DE2017355B2

DE2017355B2 - Frequenzerkennungseinrichtung

Info

Publication number: DE2017355B2
Application number: DE2017355A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. 6079 Buchschlag Schott
Original assignee: Telefonbau und Normalzeit GmbH
Current assignee: Tenovis GmbH and Co KG
Priority date: 1970-04-11
Filing date: 1970-04-11
Publication date: 1978-09-14
Also published as: DE2017355A1; DE2017355C3

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 50° in der Phase unterscheiden. Die Ausgänge der beiden Multiplikationseinrichtungen sind sodann jeweils über die Reihenschaltung eines Summierers mit Speichereigenschaft und 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 Phasenwinkelabweiehungen 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 impulsweisen Abtastung zeitlich kontinuierlicher Signale beruhendes frequenzselektives System ergeben, das die Nachteile klassischer Selektionsschaltungen vermeidet und den Erfordernissen des Tastwahlzeichen-Erkenners, wie hohe Auswertungsgeschwindigkeit, Unabhängigkeit 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 Ertindung naher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Prinzipplan einer zentralen Frequenzerkennungseinrichtung in der Anwendung als Tonwahlempfänger in einer Fernsprechvermittlungsanlage,

Fig. 2 das Abtastdiagramm einer zu erkennenden Frequenz mit der Schwingungsdauer To; es werden

zwei zeitlich gegeneinander verschobene Reihen

von je fünf Abtastproben entnommen,

Fig. 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 / zur abtastenden erwarteten Frequenz fo abhängt.

In Fig. 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 Sschließt eine nicht dargestellte Einrichtung einige Millisekunden nach der kurzzeitigen 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 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 Tongenerator 17 mit der Frequenz fo, die wiederum mit der über den Tiefpaß TPkommenden Tastwahlfrequenz f übereinstimmen soll. Bei richtiger Erkennung der Übereinstimmung soll der Schwellwertschalter 16 eine »JA«-Entscheidung, beispielsweise in Form eines »L«-Signals, an die nachfolgende Auswertelogik liefern.

Die Frequenzerkennung verläuft wie folgt:

Die zu erkennende Frequenz /'liegt in Fi g. I parallel an den Eingängen der Abtaster 1—4, die ihr

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 Schalter 1 z. B. zu den Zeitpunkten η - To, d. h., bei N Abtastproben pro Reihe zu den Zeitpunkten /7=1, π = 2 bis η = N.

Die erste Probenreihe von N Spannungsproben der zeitlichen Länge τ entnimmt der Abtaster 1 in Form der in F i g. 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 to. Den Takt liefert der örtliche Tonfrequenzgenerator 17 mit der Frequenz fo, die im angenommenen Fall gleich der zu erkennenden Frequenz /sein soll. Das Signal aus dem Phasendrehgiied 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 i/01 und die der zweiten Probenreihe die Spannung U 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 /(F i g. 2), jeden Wert zwischen -N-A und +N-A annehmen können; hierbei ist Λ/die Zahl der Abtastimpulse und A die maximale Amplitude der Sinusfunktion der Frequenz Z

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

sin²x

aus. Die Sinus-Funktion L/01 wird im Quadrierer 9 zur Spannung LOl² und die Cosinus-Funktion im Quadrierer 10 zur Spannung LO2² quadriert. Beide stets positiven Quadrate im Addierer 13 addiert ergeben die Gleichspannung F, die ein Maximum bei f = 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 Avon der erwarteten Frequenz fo von wenigen Prozent (wie sie in der Praxis vorkommen) der FehlereinfluB 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 Integirierer 7 zugeführt die Spannung LJ11 ergibt; analog erzeugt der Integrierer 8 eine Spannung, die einer der mittleren Probe um ■"■■ = 90° nacheilenden Probe entstammt.

Auch diese beiden Spannungen werden nach der oben beschriebenen Quadratur-Methode zu UII² und Ui2^: quadriert und im Addierer 14 zur Spannung G addiert Diese Spannung C zeigt, wie die obige Spannung F, die gleichen (unerwünschten) Abhängigkeiten von der Amplitude A des Eingangssignals / und desser Nullphasenwinkel (F i g. 2). Da sie beide Spannungen ir gleicher Weise beeinflussen, lassen sich die Störeinwirkungen dadurch eliminieren, daß im Dividierer 15 die Spannung F durch die Spannung G geteilt wird. Die

Ausgangsspannung H = g ist in F i g. 3 dargestellt und hängt — wie sich rechnerisch nachweisen läßt — in ihrem Amplitudenverlauf nur noch von der Probenzahl TVund 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 F i g. 3 beispielsweise eingezeichneten Schwelle die Übereinstimmung der Frequenzen /und fo mit »Ja« beantwortet.

Welche Probenzahl N gewählt wird, hängt von dei benötigten Selektivität der Erkennungseinrichtung, der zu erwartenden Frequenz-Abweichungen der Tongeneratoren, ihrer Soll-Frequenz und der zulässiger Auswertezeit ab. Die Steilheit der Maxima der Spannung H in F i g. 3 entspricht der Probenzah! N = 13; bei N = 5 verlaufen die Maxima flacher, so daC die Selektivität für nahegelegene Frequenzen niehl ausreicht.

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

Um mit möglichst wenigen Frequenzerkennungsein richtungen in einer Fernsprechvermittlung auszukom men, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfin dung vor, die Erkennungseinrichtung bei der Ziffern wahl erst nach Beginn des Tastendruckes danr verzögert an das Signal der zu erkennenden Frequen; zu schalten, wenn der Tongenerator und die angeschlos senen Leitungen und Filter eingeschwungen sind. Au: gleichem Grund wird unabhängig von der Dauer de: Tastendruckes die Erkennungseinrichtung mit aller ihren Tonempfängern der Frequenzgruppe freigeschal tet, wenn einer der Schwellwertschalter durch einet entsprechenden Impuls die Frequenz erkennt. Weger der dadurch nur kurzen Belegung der Erkennungsein richtung kann sie in der Wahlpausen anderen Teilneh mern durch »fliegende« Anschaltung zugeteilt werden.

Die verwendeten Baugruppen, wie Multiplizierer Dividierer, Addierer, Quadrierer, Integratoren unt Schwellwertschalter sind in ihrer Aufgabe und Wir kungsweije bekannt und — da nicht Gegenstand dei Erfindung — hier nicht näher erläutert.

I Mlii

Claims

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 an die zu erkennende Frequenz bei Frequenzgleichheit beider Frequenzen unabhängige — Aussage über die etwaige Übereinstimmung der beiden Frequenzen liefert, dadurch gekennzeichnet, daß 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 Abtastprobe entnimmt, die der dritten um 90° nacheilt und daß die sich aus der dritten und vierten Abtastprobe ergebenden Impulse zu zwei Spannungen (UH, £/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 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 Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl N der Abtastproben der ersten und zweiten Impulsreihe ungerade ist, daß sie so groß ist, daß hinreichende Selektivität gegenüber den nichl: 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)atr zu erkennenden Frequenz (f) ist.

4. Frequenizerkennungseinrichtung nach Anspruch 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 geschaliet 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 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 Frequenzer-") kennungseinrichtungen werden beispielsweise beim Übergang von der Fernsprech-Nummernschalterwahl zur Tastenwahl dann benötigt, wenn die übertragenen Wahlzeichen als kodierte Tonfrequenzimpulse gesendet werden.

in 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

_r-\\ Jwird 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.

_'(i 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 Erkennt-

r> nis, daß es sich um Frequenzen in den Toleranzbereichen der ersten Frequenz der unteren und der dritten Frequenz der oberen Frequenzgruppe handelt.

Bekannte Tonwahlempfänger verwenden für jede der acht Frequenzen einen Selbstinduktionen und Kapazitä-

iii ten 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

f> 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-Fach-

<(i tagung »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 Empfangs-

Ii frequenz 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 überein-

-iii stimmt. 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 Abtast-

v, impulsen 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 Vorhanden-

)(i sein einer oder mehrerer bestimmter Frequenzen überprüft und an seinem \usgang 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

ν-, 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