Приемник двухтонального многочастотного сигнала Советский патент 1992 года по МПК H04Q3/04 

Изобретение относится к средствам телефонной связи, а именно к средствам обеспечения вызова абонента через автоматическую телефонную станцию.

Широкое распространение получают телефонные аппараты с двухтональным многочзстотным номеронабирателем таста- турного типа. Известен приемник двухтонального многочастотного набора (двухтональный мноючастотныи декодер сигналов тастатурного набора), содержащий полосные разделяющие фильтры групп высоких и низких частот, детркторм нулевого уровня (по числу используемых частот), соединенные с выходами фильтров, выходные регистры для декодированных сигналов в цифровой форме.

Известен приемник тонального вызова, являющийся по существу анализатором спектра, содержит гребенку из 8 узкополосных фильтров и 8 амплитудных детекторов. Наличие сигнала данной частоты оценивается по величине выпрямленного сигнала на выходе детектора. К фильтрам предъявляются достаточно жесткие требования в части стабильности центральной частоты и добротности.

В связи с незначительным частотным различием рабочих частот фильтры должны сохранять величину центральной частоты с точностью 1-2%, причем эта точность должна сохраняться в температурном диапазоне.

Недостаток аналога состоит в большом числе полосовых активных фильтров и соответственно в большом количестве операционных усилителей (40 шт), которые занимают 80% чипа БИС при твердотельном исполнении и являются главными потребителями энергопитания.

Известен анализатор зуммерных сигналов, содержащий частотный дискриминатор, счетчики импульсов, счетчик длительности паузы, дешифраторы, блоки памяти, анализатор специфического сигнала (Готово) и формирователь сброса. В анализаторе производится обработка аналоговых сигналов преимущественно цифровыми методами.

Недостаток прототипа состоит в малом числе существенно разных (двукратно) частот, разрешаемых анализатором, тогда как в сигнале тастатурною набора используют 7-8 частот, отличающихся друг от друга примерно на 10% (отличие двух соседних частот).

Целью изобретения является увеличение количества принимаемых сигналов, что достигается путем улучшения избирательности приемника.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее полосно-разделя- ющие фильтры групп высоких и низких частот тастатурного набора, амплитудные

детекторы по числу групп частот, выходные регистры по числу частот в группе, для каждой группы частот введены анализатор наличия сигнала, формирователи сигнала окончания входной посылки, анализаторов

0 длительности, ранжированных по числу регистрируемых строб-импульсов в пачке длительностью п периодов анализируемой частоты, триггеры по числу анализируемых частот, причем входы анализаторов наличия

5 и первые входы формирователеи сигналов окончания входной посылки соединены с выходами амплитудных детекторов в каждой группе, выходы анализаторов наличия в каждой группе соединены со вторыми вхо0 дами формирователей окончания входной посылки и синхронизирующими входами триггеров и регистров, входы анализаторов длительности подключены к выходу формирователя окончания входной посыл5 ки и ко входу стробирующей частоты, при этом выход анализатора наличия сигнала самой высокой частоты в группе соединен с установочным входом триггера, выход следующего анализатора соединен со сбросс0 вым входом этого триггера и установочным входом следующего триггера, и т.д. в порядке ранжирования анализаторов, выход анализатора наличия частоты более низкой, чем положено в группе, соединены со сбрасы5 вающим входом последнего в группе триггера, выходы триггеров соединены с информационными входами регистров, выходы последних служат выходами кода цифры набираемого номера.

0 В предпагаемом устройстве использован цифровой анализатор длительности периода тональной частоты, что позволило исключить гребенку полосовых фильтров, характеризующих аналог

5 Данное устройство отличается тем, что введены второй анализатор наличия сигнала, первый и второй формирователи сигнала окончания входной посылки, M+N анализаторов длительности п периодов выделен0 ной частоты, M+N-2 триггеров и M+N-2 регистров, где М-1, N-1 - числа частот, используемых в тастатурном наборе, в группах верхних и нижних частот соответственно.

5 На фиг. 1 представлена схема данного устройства, которая содержит следующие элементы:

1 - вход двухчастотного СТН, 2 - полос- но-разделяющие фильтры, 3 - первый и второй амплитудные детекторы; 4 - первый и

второй анализаторы наличия сигнала; 5 - формирователь сигнала окончания входной посылки; 6 - анализаторы длительности п периодов частоты, ранжированные по числу регистрируемых строб-импульсов; 7 - триг- геры; 8 - входные регистры; 9 и 10 - входы технологических частот, вспомогательной и стробирующейсоответственно; 11 -выходы кода цифры набранного номера.

На фиг. 2 приведен вариант реализации узлов 4 и 5, не требующий технологической частоты 9, где обозначено: 12 и 13 - транзисторы; 14 - инвертор; 15 - счетчик, например, типа 564ИЕ10; 16 - дешифратор, например, типа 564ИД1; 17-элемент ИЛИ; 18 - триггер, например, типа 564ТМ2; 19 - элемент И.

На фиг. 3 приведена временная диаграмма процессов в отдельных точках схемы на фиг. 2 (точки а-1),

Момент, с которого начинается отсчет п периодов, целесообразно перенести в глубь пачки импульсов, поступающих с узла 3, чтобы избежать влияния краевых искажений, (см. процесс в точке а)- Эта задача может быть решена как с помощью задержек на R-C ячейках (фиг. 2), так и с помощью счетчиков, использующих технологические частоты (фиг. 4).

На фиг. 2 транзистор 12 при наличии импульсов с узла 3 быстро, в течение доли первого импульса пачки, поступающей с узла 3, разряжает конденсатор С1, а Р1 выбирают таким, чтобы напряжение заряда С1 в паузе между импульсами пачки не достигло порога отпирания транзистора 13, (см. диаграмму для точки в, фиг. 3).

Тогда в паузе между пачками транзистор 13 будет открыт и закроется при появлении сигнала с узла 3. Интервал времени, в котором напряжение на С2 нарастает до определенного уровня, при котором вклю- чают счетчик п периодов, задается постоянной времени R2-C2 и порогом отсечки инвертора 14.

Переход напряжения в точке d на фиг. 2 в О задержан относительно начала пачки на время гв (задержка включения); в этот момент включают отсчет п периодов анализируемой частоты, поступающей с уз- лаЗ.

Счетчик указанного типа срабатывает на переходе высокого потенциала в низкий (из 1 в О), а запись в триггер 18 происходит на переднем фронте (при переходе со- стояния С - входа из О в 1). На фиг. 3 интервалы Тс и Тп соответствуют возбужденному (при наличии СТН) и покойному (в паузе) состоянию входной цепи 1 соответственно. Длительность Тс - 50 мс, Тп может

быть произвольной, но не менее 50 мс (в автоматическом режиме набора номера абонента).

При переходе состояния точки d в О триггер 18 через элемент 17 разблокируется по Р - входу, и первый же за моментом t2 переход из 1 в 0 в пачке импульсов а вызовет переход первой ступени счетчика 15 из 0 в 1 (точке е). Этот переход на С-входе триггера 18 вызовет ввод в триггер 18 единицы, открывающей узел стробирования 19 на время ta (время анализа). Открывающий потенциал в точке д будет существовать до момента ta, когда счетчик 15 отсчитывает п периодов, а дешифратор 16 выделит это число и заблокирует счетчик по Т-входу, (см. диаграмму для точки Г). Одновременно через узел 17 будет сброшен триггер 18 и запрет стробирующий узел 19

Результат счетчика импульсов в точке h должен быть перенесен в выходной регистр в интервале t6-t3 тсч (интервал считывания). Эту операцию целесообразно выполнять в паузе Тп; с этой целью используется изменение состояния точки d или Г в момент ts. Интервал TO (задержка отключения) позволяет выйти за пределы переходных процессов при выключении СТН в момент переноса цифры в выходные регистры.

В паузе восстанавливается исходное состояние схемы, с которого началось рассмотрение ее работы.

Заметим, что использование точки f (выход 5.1 узла 5) позволяет получить более высокую устойчивость к помехам в паузе СТН: если помеха достаточна для включения счетчика 15, но коротка во времени для отсчета п периодов, то на выходе 5.1 импульс переноса информации в регистр 8 не сформируется (в момент ts в точке Г перепад напряжения не произойдет).

На фиг. 4 приведен вариант построения узлов 4 и 5 с участием вспомогательной частоты 9; на схеме обозначено: 20 и 21 - счетчики, аналогичные счетчику 15; остальные элементы обозначены как на фиг. 2. Узел стробирования 19 эквивалентен конъюнкции на фиг. 2 при инверсии входных переменных.

Технологическая частота 9 должна быть такой, чтобы при приемлемых коэффициентах деления в счетчиках 20 и 21 интервалы задержки включения счетчика 15 rB t2-ti и отключения самоблокирования счетчика 20 (фиг. 3), можно было задать с приемлемой точностью. Этим условиям удовлетворяют частоты в диапазоне 300-600 Гц. На фиг. 5 приведена временная диаграмма

процессов в основных точках схемы на фиг. 4.

Формат листов под диаграммы не позволяет сохранить пропорции реальных временных процессов в схемах ПТН. Поэтому на фиг. 5 задержка включения счетчика п периодов сокращена до 3 периодов частоты 9, а п выбрано равным 8 (дешифратор 16 настроен на число 9, что соответствует поступлению 9 счетных фронтов сигнала с выхода узла 3 (точки а). Точки 21.1 и 21.2 - это выходы первого и второго каскадов деления частоты 9; точка с условно соответствует коэффициенту деления на 3 входной частоты 9.

Счетчик 15 разблокируется по R-входу в момент 2 и отсчитывает первый рабочий фронт (переход из 1 в 0) в сигнале а, следующий непосредственно за моментом tz. Как видно из диаграммы для точки е, для отсчета 8 интервалов анализируемого процесса а необходимо отсчитать 9 фронтов этого процесса.

Для триггера 18 действующим по С-вхо- ду фронтом является переход из 0 в 1; триггер, обнуленный до момента t2, переходит в состояние 1 под действием первого же импульса на выходе первого каскада деления счетчика 15 (см. диаграмму для точек е и д). Сигналом д открывается стробиру- ющий узел 19, импульсы стробирующей частоты поступают па счетчики узла 6, Частота стробирования должна быть достаточно высокой для обеспечения требуемой точности оценки периода частоты, выделенной из СТН. Этому требованию удовлетворяют частоты в диапазоне 76,8-153,6 кГц.

В момент гз истекает время отсчета п периодов (8 в данном случае); в интервале от гз до ц следующей пачки сигналов а необходимо результат анализа длительности периодов, закрепленный в триггерах 7 перенести в регистры 8. С этой целью используется момент последовательного разблокирования по R-входам счетчиков 20 и 21 - момент т.5 на фиг. 5. Интервал целесообразен для защиты от влияния переходных процессов при выключении СТН. Можно заметить, что в момент ts происходит также знакопеременз в точке f. Очевидно, эта точка (цепь 5.1) может быть использована с той же целью, как и цепь d, что упоминалось при обсуждении схемы на фиг. 2. Следовательно, связь синхронизирующих входов узлов 7 и 8 с выходом узла 4 факультативна: эквивалентный сигнал может быть получен и от узла 5.

На фиг. 6 приведен вариант решения узлов 6, 7 и 8 для верхней группы частот (1208, 1330,1477 Гц) на базе ИС серии 564.

Заметим, что на Фиг. 1 узлы 6 отражая ранжчрованность анализаторов, показаны рзсделино; такое решение возможно на программируемых счетчиках 564ИЕ15, но

оно не оптимально по затратам на реализацию. С этой точки зрения более перспективно использование единого счетчика для всех ранжированных дешифраторов: т.е. дешифраторов, настроенных на числа

строб-импульсов, пропорциональных длительности пачек п периодов, рассчитанных для частот тастатурного набора в группе. Совокупность узлов 6 может быть изображена как единый узел, имеющий ранжирозанные, по упомянутому признаку, выходы. На фиг. 6 приведен вариант такого решения узлов 6. На фиг. 6 обозначено: 23 - счетчики строб-импульсов, включенные последовательно, до набора числа разрядов, удовлетворяющих требуемой точности счета; например 564ИЕ10; 24 - двоично-десятичные дешифраторы, например 5641/1Д1. Узлы 7 и 8 реализуются на ИС 564ТМ2. К - число разрядов дешифруемого результата; стробирующий вход К+1 узла 24 используется для исключения влияния на триггеры 7 соревновательных процессов в счетчиках 23 и дешифраторе 24.

Если частота 10 достаточно высока для

оценки одного периода анализируемого процесса с удовлетворительной точностью (не хуже 1 %), то для упрощения дешифратора, со счетчика 23 достаточно использовать только старшие разряды, начиная с r-го, если на г - выходе частота достаточна для приемлемой точности oi (елки п периодов ана(logg)-l

лизируемой частоты, Для .

Старший разряд д счетчика 23,хиспользуемый дешифратором 24, определяет ся числом строб-импульсов в пачке длительностью в п периодов низшей часто- ты в группе, взятой с учетом допуска в сто- « рону увеличения числа строб-импульсов,

пропорционального допуску на уменьшение частоты. На фиг. 7 раскрыт узел 24 для нижней группы частот(697,770, 852,941 Гц); на схеме обозначено: 25 двоично-десятичные дешифраторы типа 564ИД1: 26 - элементы И.

Дешифратор верхней частоты в группе настроен на частоту 94И5% Гц, низшей частоты - на частоту 697-5% Гц, остальные дешифраторы настроены на частоты, средние по отношению к двум соседним.

Вариант выполнения узла 24 не является минимальным для реализации в твердом теле,

Принцип действия приемника следующий.

В полосно-разделяющихся фильтрах 2 ослабление частот из другой группы довольно незначительное (для FB 1208 Гц и Гц взаимное ослабление 11-15 дБ при допустимом перекосе уровней в 12 дБ; индексы в и н обозначают принадлежность к верхней и нижней группам частот соответственно).

Улучшение этой характеристики требует либо увеличения числа звеньев в фильтрах, либо использования режимов операционных усилителей с коэффициентом усиления более 1, что ухудшает воспроизводимость и стабильность фильтров. Ослабление частоты из другого канала в трактах FB и FH возрастает с увеличением их разности, поэтому уменьшается влияние модулирующего фактора на длительность периода предельно-ограниченного сигнала.

Как показали эксперименты, взаимная модуляция периодов пар частот из FB и FH может достигать такой величины, что отождествить наблюдаемый период с действительной частотой невозможно. Вместе с тем, если период оценивать путем усреднения п периодов измеряемой частоты, а п брать в интервале биений (между узлами биений), то вычисленный таким путем период будет в точности совпадать с периодом исходной частоты СТН.

По этим соображениям п следует выбирать больше длительности периода биений в наихудшем сочетании частот, т.е. при одновременном присутствии FBMHH и в СТН; отсюда можно рекомендовать, чтобы п было больше отношения РвМин к разности F мин Р макс.

Эксперименты показали, что если п будет фиксированной и достаточно большой величиной (8-16 периодов), то результаты измерения усредненного периода мало отличаются от полученных при оптимальном условии, когда п равно числу периодов между узлами биений; при теряется 0,5-1,0 дБ устойчивости к перекосам уровней FB и FH в суммарном сигнале тастатурного набора.

Итак, в течение интервала в п периодов анализируемой частоты с выхода стробиру- ющего узла 19 на вход анализаторов 6 поступает пачка импульсов тем более длинная (во времени), чем меньше частота составляющей СТН.

Процедура анализа состоит в подсчете числа строб-импульсов в пачке длительностью п периодов.

Так как различие частот в группах невелико (примерно ± 5%) в сравнении с допуском на частоты ( ±3%), то анализаторы периодов ц-елесообразно выполнять без зазоров, т.е. любую частоту от РВмин-0,05РвМакс ДО РВмакс+0,05Рвм жс и от РНмин-0,05РНмин ДО ЕНмакс-Ю,05РНмакс ИДСНтифицировать с частотами СТН соответствующих групп. Это позволяет упростить построение анализаторов периода, как показано на фиг. 1: анализаторы на частоты

0 Рмакс+0,05РМэкс в каждой группе выделяют соответствующее им число строб-импульсов (т.е. настроены на соответствующую комбинацию на выходах счетчиков) и включают по S-входу первые (верхние в группах F8 и FH

5 триггеры 7. Если число строб-импульсов равно или больше числа, соответствующего средней величине п периодов частоты, лежащей, в середине интервала между FI и ближайшей к ней более низкой частотой из

0 той же группы, то соответствующий анализатор результата счета сбрасывает по R-вхо- ду предыдущий триггер 7 и взводит по S-входу последующий триггер, и т.д.

Последние анализаторы в каждой

5 группе настроены на число строб-импульсов, соответствующие периодам частот ,05Рмин.

При достижении или превышении этих значений нижние триггеры 7 в каждой груп0 пе сбрасываются по R-входам. и в результате к моменту переноса содержимого триггеров в выходные регистры 8 сигнала анализатора 4 или формирователя 5 ни в одном из них не будет зафиксировано нали5 чие частоты, принадлежащей FB и FH. Если же составляющие СТН имеют длительность п периодов, лежащую в интервале, соответствующем РвМакс+0,05РВмакс И Рнмин-0,05РНмин, то на выходах регистров 8 будет зафиксиро0 вана пара сигналов, соответствующая паре частот составляющих СТН, т.е. код цифры набранного номера. Вариант решения этой части схемы приемника приведен на фиг. 6, 7.

5 На фиг. 8 приведена схема узла 3 как пример реализации. На схеме Д1, Д2 - операционные усилители типа 140УД6, ДЗ - транзистор типа 198НТ1, Д4 - ИС серии 564. Д1 и соединенные с ним резисторы и

0 конденсаторы образуют последний каскад (ячейку) фильтра 2 группы нижних частот. Операционный усилитель Д2 по входу 3 смещен на мВ, поэтому на его выходе 6 сигнал появляется только тогда, когда на

5 входе 2 отрицательное напряжение превысит 21 мВ.

Элемент ДЗ выполняет функцию согласования с ИС серии 564 (с элементом Д4), диод VI защищает вход ДЗ от отрицательного напряжения.

Приведенные схемы выполнены как бы без учета соревновательных процессов в реализующих элементах. В действительности опущены некоторые цепи, устраняющие действие соревновательных процессов, как несущественные для описания изобретения.

Такая схема приемника тастатурного набора дает возможность уменьшить примерно в 4 раза общее число фильтров и соответственно число операционных усилителей и потребляемую мощность (исходя из пропорций затрат в прототипе), а это позволяет примерно в 2,5 раза уменьшить площадь кристалла БИС, реализующую приемник. Эти расчеты сделаны в предположении, что дискретная часть прототипа, занимающая 20% площади чипа сравнима по сложности с дискретной частью предлагаемого устройства, а мощность, потребля- емая ею, намного меньше мощности, потребляемой аналоговыми элементами - операционными усилителями.

Формулаизобретения

Приемник двухтонального многочастотного сигнала, содержащий последовательно соединенные первый полосовой фильтр и первый амплитудный детектор, второй полосовой фильтр и второй амплитудный де- тектор, а также первый анализатор наличия сигнала, отличающийся тем, что, с целью увеличения количества принимаемых сигналов, введены первый и второй формирователи сигнала окончания входной по- сылки, первый вход каждого из которых соединен с выходом соответственно первого и второго амплитудных детекторов, второй анализатор наличия сигнала, первый вход которого соединен с первым входом

первого анализатора наличия сигнала, а вторые входы первого и второго анализаторов наличия сигнала соединены с выходами соответственно первого и второго амплитудных детекторов, выходы первого и второго формирователей сигнала окончания входной посылки соединены с первыми входами соответственно N первых и М вторых анализаторов длительности, где N и М - количество частот соответственно первой и второй тональных групп, вторые входы которых объединены, N-1 первых триггеров, М- 1 вторых триггеров, N-1 первых регистров, М-1 вторых регистров, причем первый вход каждого регистра соединен с выходом соответствующего триггера, второй вход каждо го из N-1 первых регистров и М-l вторых регистров соединен с выходами соответственно первого и второго анализаторов наличия сигнала и тактовыми входами соответственно первых и вторых триггеров, выход j-ro из числа N первых анализаторов длительности и выход J-ro из числа М вторых анализаторов длительности, где , N-1, , М-1, соединен с сбросовым входом соответствующего триггера и установочным входом соответственно ()ro и (Ы)-го триггера, а выход первого из числа первых и вторых анализаторов длительности соединен со сбросовым входом первого из числа соответственно первых и вторых три геров, выход N-ro из числа первых и М-го из числа вторых анализаторов длительности соединен с установочным входом соответственно (N-1)-ro из числа первых и (М-1)-го из числа вторых триггеров, а вторые входы первого и второго формирователей сигнала окончания входной посылки соединены с выходами соответственно первого и второго анализаторов наличия сигнала.

Устройство относится к технике избирательной связи. Цель - увеличение количества принимаемых сигналов. Устройство содержит выход 1 канала связи, первый и второй полосовые фильтры 2, первый и второй амплитудные детекторы 3, первый и второй анализаторы 4 наличия сигнала, первый и второй формирователи 5 сигнала окончания входной посылки, N первых и М вторых анализаторов 6 длительности, N-1 первых и М-1 вторых триггеров 7, N-1 первых и М-1 вторых регистров 8, вход вспомогательной частоты, входстробирующей частоты. Выявление факта приема сигнала соответствующей частоты осуществляется с помощью подсчета анализаторами 6 числа периодов анализируемого сигнала за определенное время. В каждый момент времени из канала принимается только один сигнал в первой ч второй частотной группе. Блоки 5 выдают на анализаторы 6 сигналы начала и окончзмуч заданного периода времени. Сигнал на эы- ходе одного из триггеров будет означать, что принят входной сигнал соответствующей частоты. 8 ил. п (Л С ч ел 00 ю о ю

UUlVJlJir

T

ъ

Фнг. З

EV.llUlV -.-.

ля

п

2U 21.2 С с(

С

f

310

h

Фиг. 5

г

ь

ST

67

зг

««7

(287

р гзб-г ю

Фиг. 7

+ U/I2