены в параллельном коде информационные входы в общем случае N адаптивных узкополосных цифровых БИХ-фильтров 5-10. Эти фильтры осуществляют параллельно в реальном масштабе времени цифровую фильтрацию многочастотного сигнала, снимаемого в виде цифрового потока с выхода АЦП 4. При этом дискретные сигналы с первого и второго выхода каждого цифрового БИХ-фильтра 5-10 взаимно ортогональны на фиксированном интервале наблюдения, что соответствует мнимой и вещественной составляющей текущего спектра тональных сигналов после БПФ в прототипе. Выходы цифровых БИХ-фильтров 5-10, осуществляющие непрерывную цифровую фильтрацию через мультиплексор 11, подключены на соответствующие входы блока 12 последовательно соединенных детекторов по модулю фильтруемых цифровых многочастотных тональных сигналов и арифметических сумматоров-накопителей, выходы которых, в свою очередь, соединены с соответствующими входами блока 13 непрерывного контроля превышения по амплитуде текущих спектральных составляющих многочастотного полезного сигнала на каждом шаге общей синхронизации всех предыдущих блоков конвейерной обработки цифрового потока идентифицируемых сигналов. Блок 13 контроля превышения сигнала над уровнем помех телефонной сети вместе с шумовой составляющей АЦП фиксирует моменты этих превышений в скользящем режиме. Соответствующие выходы этого блока 13 соединены с входами блока 14 логического текущего анализа, накопления событий предыдущего блока, идентификации и последующей регистрации соответствующих кодов тональных сигналов, например, "2 из 6". Эта информация выводится через микропроцессорный комплект 15 на блок индикации 16. Общая синхронизация всех блоков цифровой обработки сигналов и управления ими осуществляется микропроцессорным комплектом 15, например, от внутреннего прецизионного термостабилизированного генератора высокой частоты через делитель частоты. Первый выход синхронизации и управления микропроцессорного комплекта 15 соединен с входом синхронизации АЦП 3 и буферного регистра 4. Второй выход синхронизации и управления микропроцессорного комплекта соединен (на фиг.1 условно не показано) с соответствующими входами синхронизации адаптивных узкополосных цифровых БИХ-фильтров 5-10. Третий выход синхронизации и управления микропроцессорного комплекта 15 соединен с соответствующими входами мультиплексора 11, блока 12 цифровых детекторов по модулю и арифметических сумматоров-накопителей, блока 13 текущего контроля уровней и логического блока 14 текущего анализа событий кодовых комбинаций. Четвертый выход синхронизации и управления микропроцессорного комплекта 15 соединен с управляющим входом блока индикации 16.

Более подробная схема предпочтительного выполнения адаптивного узкополосного цифрового БИХ-фильтра представлена на фиг.2. Каждый адаптивный узкополосный цифровой БИХ-фильтр 5-10 предпочтительно выполнен в виде последовательно соединенных первого арифметического блока умножения 17, арифметического сумматора-вычитателя 18 и двух цифровых интеграторов 19, 20, первый из которых состоит из второго блока арифметического умножения 21 и первого арифметического сумматора с накоплением 22, соединенных последовательно друг с другом, а второй цифровой интегратор 20 состоит из последовательно соединенных третьего арифметического блока умножения 23 и второго арифметического сумматора с накоплением 24, причем выход второго цифрового интегратора 20 соединен со вторым входом арифметического сумматора-вычитателя 18 и одновременно является первым выходом БИХ-фильтра, выход первого цифрового интегратора 19 одновременно является вторым выходом БИХ-фильтра, а второй вход первого арифметического блока умножения 17 и объединенные вторые входы второго и третьего арифметических блоков умножения 21, 23 присоединены к соответствующим управляющим выходам микропроцессорного комплекта 15.

На информационный вход каждого адаптивного узкополосного цифрового БИХ-фильтра второго порядка 5-10 с общей шины данных с выхода буферного регистра 4, используемого в качестве многопозиционного ключа и управляемого от соответствующего выхода микропроцессорного комплекта 15, непрерывно поступает поток дискретных сигналов:

Z(kT)=X(kT)+N(kT),

где X(kT) - полезный многочастотный дискретный сигнал тональной сигнализации;

N(kT) - обобщенная помеха;

Т - шаг квантования по времени АЦП;

k=0, 1, 2, 3, ... M.

Дополнительный недостаток способа и устройства идентификации тональных сигналов на базе метода БПФ и ОБПФ состоит в необходимости вычисления и хранения в буферной памяти ЦСП в цифровом виде дискретных ординат sin(ωt) и cos(ωt). Угловая частота ω, измеряемая в радианах/с, связана с частотой отдельных составляющих многочастотной тональной сигнализации, как ω=2πf, где f - частота в Гц.

Многочастотная тональная сигнализация, например "2 из 6", характерная для России и ряда других стран, жестко регламентирует отдельные тональные частоты, например 500 Гц, 700 Гц, 900 Гц, 1100 Гц, 1300 Гц, 1500 Гц, 1700 Гц, ...

Представленная схема цифрового БИХ-фильтра соответствует фильтру второго порядка с максимальной добротностью при правильно выбранном шаге квантования АЦП 3 по времени и достаточной разрядности по амплитуде. Оптимальный шаг квантования по времени при однопроцентной допустимой погрешности:

как указано в кн.: В.С.Гутников. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энергоатомиздат, 1990, с.50. В этом случае требуется не менее 22 отсчетов на один период синусоиды.

Этого недостатка лишена схема адаптивного узкополосного цифрового БИХ-фильтра по фиг.2. Дискретный сигнал Z(kT) подвергается конвейерной обработке последовательно соединенных первого арифметического блока умножения 17, арифметического сумматора-вычитателя 18 и двух цифровых интеграторов 19, 20. Первый цифровой интегратор 19 состоит из второго арифметического блока умножения 21 и первого арифметического сумматора с накоплением 22. Второй цифровой интегратор 20 содержит соответственно третий арифметический блок умножения 23 и второй арифметический сумматор с накоплением 24.

Первый выход цифрового БИХ-фильтра Y1(kT) соединен со вторым входом арифметического сумматора-вычитателя 18. Второй вход первого блока арифметического умножения 17, соответствующий коэффициенту передачи цифрового БИХ-фильтра, перенастраивается в цифровом виде одним из управляющих цифровых выходов микропроцессорного комплекта 15. Вторые объединенные входы соответственно второго арифметического блока умножения 21 и третьего арифметического блока умножения 23 определяют собственную частоту f_т отдельной составляющей многочастотной сигнализации. Этот параметр настраивается в цифровом виде вторым отдельным управляющим выходом микропроцессорного комплекта 15. При этом точность этих двух независимо перенастраиваемых параметров определяется только разрядной сеткой управляющих выходов микропроцессорного комплекта 15 и арифметических блоков умножения 17, 21, 23.

Рекуррентные уравнения, соответствующие этому варианту технической реализации адаптивного узкополосного цифрового БИХ-фильтра, имеют следующий вид:

Y3(kT)=Z(kT)K_F-Y1(kT),

где Y3(kT) - цифровой сигнал на выходе арифметического сумматора-вычитателя 18;

Y1(kT) - цифровой фильтруемый сигнал с первого выхода БИХ-фильтра;

К_F - коэффициент передачи цифрового БИХ-фильтра, который может перенастраиваться для компенсации затухания в линии связи конкретной составляющей многочастотной сигнализации f_т.

Y2(kT)=Y2[(k-1)Т]+Y3(kT)(T/T_F),

где Y2(kT) - цифровой сигнал с выхода первого цифрового интегратора 19, служащего вторым выходом БИХ-фильтра.

Y1(kT)=Y1[(k-1)Т]+Y2(kT)(Т/Т_F),

где коэффициент (Т/Т_F) соответствует собственной частоте цифрового БИХ-фильтра и может быстро с высокой точностью перенастраиваться в цифровом виде микропроцессорным комплектом 15. Так, например, если f_Т=1700 Гц, то полпериода Т_F/2=1/34·10^-2 с. Для выполнения требования однопроцентной погрешности необходимо уменьшить шаг дискретизации до Т=10^-5 с (10 мкс). Общая синхронизация всех блоков цифрового устройства, показанного на фиг.1, осуществляется от микропроцессорного комплекта 15, который генерирует сигналы синхронизации, например, через делитель частоты (1:10) от прецизионного термостабилизированного кварцевого генератора с f_Г=10 МГц.

Дискретные сигналы с первого и второго выходов цифрового БИХ-фильтра взаимно ортогональны, что соответствует в прототипе вещественной и мнимой составляющей БПФ и ОБПФ. В схеме цифрового квадратурного демодулятора эти сигналы соответствуют синфазной и ортогональной составляющей. Преимущество этого варианта технической реализации не только в быстродействии, которое обратно пропорционально сумме элементарных арифметических операций на каждом шаге оптимального скользящего спектрального анализа, но и в точности, поскольку не требуется вычислять и запоминать в буферной памяти ЦСП отдельные дискреты sin(ω_Тt) и cos(ω_Тt).

Литература

1. С.Л.Корякин-Черняк. АОН в телефонных аппаратах. Телефонные аппараты от А до Я, кн.2. СПб, Наука и техника, 2003 г. (330 стр.)

2. М.С.Куприянов, Б.Д.Матюшкин, Д.Б.Головкин. Реализация многофункционального обнаружителя гармонических сигналов на DSP, "Цифровая обработка сигналов" №1, 2001 г., с.28-31.

3. Абонентское устройство определителя номера телефона УОН-51. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М., ГУ НПО "СТиС" МВД России, 2001 г. (20 стр.)

4. G 01 H 3/00, Способ и устройство анализа звуков музыки, Arai Kiyotsugu, JP 2750332 B2 2126123 A, (10) 0213. 11.08.99.

Изобретение относится к технологии и технике связи, например идентификации тональных сигналов для автоматического определения номера (АОН) телефона вызывающего абонента в коммутируемых каналах сетей передачи информации. Достигаемым техническим результатом является повышение быстродействия идентификации тональных сигналов в реальном масштабе времени. Для этого в способе идентификации тональных сигналов в сетях связи предварительно усиливают аналоговые сигналы тональных частот, снимаемых с телефонной сети, ограничивают по амплитуде, дискретизируют эти сигналы в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразования и последующей цифровой обработке, при которой цифровой поток дискретных сигналов в тональном диапазоне частот в параллельном коде фильтруют в реальном масштабе времени, детектируют непрерывно фильтруемые многочастотные тональные дискретные сигналы по модулю, накапливают их в течение фиксированного интервала времени, формируя на каждом тактовом шаге общей синхронизации многочастотные спектральные составляющие, выполняют непрерывный контроль превышения по амплитуде полезного сигнала над уровнем помех телефонной сети вместе с шумовой составляющей аналого-цифрового преобразования, фиксируют моменты этих превышений в скользящем режиме, выполняют промежуточное накопление, идентифицируют многочастотные кодовые комбинации и регистрируют идентифицированные сигналы. Устройство для осуществления этого способа содержит аналого-цифровой преобразователь, подключенный через усилитель к телефонной линии, и схему цифровой обработки сигналов, причем усилитель подключен к телефонной линии через блок коммутации и согласования с телефонной линией, аналого-цифровой преобразователь подключен своим выходом к информационному входу буферного регистра, используемого в качестве многопозиционного ключа, выход которого соединен с общей шиной данных параллельно подключенных адаптивных узкополосных цифровых БИХ-фильтров, выходы которых через мультиплексор, цифровой блок детекторов по модулю и арифметических сумматоров с накоплением подключены к блоку контроля в скользящем режиме уровней многочастотных спектральных составляющих полезного сигнала и фиксации событий превышения этих уровней над помехой, выходы которого соединены соответственно с входами логического блока текущего анализа, идентификации и регистрации кодов тональных сигналов, а блок индикации подключен к выходу логического блока через микропроцессорный комплект. Показано предпочтительное выполнение адаптивных узкополосных цифровых БИХ-фильтров. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ идентификации тональных сигналов в сетях связи, состоящий в предварительном усилении аналоговых сигналов тональных частот, снимаемых с телефонной сети общего пользования, ограничении по амплитуде, дискретизации этих сигналов в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразования и последующей цифровой обработки, отличающийся тем, что цифровой поток дискретных сигналов в тональном диапазоне частот в параллельном коде фильтруют в реальном масштабе времени, детектируют непрерывно фильтруемые дискретные сигналы по модулю, накапливают их в течение фиксированного интервала времени, формируя на каждом тактовом шаге общей синхронизации многочастотные спектральные составляющие, выполняют непрерывный контроль превышения по амплитуде полезного сигнала над уровнем помех телефонной сети вместе с шумовой составляющей аналого-цифрового преобразования, фиксируют моменты этих превышений в скользящем режиме, выполняют промежуточное накопление, идентифицируют многочастотные кодовые комбинации и регистрируют идентифицированные сигналы.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что цифровую фильтрацию в реальном масштабе времени ведут по методу конвейерной обработки в цифровых БИХ-фильтрах, собственную частоту, добротность и коэффициент передачи каждого фильтра адаптивно перенастраивают, причем фильтруемый сигнал ортогонален сигналу на предыдущем шаге.3. Устройство для идентификации тональных сигналов в сетях связи, содержащее аналого-цифровой преобразователь, подключенный через усилитель к телефонной линии, и схему цифровой обработки этих сигналов, отличающееся тем, что усилитель подключен к телефонной линии через блок коммутации и согласования с телефонной линией, аналого-цифровой преобразователь подключен своим выходом к информационному входу буферного регистра, выход которого соединен с общей шиной данных параллельно подключенных адаптивных узкополосных цифровых БИХ-фильтров, выходы которых через мультиплексор, цифровой блок детекторов по модулю и арифметических сумматоров с накоплением подключены к блоку контроля уровня сигналов и фиксации событий превышения этих уровней над помехой, выходы которого соединены соответственно с входами логического блока текущего анализа, идентификации и регистрации кодов тональных сигналов, а блок индикации подключен к выходу логического блока через микропроцессорный комплект.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что каждый адаптивный узкополосный цифровой БИХ-фильтр выполнен в виде последовательно соединенных первого арифметического блока умножения, арифметического сумматора-вычитателя и двух цифровых интеграторов, первый из которых состоит из второго блока арифметического умножения и первого арифметического сумматора с накоплением, соединенных последовательно друг с другом, а второй цифровой интегратор состоит из последовательно соединенных третьего арифметического блока умножения и второго арифметического сумматора с накоплением, причем выход второго цифрового интегратора соединен со вторым входом арифметического сумматора-вычитателя и одновременно является первым выходом БИХ-фильтра, выход первого цифрового интегратора одновременно является вторым выходом БИХ-фильтра, а второй вход первого арифметического блока умножения и объединенные вторые входы второго и третьего арифметических блоков умножения присоединены к соответствующим управляющим выходам микропроцессорного комплекта.