DE2017355C3 - Frequenzerkennungseinrichtung - Google Patents

Description

Multiplikationseinrichtung angeschaltet, wobei die Abtasteinrichtung des einen Kanals und die Multiplikationseinrichtung des anderen Kanals in der Weise mit einer gemeinsamen Wechselspannungsquelle verbunden sind, daß sich die daraus den beiden Kanälen zugeführten Wechselspannungen um 90° in der Phase unterscheiden. Die Ausgänge der beiden Multiplikationseinrichtungen sind sodann jeweils Ober die Reihenschaltung eines Summierers mit Speichereigenschaft unci eines nachgeschalteten Quadrierers mit einem gemeinsamen Addierer verbunden, an dem das Ausgangssignal abnehmbar ist Dem Summierer ist eine vorzugsweise periodisch arbeitende Löscheinrichtung zugeordnet, die den Summierer zu vorgegebenen Zeiten in eine Null- bzw. Ausgangsstellung zurückführt Bei diesen Signalempfänger, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, sind keinerlei Filter vorgesehen, so daß auch keine Einschwing- und Ausschwingvorgänge auftreten. Allerdings gehen auch bei diesem Empfänger die Amplituden- und Phasenwinkelabweichungen der Empfangsfrequenz in das Ergebnis ein.

Es ist außerdem eine elektrische Meßschaltung bekannt, die eine Wechselspannungsquelle mit einer ersten Frequenz und eine Wechselspannungsquelle mit einer zweiten Frequenz, die mit der ersten Frequenz verglichen wird, aufweist (US-PS 29 33 682). In dieser Meßschaltung sind erste und zweite Modulatoren sowie Schaltmittel zum unmittelbaren Verbinden des Ausgangs der zweiten Wechselspannungsquelle mit den ersten und zweiten Modulatoren vorgesehen. Außerdem weist die Meßschaltung noch einen Phasendreher und Schaltmittel zum Zusammenschalten eines Teils des Ausgangs der ersten Wechselspannungsquelle über den Phasendreher mit dem zweiten Modulator auf. Ein anderer Teil des Ausgangs der ersten Wechselspannungsquelle wird unmittelbar mit dem ersten Modulator verbunden. Den beiden erwähnten Modulatoren ist jeweils ein Tiefpaßfilter nachgeschaltet, welches das ausgewählte Signal von den Modulatoren durchläßt. Die Tiefpaßfilter sind jeweils mit einer Triggerschaltung verbunden, welche die ausgewählten Signale in zwei gegenphasige Rechteckwellen entsprechender Frequenz umwandeln, wobei erste und zweite Differenziergeräte mit der ersten Triggerschaltung und dritte und vierte Differenziergeräte mit der zweiten Triggerschaltung verbunden sind, um die Rechteckwellen in Impulse umzuformen. Weiterhin sind mehrere Koinzidenzgatter vorgesehen, die mit einer bestimmten Triggerschaltung und einem bestimmten Differenziergerät verbunden sind, wobei jedes Koinzidenzgatter auf eine Rechteckwelle einer bestimmten Triggerschaltung in Verbindung mit einem Impuls von einem bestimmten Differenziergerät anspricht Der Nachteil dieser bekannten Meßschaltung besteht darin, daß sie Tiefpaßfilter benötigt.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese Abhängigkeiten zu beseitigen und eine Frequenzerkennungseinrichtung zu schaffen, die nach Ablauf weniger Perioden der zu erkennenden Frequenz anzeigt, ob sie mit der örtlich erzeugten erwarteten Frequenz übereinstimmt oder nicht Die kurze Ansprechzeit soll es ermöglichen, die Frequenzerkennungseinrichtung an die Sammelschiene einer Zeitmultiplex-Fernsprechvermittlungseinrichtung auch »fliegend« anzuschließen, oder über mehrere Leitungen gleichzeitig ankommende Frequenzen in schnellem Zyklus nacheinander von einer zentralen Frequenzerkennungseinrichtung abzufragen. Hierbei kann für jede erwartete Frequenz eine spezielle Erkennungseinrichtung vorgesehen werden, oder eine Einrichtung wird nacheinander von den örtlich erzeugten erwarteten Frequenzen gesteuert Die Frequenzerkennungseinrichtung benötigt keine Schwingungskreise und hat den Vorteil, ganz in Halbleitertechnik, insbesondere integrierten Schaltungen und damit in Miniaturbauweise ausführbar zu sein.

Zusammengefaßt geht die Erfindung von den Eigenschaften der Kreuzkorrelationsfunktion zweier periodischer Funktionen aus, die ein auf der impulswei- ο sen Abtastung zeitlich kontinuierlicher Signale beruhen des frequenzselektives System ergeben, das die Nachteile klassischer Selektionsschaltungen vermeidet und den Erfordernissen des Tastwahlzeichen-Erkenners, wie hohe Auswertungsgeschwindigkeit, Unabhän- gigkeit des Auswertungsergebnisses von Fremdeinflüssen und die Möglichkeit des zentralisierten Einsatzes in Fernsprechvermittlungsanlagen gerecht wird. Der Anwendungsbereich dieses frequenzselektiven Systems ist jedoch nicht auf die Vermittlungstechnik beschränkt

Das Wesen der Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet Es liegt demnach in der Unabhängigkeit des Ausgangsergebnisses von den verschiedenen Einflüssen des Anschaltzeitpunktes, von der unterschiedlichen Amplitude des Eingangssignals und vom

Klirrfaktor und in der Anwendung elektronischer Baugruppen, wie Addierer, Multiplizierer, Dividierer, Integratoren usw., zwecks Durchführung bestimmter

mathematischer Operationen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher

jo erläutert Es zeigt

F i g. 1 den Prinzipplan einer zentralen Frequenzerkennungseinrichtung in der Anwendung ais Tonwahlempfänger in einer Fernsprechvermittlungsanlage, Fig.2 das Abtastdiagramm einer zu erkennenden

i> Frequenz mit der Schwingungsdauer To; es werden zwei ^~- zeitlich gegeneinander verschobene Reihen

von je fünf Abtastproben entnommen, F i g. 3 das Diagramm der Spannung H am Ausgang des Dividierers 15, die im wesentlichen von der Zahl N der Abtastproben und dem Verhältnis der zu erkennenden ankommenden Frequenz f zur abtastenden erwarteten Frequenz fo abhängt In F i g. 1 ist T der Teilnehmer, dessen acht

; -, Tastwahl-Sendefrequenzen — bei jedem Tastendruck je eine im unteren und eine im oberen Frequenzbereich — über den Schalter S zur Hochpaß-Tiefpaß-Weiche gelangen. Den Schalter 5 schließt eine nicht dargestellte Einrichtung einige Millisekunden nach der kurzzeitigen

-,ο Schleifenunterbrechung zu Beginn jeden Tastendruckes, so daß erst nach Einschwingen des Tastwahl-Tongenerators und der angeschlossenen Leitung die Tonfrequenzen an der Weiche anliegen. Die Einschwingzeit der Weiche selbst ist wegen der großen Bandbreite der

v, Pässe zu vernachlässigen; sie beträgt nur etwa 1 ms.

An den Ausgängen der Pässe liegen entsprechend den je vier möglichen Frequenzen je vier Frequenzerkennungseinrichtungen, von denen eine am Tiefpaß TP liegende näher dargestellt ist. Sie enthält einen örtlichen

bo Tongenerator 17 mit der Frequenz fo, die wiederum mit der über den Tiefpaß 7iPkommenden Tastwahlfrequenz f übereinstimmen soll. Bei richtiger Erkennung der Übereinstimmung soll der Schwellwertschalter 16 eine »JA«-Entscheidung, beispielsweise in Form eines

bs »L«-Signals, an die nachfolgende Auswertelogik liefern. Die Frequenzerkennung verläuft wie folgt: Die zu erkennende Frequenz /"liegt in F i g. 1 parallel an den Ein^<rän^arcn der Afetsstcr ■ 4 ^;° *κ·*

verschiedene Reihen von Abtastproben entnehmen. Die Abtaster sind als Schalter dargestellt, die impulsartig von dem Tongenerator 17 bzw. dem Phasendrehglied 18 geschlossen werden, was die Pfeile an den Symbolkästchen andeuten. Wann die Schalter geschlossen werden, geht aus den Formeln neben den Pfeilen hervor; der Schaltei ί ζ. B. zu den Zeitpunkten π ■ To, d. h., bei /V Abtastproben pro Reihe zu den Zeitpunkten η = 1, η = 2 bis π = N.

Die erste Probenreihe von N Spannungsproben der zeitlichen Länge τ entnimmt der Abtaster 1 in Form der in Fig.2 schwarz dargestellten Flächen; in diesem Beispiel ist N = 5, d. h. der Abtaster 1 schließt je einmal in den ersten 5 Schwingungsdauern To der Frequenz fo. Den Takt liefert der örtliche Tonfrequenzgenerator !7 mit der Frequenz fo, die im angenommenen Fall gleich der zu erkennenden Frequenz /sein soll. Das Signal aus dem Phasendrehglied 18 steuert in analoger Weise den Abtaster 2 derart, daß an seinem Ausgang fünf um 90° nacheilende, in F i g. 2 schraffiert gezeichnete, Abtastproben entstehen. Den Integratoren 5 und 6 zugeführt, ergeben die Proben der ersten Probenreihe nach dem 5. Impuls die Spannung t/01 und die der zweiten Probenreihe die Spannung i/02. Diese Spannungen eignen sich noch nicht zur Auswertung durch einen Schwellwertschalter, da sie je nach Null-Phasenwinkel φ, d.h. je nach Phasenlage der Abtastimpulse zur Sinus-Funktion /(Fi g. 2), jeden Wert zwischen -NA und + N-A annehmen können; hierbei ist Ndie Zahl der Abtastimpulse und A die maximale Amplitude der Sinusfunktion der Frequenz f.

Der Einfluß des Null-Phasenwinkels läßt sich in einfacher Weise mit dem bekannten Quadratur-Verfahren (Tagungsheft der NTG-Fachtagung »Analyse und Synthese von Netzwerken« Stuttgart 1966, Seite 233 - 235) eliminieren; es nutzt die Beziehung

sin²*· + cos²* = 1

aus. Die Sinus-Funktion i/01 wird im Quadrierer 9 zur Spannung t/01² und die Cosinus-Funktion im Quadrierer 10 zur Spannung t/02² quadriert Beide stets positiven Quadrate im Addierer 13 addiert ergeben die Gleichspannung F, die ein Maximum bei / = fo erreicht und bei dieser Bedingung auch unbeeinflußt vom Null-Phasenwinkel φ ist

Es läßt sich aber zeigen, daß bei Abweichungen der zu erkennenden Frequenz /von der erwarteten Frequenz fo von wenigen Prozent (wie sie in der Praxis vorkommen) der Fehlereinfluß des Null-Phasenwinkels φ auf die Spannung F bis 30% betragen kann. Der Fehler sinkt, wenn statt fünf Abtastungen (Fig.2) Reihen mit mehr als 5 Abtastungen vorgesehen werden. Außerdem geht in die Spannung Fauch die Amplitude A der Eingangsfrequenz / quadratisch ein. Das bisher beschriebene Korrelationssystem ist daher für die Erkennung tonfrequenter Wahlzeichen mittels eines Schwellwertschalters nur bedingt brauchbar.

Um diese beiden Fehlereinflüsse zu eliminieren, sieht die Erfindung eine dritte und vierte Probenentnahme aus dem Schwingungszug der zu erkennenden Frequenz vor. Hierzu dienen die Abtaster 3 und 4, von denen der erste im Beispiel der Fig.2 mit N= 5 Proben nur während der mittleren, also dort der dritten Probe der ersten Probenreihe einen Spannungsimpuls entnimmt, der dem Integrierer 7 zugeführt die Spannung t/11 ergibt; analog erzeugt der Integrierer 8 eine Spannung, die einer der mittleren Probe um--» 90° nacheilen

den Probe entstammt.

Auch diese beiden Spannungen werden nach der ober

j beschriebenen Quadratur-Methode zu t/11² und t/12 quadriert und im Addierer 14 zur Spannung G addiert Diese Spannung G zeigt, wie die obige Spannung F, di< gleichen (unerwünschten) Abhängigkeiten von dei Amplitude A des Eingangssignals / und dessei

ίο Nullphasenwinkel (F i g. 2). Da sie beide Spannungen ir gleicher Weise beeinflussen, lassen sich die Störeinwir kungen dadurch eliminieren, daß im Dividierer 15 di< Spannung F durch die Spannung G geteilt wird. Die

Ausgangsspannung H = ^ ist in F i g. 3 dargestellt unc

hängt — wie sich rechnerisch nachweisen läßt — in ihrem Amplitudenverlauf nur noch von der Probenzah! Nund dem Verhältnis der beiden Frequenzen /und /c ab.

Um die Nebenmaxima bei nichtganzzahligen Verhältnissen der Frequenzen von der Auswertung auszuschließen, wird die Spannung H einem Schwellwertschalter zugeführt, der nur bei Überschreitung der in Fig.3 beispielsweise eingezeichneten Schwelle die Überein-Stimmung der Frequenzen /und fo mit »Ja« beantwortet.

Welche Probenzahl N gewählt wird, hängt von der benötigten Selektivität der Erkennungseinrichtung, den zu erwartenden Frequenz-Abweichungen der Tongeneratoren, ihrer Soll-Frequenz und der zulässigen Auswertezeit ab. Die Steilheit der Maxima der Spannung H in Fig.3 entspricht der Probenzahl N= 13; bei N = 5 verlaufen die Maxima flacher, so daß die Selektivität für nahegelegene Frequenzen nicht ausreicht

Dem Wunsch nach hoher Selektivität steht andererseits die Forderung nach kurzer Auswertezeit entgegen, die etwa dem Produkt aus Probenzahl N und Schwingungsdauer To der zu erkennenden Frequenz entspricht Bei der tiefsten · Frequenz / = 697 Hz, entsprechend To= 1,435 ms und N= 13 würde die Auswertezeit etwa 18 ms betragen und bei der höchsten Frequenz /auf etwa 4 ms zurückgehen. Hohe Selektivität setzt voraus, daß die Tongeneratoren in ihren Frequenztoleranzen nicht außerhalb der Bandbreite der Empfänger fallen.

Um mit möglichst wenigen Frequenzerkennungseinrichtungen in einer Fernsprechvermittlung auszukommen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, die Erkennungseinrichtung bei der Ziffernwahl erst nach Beginn des Tastendruckes dann verzögert an das Signal der zu erkennenden Frequenz zu schalten, wenn der Tongenerator und die angeschlossenen Leitungen und Filter eingeschwungen sind. Aus gleichem Grund wird unabhängig von der Dauer des Tastendruckes die Erkennungseinrichtung mit allen ihren Tonempfängern der Frequenzgruppe freigeschaltet, wenn einer der Schwellwertschalter durch einen entsprechenden Impuls die Frequenz erkennt Wegen der dadurch nur kurzen Belegung der Erkennungseinrichtung kann sie in der Wahlpausen anderen Teilnehrnern durch »fliegende« Anschaltung zugeteilt werden.

Die verwendeten Baugruppen, wie Multiplizierer, Dividieren Addierer, Quadrierer, Integratoren und Schwellwertschalter sind in ihrer Aufgabe und Wirkungsweise bekannt und — da nicht Gegenstand der Erfindung — hier nicht näher erläutert

Hierzu 1 BIaIl Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Frequenzerkennungseinrichtung, die dem Schwingungszug der zu erkennenden Frequenz eine erste Reihe von Abtastproben im Takt der erwarteten Frequenz und eine zweite Reihe, diesem Takt um 90° nacheilend, entnimmt und die sich ergebenden Impulsreihen zu zwei Spannungen integriert, die quadriert und addiert, eine — vom Nullphasenwinkel der Anschaltung der Einrichtung ι ο an die zu erkennende Frequenz bei Frequenzgleichheit beider Frequenzen unabhängige — Aussage über die etwaige Obereinstimmung der beiden Frequenzen liefert, dadurch gekennzeichnet, da3 die Frequenzerkennungseinrichtung eine dritte Abtastprobe — zum Abtastzeitpunkt der mittleren der Abtastproben der ersten Reihe von Abtastproben — dem genannten Schwingungszug der zu erkennenden Frequenz entnimmt, daß die Frequenzerkennungseinrichtung eine vierte Abtast- 2η probe entnimmt, die der dritten um 90° nacheilt und daß die sich aus der dritten und vierten Abtastprobe ergebenden Impulse zu zwei Spannungen (UiI, i/12) integrieren (Integrator 7, 8), die quadriert (Quadrierer 11,12) und adiiert (Addierer 14) zu einer Spannung (G) werden, mit der die erwähnte, aus der ersten und zweiten Impulsreihe und dem Addierer (13) stammende Gleichspannung (F) in einem Dividierer (15) dividiert wird und daß die sich dadurch ergebende Gleichspannung (H) eine, auch jo von der Amplitude und dem Klirrfaktor des Signals der zu erkennenden Frequenz unabhängige Aussage über die etwaige Übereinstimmung der beiden Frequenzen liefert.

2. Frequenzerkennungseinrichtung nach An- r> spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl N der Abtastproben der ersten und zweiten Impulsreihe ungerade ist, daß sie so gro3 ist, daß hinreichende Selektivität gegenüber den nicht zu erkennenden nebenliegenden Frequenzen erreicht ist und daß sie so klein ist, daß das Produkt aus der Zahl N und der Periodendauer To der zu erkennenden Frequenz die zulässige Zeit zur Frequenzerkennung nicht überschreitet.

3. Frequenzerkennungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (τ) der Abtastproben etwa gleich der halben Periodendauer (To)der zu erkennenden Frequenz (f) ist.

4. Frequenzerkennungseinrichtung nach An- ™ spruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Tonwahlempfänger erst nach der, mit dem Ziffernwahl-Tastendruck verbundenen, kurzzeitigen Schleifenunterbrechung und um mindestens die Zeit verzögert an die zu erkennende Frequenz geschaltet « wird, die zum Einschwingen des Tongenerators und der angeschlossenen vor der Erkennungseinrichtung liegenden Leitungen und Filter notwendig ist.

5. Frequenzerkennungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als bo Tonwahlempfänger unabhängig von der Länge des Ziffernwahl-Tastendruckes bereits dann von der zu erkennenden Frequenz abgeschaltet wird, wenn die Frequenz der ihr zugeordnete Schwellwertschalter (16) erkennt. (,■>

In der Nachrichtentechnik wird vielfach die Aufgabe gestellt, bei einer empfangenen Frequenz festzustellen, ob es sich um eine bestimmte von mehreren möglichen Frequenzen handelt oder nicht Derartige Frequenzerkennungseinrichtungen werden beispielsweise beim Obergang von der Fernsprech-Nummernschalterwahl zur Tastenwahl dann benötigt, wenn die abertragenen Wahlzeichen als kodierte Tonfrequenzimpulse gesendet werden.

Ein solches Wahlsystem sieht für jede Ziffer eine andere Kombination von je einer von vier Frequenzen aus zwei Frequenzgruppen (etwa 700 bis 1000 Hz und 1200 bis 1600Hz) vor. Dieser Zweifrequenzen-Kode

2KJwird zumeist über eine Frequenzweiche mit der

Mittenfrequenz bei etwa 1100 Hz empfangen, so daß gleichzeitig an den Ausgängen des Hochpasses und des Tiefpasses der Weiche von den insgesamt acht Frequenzen je nur eine Frequenz ansteht

Hierbei ist es für den Tonwahlempfänger weniger interessant genau zu wissen, daß ζ. B. bei der Tastwahlziffer »3« im Tiefpaßbereich die Frequenz 697 Hz und im Hochpaßbereich die Frequenz 1477 Hz gesendet werden; zur Dekodierung genügt die Erkenntnis, daß es sich um Frequenzen in den Toleranzbereichen der ersten Frequenz der unteren und der dritten Frequenz der oberen Frequenzgruppe handelt

Bekannte Ton wahlempfänger verwenden für jede der acht Frequenzen einen Selbstinduktionen und Kapazitäten enthaltenden Bandpaß, an dessen Ausgang durch Gleichrichtung eine Signalspannung ansteht, wenn die Empfangsfrequenz im Durchlaßbereich des Bandpasses liegt Bei einer Durchlaßbandbreite von 50 Hz beträgt aber die Bandpaß-Einschwingzeit etwa 20 ms. Diese Zeit ist unerwünscht lang, wenn minimale Tastendruckzeiten von 40 ms noch zulässig sein sollen und Einschwingzeiten der Tonsender und der Leitung hinzukommen.

Ein anderer Vorschlag (Tagungsheft der NTG-Fachtagung »Analyse und Synthese von Netzwerken«, Stuttgart 1966, Seiten 233 bis 235) arbeitet ohne Schwingungskreise nach einem Verfahren, das zur Frequenzselektion einen Pseudo-Resonanzeffekt ausnutzt Dieser entsteht durch Abtastung der Empfangsfrequenz mit einer örtlich erzeugten Frequenz. Die durch Integration summierten Abtastproben erreichen ein um so schärferes Spannungsmaximum, je mehr Abtastproben ausgewertet werden und um so besser die Empfangsfrequenz mit der örtlichen Frequenz übereinstimmt. Bei diesem Verfahren gehen aber Amplitudenabweichungen der Empfangsfrequenz quadratisch in das Ergebnis ein und bei geringen Abweichungen der örtlichen Abtastfrequenz von der Empfangsfrequenz ist das Ergebnis vom Phasenwinkel zwischen den Abtastimpulsen und der Empfangsfrequenz abhängig.

Nach demselben Verfahren arbeitet ein frequenzselektiver Signalempfänger, an dessen Eingang ein Signalgemisch mit Signalen unterschiedlicher Frequenz anliegt, und der das Signalgemisch auf das Vorhandensein einer oder mehrerer bestimmter Frequenzen überprüft und an seinem Ausgang die diesen bestimmten Frequenzen zugeordneten Signalspannungen nach ihrem Betrag angibt (DE-AS 12 67 272). Hierbei wird der Eingang für das zu untersuchende Signalgemisch in zwei getrennte Kanäle aufgespalten und in jedem dieser Kanäle ein Abtastschalter vorgesehen, der kurzzeitig Amplitudenproben aus dem Signalgemisch entnimmt. An deren Amplitudenprobenausgänge ist jeweils eine