連續性信號的檢測方法與裝置的製作方法
2023-06-10 16:54:41
專利名稱：連續性信號的檢測方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明是有關於一種連續性信號的檢測裝置及其檢測方法，且特別是有關於在電話線路上進行連續性信號的檢測的裝置及其檢測方法。
在電訊設施的各式專用交換分機(PBX，Private Branch Exchange)設備，尤其是最近數年來與微電腦結合的電腦化專用交換分機設備，以及其他提供各式各樣電話功能的相關電訊設備之中，電話線路之中所承載的連續性信號已被廣泛利用來作為啟動此類交換設備的某些多樣化功能的條件與信號。例如，在各種電話終端設備之中，常有必須檢測連續性信號的使用狀況，諸如檢測撥號音，或在通話結束後所送出的拆線音等，均屬於連續性信號的檢測。因此，在電話線路上正確判定連續性信號出現與否的能力，即成為此類交換設備能否正確執行其功能的重要條件。
現有一般連續性信號的檢測通常是是檢測信號的特定頻率範圍，做為判定線路中是否有連續性信號出現的判定依據。現有方法是利用由分離的電阻、電容與電晶體等線路組件所構成的模擬電路，來進行檢測判斷連續信號是否存在。
一般電話線路所使用的連續信號有可能是單頻、雙頻或多頻的連續性信號，其頻率約在200至3,600Hz之間。另一方面，電話線路中所使用的連續性信號的性質，可能會隨著各國的不同電話通訊系統的設計而有所差異。這種連續性信號性質的複雜性，連同正常的對話語音信號與線路上不可避免會出現的異常噪聲，其對於使用模擬判定電路的前述現有連續性信號判定裝置與方法而言，均有造成檢測連續性信號時誤判的可能性。
一般而言，現有技術所建構的電話線路連續性信號檢測裝置，其電路所使用的分離電路元件，諸如電阻與電容，其電路特性值的精確度必須要高到一定程度，才能達到某種可接受程度的判定正確率。因此，現有技術的模擬電路對於噪聲的容限極小，極易由於電話線路中的噪聲的誤觸發現象而造成錯誤判定連續性信號出現或不存在的情形。換句話說，現有技術的電話線路連續性信號檢測方法與裝置，其容錯能力及精確性極易於受到電路元器件的特性變化的不利影響。
因此，本發明的一個目的在於提供一種電話線路上連續性信號的檢測裝置與方法，其可以利用簡單的邏輯電路裝置判斷信號的連續性。
本發明的另一目的在於提供一種電話線路上連續性信號的檢測裝置與方法，其可以利用簡單的邏輯電路裝置，如可以微處理器，準確地判斷信號的連續性。
為達到前述目的，本發明另外還提供一種電話線路上連續性信號的檢測方法，可利用一分析電路裝置而在一電氣信號線路上檢測信號的連續性存在與否。分析電路裝置包含有一信號原點跨越率計算單元與一信號增益計算單元，其中信號原點跨越率計算單元包含有一信號原點跨越次數計數器與一邏輯控制單元。該方法是以信號的預設單位幀為處理單位，就每一幀內的信號增益值與信號原點跨越次數進行邏輯操作，以判斷信號的連續性，其步驟包含判定每一幀內信號的增益值與原點跨越次數是否達到一定標準，並依據所有幀內符合標準的幀數是否也符合標準而判定信號是否具有連續性。
為了說明而非限定本發明的目的，下面將配合
本發明的較佳實施例。附圖之中圖1為一方塊圖，其顯示本發明連續性信號檢測裝置一較佳實施例的系統結構；圖2為一方塊圖，其顯示可適用於圖1中連續性信號檢測裝置的實施例的一微處理器電路；與圖3為一流程圖，其顯示可適用於圖1中連續性信號檢測裝置的實施例的邏輯控制單元的動作情形。
本發明對於電話線路上信號的連續性檢測，是採用數字處理的方式，利用信號的原點跨越率(ZCR，Zero-Crossing Rate)，並可以包括信號增益等信號特性參數，做為判定信號是否具有連續性的判斷基礎。
利用原點跨越率的概念做為頻率範圍的檢測指標時，是依據在一個設定的幀(frame)之中，對所輸入的連續性信號計算其原點跨越次數ZCR值，換句話說，即是在單位時間之內，計算所檢測信號的正負極性變換次數，並根據這一原點跨越次數ZCR值的數據來反推信號的頻率範圍。在實際施行時，電話線路上被檢測的模擬信號，先經模擬至數字轉換器轉換成為數字式信號，再以邏輯線路判斷計算信號的正負極性轉換次數。
一般在電話線路上出現的信號的頻率範圍約在200至3,600Hz之間，亦即，其周期約為5至0.3ms之間。因此，利用設定幀做為判定計算信號的原點跨越率的演算法則，便必須要考慮到幀的長度是否適當的因素。就周期在5至0.3ms範圍的信號而言，幀的設定長度必須要足夠大於最低頻率的5ms周期信號，才能在一個單位的幀內容納足夠多周期的信號，亦因此才能達到足夠的檢測準確性。但另一方面，所設定的幀長度又不能太長，否則檢測計算的解析度就會變差。在本發明下面所將說明的實施例之中，是將幀的長度設定為20ms。這表示就最低頻率的信號而言，將會至少有四個周期的信號可供進行檢測分析。若將取樣率設定為8kHz，則表示每一單位幀之內包含了至少160點的取樣點。
除了前述原點跨越率之外，本發明檢測連續性信號的方法另外也可採用信號的增益值做為另一個輔助判斷參數。信號的增益值被利用來區分噪聲與連續性信號，並可用以區分語音信號中的無聲(unvoiced)部分與連續性信號部分。
如此，下面將參考附圖詳細說明本發明利用原點跨越率以及增益的數位化分析來判斷連續性信號的一較佳實施例。圖1之中顯示了本發明連續性信號檢測裝置一較佳實施例的系統結構的方塊圖。
如圖1所示，本發明的檢測裝置基本上包括了一個模擬至數字轉換器10，以及一個以微處理器為基礎的分析電路裝置20。其中模擬至數字轉換器10用以接收電話線路上的模擬信號R1，並在經過模擬至數字(A/D)轉換之後，輸出一個對應的數位訊號R2。另一方面，分析電路裝置20則從模擬至數字轉換器10接收上述數位訊號R2，以便進行前述信號原點跨越率與增益計算。在一較佳實施例中，以每160取樣點做為一個幀的單位，並以每一個幀為單位，計算其原點跨越率的ZCR值，以及信號增益的GAIN值。就每一個幀所獲得的原點跨越率ZCR與增益GAIN值，並被用以與先前幀之中的對應狀態加以比較，以便最後據以輸出一個連續性信號檢測標記(FLAG)狀態。此標記的狀態即代表被檢測信號的連續性判定結果。
圖2為一方塊圖，其顯示可適用於圖1中本發明連續性信號檢測裝置實施例的，一個以微處理器為基礎的分析電路裝置20。此連續性分析電路裝置大致包括有一個信號讀取單元21，一個極性檢查器22，一個平滑濾波器23，一個原點跨越率計數器24，一個增益值運算單元25，一個存儲單元26，一個邏輯控制單元27，以及一個位移器28。
注意到在圖2中的連續性分析電路裝置之中，信號讀取單元21由圖1的模擬至數字轉換器10讀取經過數字轉換的信號R2，並予以處理後成為信號R3，再分送給兩個平行的處理路徑。其中之一為信號原點跨越率計算路徑，其是由極性檢查器22，平滑濾波器23，以及原點跨越率計數器24所構成，另一路徑則由增益值運算單元25構成。利用這兩條信號處理路徑，可分別獲得信號的原點跨越率ZCR以及信號的增益GAIN數據，以做為後續邏輯控制單元27進行信號連續性質判斷時的基礎參數。
存儲單元26是由數個儲存區域所構成，其中包括有分別用以儲存目前幀單位內的增益GAIN值，以及原點跨越次數ZCR值的區域26a，26b，用以儲存目前所須進行原點跨越檢測目標值ZCR_TARGET的區域26c，用以儲存所須檢測的原點跨越次數ZCR值的容許值ZCR_OFFSET的區域26d，分別用以儲存已檢測到的有效幀數FRAME_ACTIVE以及無效幀數FRAME_NONACTIVE的區域26e，26f，以及用以儲存連續性信號檢測標記FLAG的區域26g。
在圖2的分析電路裝置的實施例中，首先，信號讀取單元21是依據取樣頻率而讀取上述數字至模擬轉換器所輸出的數位訊號R2，並將之轉換成為微處理器所需要的數位訊號R3，以利微處理器進行處理。
在信號增益值GAIN的處理路徑之中，增益值運算單元25由信號讀取單元21之處接受數位訊號R3，依照每一幀共160取樣點的分隔，因而計算出這個幀單位內的增益GAIN值，並將此GAIN值儲存於存儲單元26的區域26a內。在一實施例之中，此增益值運算單元25計算其信號增益GAIN值時，是將每一個幀內所有的取樣點上的瞬時增益值，取其絕對值相加，而非取其平方值相加，如此可以簡化運算的複雜度。這種處理方式可適用於任何型態的微處理器。
另一方面，在信號的原點跨越次數ZCR值的計算路徑中，極性檢查器22可由信號讀取單元21之處接受數位訊號R3，並依據下列關係條件而產生極性信號R4若R3≥0則R4＝1，或若R3＜0則R4＝0。
獲得極性信號R4之後，再將此極性信號R4輸入至平滑濾波器23，以便產生一個參考信號R5。平滑濾波器23可為一個數字低通濾波器，其可處理在上述取樣步驟中所產生的噪聲，以將其中的高頻部分去除掉，以輸出參考信號R5。在一較佳實施例之中，其可利用兩個暫存器來儲存先前二個取樣點上的極性信號，再搭配以目前所讀取得到的極性值，可以利用一設定的演算法而除去介入於信號之中的高頻噪聲。例如，當先前兩極性值與當前獲得的極性值所排列的序列出現[1，0，1]或
的極性值組合時，則分別判斷序列中間的「0」或「1」為因高頻噪聲所產生的，因此而分別予以修正為[1，1，1]或
。
接著，將平滑濾波器23所產生的參考信號R5輸入至原點跨越率計數器24，以便計算參考信號R5在目前所處理的幀單位內的原點跨越次數ZCR值，並將其內容儲存於存儲單元26的區域26b之內。當參考信號R5極性轉換時，及當前取樣與先前一個取樣點極性不同時，其ZCR值須加1，而原點跨越率計數器24將執行加1的動作。依此，可算出目前所處理幀的ZCR值。
大致而言，圖2中的連續性分析電路裝置，是在邏輯控制單元27之中，將符合條件的某幀的原點跨越次數ZCR值設定為預定的原點跨越檢測目標值ZCR_TARGET。當採取當前幀單位內的原點跨越次數ZCR值為被檢測連續性信號的目標值時，在邏輯控制單元27內即設定原點跨越檢測目標值ZCR_TARGET＝ZCR。此時位移器28則將執行預定的若干次將原點跨越次數ZCR值向右，亦即，向低位方向，位移一個位的動作。在一較佳實施例之中，設定為三次位移一個位的動作(亦即，ZCR_OFFSET＝ZCR＞＞3＝ZCR/8)，即採取當前原點跨越次數ZCR值的12.5％誤差值(1/8＝0.125)，做為其容限值ZCR_OFFSET。在後續的處理程序之中，當一個幀單位內的原點跨越次數ZCR值與設定的原點跨越檢測目標值ZCR_TARGET之間的誤差在ZCR_OFFSET範圍之內時，便視為是屬連續性信號有效的幀，否則即認為是屬連續性信號無效的幀。
在邏輯控制單元27之內，對於每一個幀單位的處理程序，是參考存儲單元26內所儲存的參數內容，藉以判斷被檢測信號的連續性狀態。參考圖3，其是本發明中邏輯控制單元27據以判斷信號的連續性狀態方法一較佳實施例的流程圖。
首先，在步驟31中先行判斷當前幀單位內的增益值，亦即儲存於存儲單元26的區域26a內的GAIN值是否大於一個預定的增益臨界值THR_GAIN。若是，則繼續執行步驟32。若否，則根本否定當前幀單位內的信號，認為其非為連續性的信號，並接著執行步驟40。
在步驟32之中，判斷當前幀單位內的原點跨越次數ZCR值是否位於一特定範圍內，即MAX_ZCR≥ZCR≥MIN_ZCR。就一般電話線路的頻寬而言，由於所有連續性信號均位於200Hz至3600Hz的範圍內，故跨越次數臨界值MAX_ZCR及MIN_ZCR即可依據這兩數值而設定。若步驟32的判定結果為肯定，則執行步驟33，否則即視為連續性無效的幀，並跳開而執行步驟40。
在步驟33之中，檢查有效幀數，亦即檢查FRAME_ACTIVE與FRAME_SELECT之間的數值大小比較關係。先檢查FRAME_ACTIVE＝FRAME_SELECT是否成立(在此較佳實施例之中，FRAME_SELECT被設定為3)，若是，便在步驟34之中採用當前幀單位的原點跨越次數ZCR值，將之儲存做為ZCR_TARGET，當作此被檢測連續性信號的目標值，另外執行預定的若干次將原點跨越次數ZCR值位移一個位的動作(亦即，ZCR_OFFSET＝ZCR＞＞3)。若發現FRAME_ACTIVE小於FRAME_SELECT，便不執行步驟35的檢查，而視之為連續性有效的幀，並直接繼續執行步驟36。若發現ZCR_ACTIVE大於FRAME_SELECT，即執行步驟35，以檢查當前幀單位內的原點跨越次數ZCR值是否在容許限度內(｜ZCR-ZCR_TARGET｜≤ZCR_OFFSET)。若步驟35的判定結果為肯定，則判定為連續性有效的幀，並接著執行步驟36，否則即跳出執行步驟40。
對於一個連續性信號，必須完成FRAME_SELECT+1的有效幀後，才能取其原點跨越次數ZCR值當作目標值，這是因為先前幀內的原點跨越次數ZCR值有可能因為取樣點位置，或外部元件轉換誤差，而造成較不穩定的數值的緣故。在步驟36中，先將連續性有效的幀數FRAM_-ACTIVE值加一，再清除連續性無效幀數(FRAME_NONACTIVE＝0)。
接著，再在步驟37之中檢查連續性有效幀數FRAME_ACTIVE值是否已達到預定的THR_FRAME值，亦即，判定FRAME_ACTIVE≥THR_FRAME是否成立。在一較佳實施例之中，THR_FRAME值被設定為200，亦即，必須連續檢測到4秒鐘的連續性信號，才算達成肯定的連續性信號出現的判定結果。
因此，若步驟37的判定結果為肯定，則執行步驟38，設定連續性信號檢測標記(FLAG＝1)，表示已檢測到連續性信號，之後再執行步驟39，清除兩暫存器FRAME_ACTIVE及FRAME_NONACTIVE內的數值，以便流程可以回到起始點，得以重新進行下一個周期的信號連續性判定程序，直至獲得一個判定結果時為止。
另一方面，在步驟40之中，當檢查到當前幀包含著連續性屬於無效的信號時，FRAME_ACTIVE值以及FRAME_NONACTIVE值均會被加一，並接著執行步驟41，以檢查FRAME_NONACTIVE值是否大於THR_NONACTIVE(在本實施例中設定為3)。若是，即表示所檢測的信號是非連續性的信號。此時可以接著執行前述步驟39，完成一次信號連續性的判定程序。若步驟41的判定結果為否定，程序便回到起始步驟31，以便繼續進行信號連續性的判定程序。因此，步驟41可用以過濾小於THR-NONACTIVE的幀數因噪聲引起的非連續性信號。
因此，利用圖3中的流程，本發明的連續性信號的檢測方法，便可以利用簡單的邏輯電路，如以微處理器的程序控制，在諸如電話線路上，利用適當設定的判定參數，達到正確的信號連續性判斷結果。由於控制流程中的判定參數可以依不同需求而設定，故本發明的這種方法及其硬體裝置，顯然可以適用於廣泛種類的電訊系統，利用成本低廉的簡單硬體構造，提供正確的信號連續性判斷結果。
雖然圖3中的信號連續性判斷流程的實施例，其中參與判斷結果的判定的程序只簡單地包含對於由增益運算單元25(圖2)計算所獲得的信號增益值的利用。但如同本領域技術人員所可了解的，在圖3的流程之中，所獲得的信號增益值與一預設臨界值的比較結果，是與前述信號原點跨越率計算結果發生邏輯「與」運算效果，以便進一步增加信號連續性判斷的準確度。
雖然本發明已利用較佳實施例的說明而揭示如上，然而這些實施例並非用以限定本發明的範疇。任何熟悉該技術的人員，在不脫離本發明精神的情況下，都可對這些實施例作某些更改與變化，其均應包含於本發明後附權利要求書所界定的保護範圍內。
權利要求
1.一種連續性信號的檢測方法，可利用一分析電路裝置而在一電氣信號線路上檢測信號的連續性存在與否，所述分析電路裝置包含有一信號原點跨越率計算單元與一信號增益計算單元，其中所述信號原點跨越率計算單元包含有一信號原點跨越次數計數器與一邏輯控制單元，所述方法是以信號的預設單位幀為處理單位，就每一幀內的信號增益值與信號原點跨越次數進行邏輯操作，以判段信號的連續性，其特徵在於其步驟包含(1)信號增益計算單元在單位幀內計算所述信號的增益值，邏輯控制單元判定所述計算得到的增益值是否大於一預定幀增益值，若否，則所述幀單位內的信號即判定為不連續；(2)信號原點跨越次數計數器在單位幀內計算所述信號的原點跨越次數，邏輯控制單元判定所述計算得到的原點跨越次數是否介於一特定範圍內，若否，則所述幀單位內的信號即判定為不連續；以及(3)邏輯控制單元判定所有經處理的幀之中，其計算得到的原點跨越次數的有效幀數值，若是，則分析電路裝置判定所述信號為連續性信號，若否，則分析電路裝置判定所述信號為非連續性信號。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述信號增益計算單元是在每一單位幀內，取每一取樣點的增益值的絕對值，並相加而計算所述信號在所述幀內的增益值。
3.如權利要求1所述的方法，所述信號原點跨越率計算單元還包含有一平滑濾波器，其中信號原點跨越次數計數器在單位幀內計算所述信號的原點跨越次數的步驟，還包含有利用所述平滑濾波器將信號中的高頻噪聲去除的步驟。
4.如權利要求3所述的方法，所述信號原點跨越率計算單元還包含有一極性檢查器，其中信號原點跨越次數計數器在單位幀內計算所述信號的原點跨越次數的步驟，在利用所述平滑濾波器將信號中的高頻噪聲去除之前，還包含利用所述極性檢查器檢查信號極性的步驟。
5如權利要求1所述的方法，所述分析電路裝置還包含有一位移器，其中當設定目前幀的所述原點跨越次數值為一原點跨越檢測目標值時，其所使用的一原點跨越次數容許值是利用將原點跨越次數值朝向低有效位位移若干位而獲得的。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述電氣信號線路是為電話線路。
7.一種連續性信號的檢測裝置，可在一電氣信號線路上檢測信號的連續性存在與否，所述檢測裝置包含有一分析電路裝置，其特徵在於包含有一信號增益運算單元；一信號原點跨越次數計算單元；與一邏輯控制單元；其中所述信號增益計算單元在單位幀內計算所述信號的增益值，邏輯控制單元判定所述計算得到的增益值是否大於一預定幀增益值，若否，則所述幀單位內的信號即判定為不連續；所述信號原點跨越次數計算單元包含有一信號原點跨越次數計數器，所述信號原點跨越次數計數器在單位幀內計算所述信號的原點跨越次數，邏輯控制單元判定所述計算得到的原點跨越次數是否位於一特定範圍內，若否，則所述幀單位內的信號即判定為不連續；且所述邏輯控制單元判定所有經處理的幀之中，其計算得到的原點跨越次數的有效幀數是否大於一預定最小幀數值，若是，則分析電路裝置即判定所述信號為連續性信號，若否，則分析電路裝置即判定所述信號為非連續性信號。
8.如權利要求7所述的裝置，其中所述信號增益計算單元是在每一單位幀內，取每一取樣點的增益值的絕對值，並相加而計算所述信號在所述幀內的增益值。
9.如權利要求7所述的裝置，其中所述信號原點跨越次數計算單元還包含有一平滑濾波器，其接收電氣信號線路上的信號並將信號中的高頻噪聲去除，再輸出至所述信號原點跨越次數計數器。
10.如權利要求9所述的裝置，其中所述信號原點跨越次數計算單元還包含有一極性檢查器，其接收電氣信號線路上的信號並判定其極性，再輸出至所述平滑濾波器。
11.如權利要求7所述的方法，其中所述分析電路裝置還包含有一位移器，可將原點跨越次數值朝向低有效位位移若干位，而獲得所欲檢測的原點跨越次數的容許值，以供所述邏輯控制單元在判斷目前所述幀的所述原點跨越次數值有效及無效之一時使用。
12.如權利要求7所述的裝置，其中所述分析電路裝置還包含有一存儲單元，可儲存所述幀增益值、所述原點跨越檢測目標值、所述原點跨越次數容許值及所述最小幀數值。
13.如權利要求7所述的裝置，其中所述分析電路裝置還包含有一信號讀取單元，可由所述電氣信號線路上接收信號，並轉換為數字式信號，再供應給所述信號增益運算單元與所述信號原點跨越次數計算單元。
14.如權利要求7所述的裝置，其中所述電氣信號線路為電話線路。
15.一種連續性信號的檢測裝置，可在一電氣信號線路上檢測信號的連續性存在與否，所述檢測裝置包含有一分析電路裝置，其特徵在於包含有一信號讀取單元；一信號增益運算單元；一信號原點跨越次數計算單元；一邏輯控制單元；與一存儲單元；其中所述信號讀取單元可由所述電氣信號線路上接收信號，並轉換為數字式信號，再供應給所述信號增益運算單元與所述信號原點跨越次數計算單元；所述信號增益計算單元在單位幀內計算所述信號的增益值，邏輯控制單元並判定所述計算得到的增益值是否大於一預定幀增益值，若否，則所述幀單位內的信號即判定為不連續；所述信號原點跨越次數計算單元包含有一極性檢查器，其接收所述信號讀取單元的輸出信號並判定其極性，一平滑濾波器，其接收所述極性檢查器的輸出，並將信號中的高頻噪聲去除，與一信號原點跨越次數計數器，其接收所述平滑濾波器的輸出信號，所述信號原點跨越次數計數器在單位幀內計算所述信號的原點跨越次數，邏輯控制單元判定所述計算得到的原點跨越次數是否位於一特定範圍內，若否，則所述幀單位內的信號即判定為不連續；且所述邏輯控制單元判定所有經處理的幀之中，其計算得到的原點跨越次數的有效幀數是否大於一預定最小幀數值，其中，若是，則分析電路裝置即判定所述信號為連續性信號，若否，則分析電路裝置即判定所述信號為非連續性信號；以及所述存儲單元可儲存所述幀增益值、一原點跨越檢測目標值、一原點跨越次數容許值及所述最小幀數值；其中，所述邏輯控制單元藉由所述原點跨越檢測目標值及所述原點跨越次數容許值完成有效拾取所欲檢測的原點跨越次數。
16.如權利要求15所述的裝置，其中所述電氣信號線路為電話線路。
全文摘要
一種連續性信號檢測方法及其裝置,利用分析電路裝置在信號線路上檢測信號的連續性存在與否。分析電路裝置包含一含有一信號原點跨越次數計數器與一邏輯控制單元的信號原點跨越率計算單元與一信號增益計算單元。該方法以信號的預設單位幀為處理單位,就每一幀內的信號增益值與信號原點跨越次數進行邏輯操作以判斷信號連續性,其步驟包含判定每一幀內信號增益值與原點跨越次數是否達到一定標準,並依據所有幀內符合標準的幀數是否亦符合標準而判定信號是否連續。
文檔編號H04M15/00GK1199299SQ9711115
公開日1998年11月18日 申請日期1997年5月13日 優先權日1997年5月13日
發明者謝清江 申請人:聯華電子股份有限公司