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Sensor zur Verkehrserf'assung von aus Analägsignalen be-
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stehenden Nachrichtenströmen auf Fernmeldeleitunqen Die Erfindung
betrifft einen Sensor zur Verkehrserfassung von Nachrichtenströmen, die aus Analogsigna.len
bestehen, auf Fernmeldeleitungens insbesondere zur Gebührenäbrechnung bei fest geschalteten
Verbindungen (Stand-leitungen).
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Zweck des Sensors ist es festzustellen, ob auf einer Fernmeldeleitung
Nachrichtenfluß stattfindet oder nicht. Der Nachrichtenfluß ist durch analoge Wechselspannungen
im Frequenzbereich des Fernsprechbandes von etwa 0,3 bis 3 kHz gekennzeichnet. Sie
können von analogen Sprachsignalen herrühren oder durch Digital-Analog-Wandlung
gewonnene analoge Modemsignale digitalen Ursprungs sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor für Analogsignale
zu schaffen, der den Nachrichten fluß auf der Fernmeldeleitung nicht beeinträchtigt,
zusammengehörige Nachrichten als solche zu behandeln gestattet, obwohl sie kurzzeitig
durch Silbensprechpausen oder Umtastpausen u. a.
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unterbrochen sind, und trotzdem Nachrichten- von Störsignalen unterscheidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Hintereinanderschaltung
von a) einer hochohmigen frequenzbewertenden Eingangsschaltung, b) einer amplitudenb.ewertenden
und -begrenzenden ersten Schwellenwertachaltung, c) einer zeitbewertenden Signalformerschaltung,
d) einer zweiten Schwellenwertschaltung und e) einer die Impuls- und Pausenzeiten
des von der zweiten Schwellenwertschaltung gelieferten Signals getrennt bewertenden
Zeitbewertungsschaltung.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch die Aufeinanderfolge von Frequenzbewertung, Amplitudenbewertung und -begrenzung,
Zeit-, Amplituden- und erneuerte Zeitbewertung, diesmal nach Impuls-und Pausenzeiten
getrennt, eine sichere Unterscheidung von Nachrichtensignalen gegenüber eingestreuten
Störungen und Rauschen erzielt wird und dem jeweils tatsächlichen Nachrichtenfluß
entsprechende zusammenhängende Erfassungszeiten gebildet werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels,
das in der Zeichnung dargestellt ist, näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1: ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Sensors,
Fig. 2: ein Schaltbild seiner Eingangsschaltung, Fig. 3: Schaltbilder der amplituden-
und zeitbewertenden Stufen 2 bis 4 von Fig. 1, Fig. 4 und 5: zwei Ausgestaltungsvarianten
der zeitbewertenden Schaltung 5 von Fig. 1, Fig. 6: eine Übersicht über den Signalverlauf
an einzelnen Punkten des Sensors in Abhängigkeit von der Zeit.
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Das Blockschaltbild von Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des
Sensors. Er besteht aus einer hochohmigen Eingangsschaltung 1, die an die Sprechadern
der zu erfassenden Fernsprechleitung angeschlossen wird und einen Verstärker sowie
ein Filter von der Art eines Bandpasses enthält. Der Verstärker hebt den Signalpegel
so weit an, daß die durch die Ankopplung
und das Filter verursachten
Verluste ausgeglichen werden und der Pegel über dem inneren Störpegel der nachgeschalteten
Stufen liegt. Das Filter engt den auszuwertenden Frequenzbereich auf etwa 700 Hz
bis 3000 Hz ein, um niederfrequente Störspannungen, das sind vor allem die Bahnspannung
von 16 2/3 Hz, die Netzspannung vorn~50 Hz und die fernmeldetechnischen Signalspannungen
von 25 und 425 bzw. 450 Hzs und kapazitiv eingestreute hochfrequente Störspannungen
zu eliminieren.
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An die Eingangsschaltung schließt sich ein Momentanwert-Komparator
2 ein, der das bandmäßig eingeengt und verstärkte Nutzsignal in Rechteckimpulse
konstanter Amplitude umwandelt. So wird der große Amplitudenbereich der Eingangssignale
auf einen einzigen Wert normiert. Eingangsspannun gen unterhalb der Komparatorschwelle
bleiben ohne Wirkung, so daß Störungen geringer. Amplitude wie z.B. Rauschen, unterdrückt
werden.
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Ein Integrierglied 3 summiert die Rechteckimpulse zu einer Gleichspannung
auf, deren Höhe sich im Rhythmus der Eingangssignale ändert. Bei dieser Integration
werden sowohl Störimpulsschauer in der signalfreien Zeit als auch dur-ch Störungen
verursachte Lücken im Signal fluß jeweils bis zur Dauer von mehreren Millisekunden
unterdrückt.
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Ein weiterer Komparator 4, dessen Ansprechschwelle bei einem bestimmten
Prozentsatz der höchsten bei der Integration erreichbaren Spannung liegt, wandelt
die aufsummierte Gleichspannung wieder in Rechteckimpulse konstanter Höhe um.
Ihre
Abfolge entspricht im wesentlichen dem von allen Amplituden- und Kurzzeitstörungen
bereinigten Ablauf des Nachrichtenflusses auf der zu erfassenden Leitung.
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Die Ausgangssignale des Komparators 4 sind unmittelbar noch nicht
zur Erfassung zu verwenden. Zum einen können sie evtl. vorhandene länger andauernde
Störungen in der Größenordnung von 10 ms und darüber enthalten, und zum anderen
weisen sie auf jeden Fall die für Analogsignale typischen Unterbrechungen in der
Größenordnung von 100 ms bis etwa 2 Sekunden (Sprache) auf. Eine nachgeschaltete
Zeitbewertungaschaltung 5 bewertet daher die Rechteckimpulse durch Verzögerungsglieder
getrennt nach Impuls-und Pausendauer. Erst wenn ein Impuls eine vorgegebene Dauer
überschreitet, wird er als Signal weitergegeben.
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Dann füllt ein Verzögerungsglied aber auch eine nachfolgende Pause
um einen bestimmten nach Signalart vorgebbaren Betrag auf. Auf diese Weise werden
die länger andauernden Störungen von der Registrierung ferngehalten, während der
Nachrichten fluß als zusammenhängender Block dargestellt wird.
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Fig. 2 zeigt die Eingangsschaltung 1 im einzelnen.
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Dem Verstärker 15 ist hier ein Ubertrager 14 vorgeschaltet, der zur
Potentialtrennung dient. Er bewirkt darüber hinaus eine Ankopplung hoher Symmetrie.
Zwei symmetrisch angeordnete Widerstände 11 von je 22 k0hm sorgen dafür, daß der
Eingangswiderstand des Sensors im gesamten Frequenzbereich größer als 50 k0hm ist.
Dadurch wird eine geringe
Einfügungsdämpfung von maximal 0,06 dB
erzielt.
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Zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Z-Dioden 12 begrenzen hohe Spannungsspitzen
(Blitzschutz). Ein ebenfalls aus Sicherheitsgründen vorgesehener Kondensator 13
hält Gleichspannungen vom Übertrager fern. Darüber hinaus wirkt er zusammen mit
dem Übertrager als Hochpaß, der die Dämpfung niederfrequenter Störspannungen unterstützt.
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Der Verstärker 15 bewirkt eine Verstärkung von etwa 40 dB.
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Dadurch werden sämtliche Verluste durch den vorgeschalteten Übertrager
und das nachgeschaltete Filter von etwa 20 dB ausgeglichen und der Signalpegel darüber
hinaus um 20 dB angehoben.
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Das Filter zur Störunterdrückung besteht aus einem aktiven Tiefpaß
16 2. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von etwa 2700 Hz und einer Dämpfung von 12
dB/Oktave sowie einem aktiven Hochpaß 17 3. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von
800 Hz und einer Dämpfung von 18 dB/Oktaue.
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Die 3-dB-Bandbreite der Eingangsschaltung von Fig. 2 reicht von 750
bis 2700 Hz, die 6-dB-Bandbreite von 670 bis 3600 Hz. Bei 450 Hz wird bereits eine
Dämpfung größer 20 dB erreicht, und unterhalb 150 Hz liegt die Dämpfung über 70
dB, desgleichen beträgt sie bei 16 kHz mehr als 30 dB.
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In Fig. 3 sind der Momentanwert-Komparator 2, das Integrierglied 3
und der Komparator 4 dargestellt. Der Momentanwert-Komparator besteht aus einem
entsprechend beschalteten Operationsverstärker 21.
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Seine Ansprechschwelle läßt sich durch Zuschalten von Widerständen
23 zum Grundwiderstand R verändern. Die Widerstandswerte sind so gewählt, daß beim
Grundwert 1t ein Ansprechpegel von -45 dBm, bei Zuschalten eines Widerstands 23
ein Ansprechpegel von -35 dBm und bei Zuschalten beider Widerstände 23 ein Ansprechpegel
von -25 dBm erreicht wird. Damit der Sensor am Einsatzort an die dort herrschenden
Pegelverhältnisse angepaßt werden kann, sind die Schaltmittel 22 zum Zu- und Abschalten
der Widerstände 23 herausgeführt.
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Das Integrierglied 3 besteht aus einem Aufladewiderstand 32, einem
Entladewiderstand 33 und einem Kondensator 34. Damit das Entladen nicht über den
Widerstand 32 erfolgt, ist ihm eine Diode 31 vorgeschaltet. Das Aufladen geschieht
gegen positive Spannung, wobei ein Maximalwert von 7 V erreicht werden kann, das
Entladen gegen negative Spannung, wobei ein Minimalwert von -12 V erreicht werden
kann, +U und -U jeweils zu 12 V angesetzt.
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Um unter diesen Bedingungen minimale Signalverzerrung zu erhalten,
ist die Aufladezeitkonstante mit 3 ms beträchtlich kürzer gewählt als die Entladezeitkonstante,
die hier 33 ms beträgt. Mitbestimmend dafür ist die Schwelle des nachgeschalteten
Komparators, der aus einem Operationsverstärker 41 besteht und bei einer Spannung
von 0 V anspricht. Bezogen auf den am Kondensator 34 durchfahrenen Spannungsbereich
von -12V bis +7V entspricht dies 63°ó. Durch diese etwas unsymmetrische Lage der
Komparatorschwelle wird im Verein mit den unterschiedlichen Auflade- und Entladezeitkonstanten
bei mittleren
Signalpegeln eine annähernd symmetrische Verzögerung
der Signaldauerwiedergabe von jeweils 10 ms erzielt.
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Bei schwächeren Signalen ist die Ansprechzeit geringfügig größer,
die Abfallzeit etwas -kürzer (negative Verzerrung), bei starker Übersteuerung is-t
es umgekehrt (positive Verzerrung). Das Integrierglied beseitigt also, zusammen
mit dem nachgescha-lteten Komp-arator, Störungen und Lücken im Milli6skundenberei-ch.
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Länger andauernde Störungen und Unterbrechungen eliminiert, wie schon
erwähnt wurde, die Zeitbewertungsschaltung 5. Je nach Art der Analogsignale gelten
dafür unterschiedliche Zeitbedingungen. Bei einer Art von Modemsignalen müssen-z.B.
Impulse unter 100 ms Dauer unterdrückt und Pausen bis 100 ms Dauer überbrückt werden,
bei einer anderen Art von Modernsignalen sind es sogar 1000 ms, die unterdrückt
bzw. -überbrückt werden müssen. Für Sprachsignale liegt die Grenze zwischen Nutz-
und Störsigna-len bei 100 ms, die Überbrü-ckungszeit beträgt hier 2000 ms.
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Eine ausgeführte Schaltung, die die Zeitbewertung durchführt, ist
in Fig. 4 dargestellt. Sie besteht-aus Verzö-gerungsgliedern 41,42 und 44 und einem
UND-Gatter 43.
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Das Verzögerungsglied 42 verzögert die Anstiegsflanke -jedesihm zugeführten
Impulses um die signalartabhängig gewählte Zeitspanne von 100 oder 1000 ms. Das
Verzöge-rungsglied 44 verzögert hingegen die Abfallflanke jedes ihm zugeführten
Impulses um die signalabhängig gewählte Zeitspanne von 100, 1000 oder 2000 ms. Dem
Verzögerungsglied 42 ist ein weiteres Verzögerungsglied 41 vorgeschaltet, das eine
weitere Abfallflanken-verzögerung vornimmt, und zwar um eine Zeit, die kleiner'als
die Anstiegsflankenverzögerung des Verzögerungsglieds 42 ist.
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Dieses Verzögerungsglied 41 beseitigt zunächst Lücken im Signalverlauf,
die in der Größenordnung von 10 ms und darüber sind und deshalb von den vorhergehenden
Stufen nicht eliminiert werden konnten. Bleiben sie unaufgefüllt, würde die nachfolgende
Anstiegsflankenverzögerung nach jedem kleinen Signaleinbruch erneut einsetzen und
so unter Umständen überhaupt kein Signal zur Registrierung gelangen. Das Verzögerungsglied
42 verzögert dann die Anstiegsflanke des zusammenhängenden Signal und liefert, sofern
und solange das Signal noch nach der Verzögerungszeit ansteht, in das UND-Gatter
43 entspcrrendes Signal.
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Jetzt gelangt das am Eingang der Schaltung anstehende Signal zum Verzögerungsglied
44 und wird bezüglich seiner Abfallflanke verzögert. Durch die beschriebene UND-Verknüpfung
wird erreicht, daß Signale, die kürzer sind als es der Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds
42 entspricht, nicht weitergegeben werden, obwohl das Verzögerungsglied 41 sie unter
Umständen über diese Zeit hinaus verlängert hat.
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Andererseits erscheint bei länger währendem Eingangssignal das Ausgangssignal
nur um die Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds 42 verzögert, d.h. die Auffüllzeit
des Verzögerungsglieds 41 geht in die Zeitbilanz nicht ein.
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In Fig. 5 ist eine Schaltungsvariante der Zeitbewertungsschaltung
dargestellt, die das gleiche Ergebnis wie die Schaltung von Fig. 4 liefert. Hier
definiert ein monostabiler Multivibrator 46 die Auffüllzeit, ein weiterer monostabiler
Multivibrator 48 die Ansprechzeit und ein dritter monostabiler Multivibrator 51
die Überbrückungszeit. Die monostabilen Multivibratoren 46 und 51 werden jeweils
von der
Rückflanke der ihnen zugeführten Impulse getriggert, was
durch je einen Inverter 45 und 50 angedeutet ist, der normalerweise zur Eingangsbeschaltung
handelsüblicher monostabiler Multivibratoren gehört. Die monostabilen Multivibratoren-
sind retriggerbar, sprechen also auf jede Impulsflanke,.auch wenn sie innerhalb
ihrer Ablaufzeit liegt, erneut an. Die Abfallflankenverzö-gerung wird durch ODER-Verknüpfung
des den Multivibrator triggernden mit dem vom Multivibrator abgegebenen Signals
erreicht.
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Dafür sind in Fig. 5 die ODER-Gatter 47 und 52 eingesetzt.
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Die Anstiegsflankenverzögerung wird dadurch nachgebildet, daß von
dem dafür maßgeblichen monostabilen Multivibrator 48 der inverse Ausgang an das
UND-Gatter 49 geführt ist.
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Jenes UND-Gatter ist also nur entsperrt, sobald der monostabile Multivibrator
nicht mehr abläuft, aber ein Eingangssignal noch ansteht.
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Der Signalverlauf an den verschiedenen Schaltungspunkten des Sensors
wird nun anhand von Fig. 6 erläutert.
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Am Ausgang Al der Eingangsschaltung liegen die Nutzsignale N, Rauschsignale
R und Störsignale S in der entsprechenden Zeile von Fig. 6 gezeichneten Form vor.
Als Beispiel für die Nutzsignal.e wurden hier Sprachsignale dargestellt.
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Die Schwelle des nachfolgenden Momentanwert-Komparators 2 ist im Ruhezustand
so eingestellt (in Anspruch 1 gestrichelt angedeutet), daß das Rauschen R noch nicht
zum
Ansprechen des Komparators führt. Am Ausgang A2 des Momentanwert-Komparators werden
dann entsprechend seiner amplitudenbegrenzenden Wirkung Rechteckimpulse erhalten,
die aus den rauschähnlich schwankenden Amplituden von Sprache oder Modemsignal gebildet
sind. Wo die Momentanwerte des Nutzsignals unter der Ansprechschwelle des Komparators
liegen, sind Lücken in den Rechteckimpulsen vorhanden. Der nachfolgende Integrator
3 beseitigt die Lücken im Millisekundenbereich und gibt am Ausgang A3 geschlossene
Impulse weiter, die der Komparator 4 wieder in Rechteckimpulse umwandelt (Ausgang
A4). Durch die Integration werden auch Störungen im Millisekundenbereich beseitigt,
was im rechten Teil von' Zeile Å3 und A4 zu sehen ist. Länger andauernde Störungen
erscheinen aber ebenso wie länger andauernde Unterbrechungen im Nutzsignal weiterhin
am Ausgang 4.
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Für die Spannungen an verschiedenen Punkten der- Zeitbewertungsschaltung,
Zeilen B bis A5, wurde eine Ansprechzeit von 100 ms und eine Überbrückungszeit von
ebenfalls 100 ms gewählt. Die Füllzeit muß dementsprechend kleiner als 100 ms sein
und beträgt im Impulsdiagramm von Fig. 6 50 ms. Am Ausgang B des Verzögerungsglieds
41 von Fig. 4 erscheint dann ein Kurvonzug gemäß Zeile B, in dem alle Lücken, die
sämtlich kleiner als 50 ms sind, aufgefüllt sind; der noch vorhandene Störimpuls
ist um 50 ms verbreitert..Das gleiche Ergebnis ist am Ausgang der ODER-Schaltung
47 in Fig. 5 abzunehmen (Eingangssignal zuzüglich 50-ms-Impuls nach jeder
Abschaltflanke).
Das Signal am Ausgang B-wird in Fig. 4 vom Verzögerungsglied 42 um 100 ms einschaltverzögert,
wodurch am Ausgang C ein Signal gemäß Zeile C entsteht.
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In Fig. 5 erzeugt die Anstiegs-flanke des Signals von B einen Impuls
des Monovibrators 48 von 100 ms, der in Zeile C' dargestellt ist. Für die nachfolgende
UND-Verknüpfung wird das Signal am Punkt C direkt, das am Punkt C' invertiert verwendet
(Ausgang cl).
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Am Ausgang des UND-Gatters 43 von Fig. 4 erscheint somit Signal, wenn
am Punkt A4 und an C- gleichzeitig Signal anliegen; für das UND-Gatter 49 von Fig.
5 gilt-hingegen die Bedingung, daß an A4 Signal und an C' k.ein Signal, also an
E t Signal liegen muß. Das Ergebnis ist in beiden Fällen gleich und entspricht Zeile
D von Fig. 6. Hierin ist die Eingangsimpulsfolge mit einer Einschaltverzögerung
von 100 ms abgebildet, der störimpuis ist unterdrückt.
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Das nachfolgende Verzögerungsglied 44 in Fig. 4 verzögert nun jede
Abschaltflanke um 100 ms, und das nämliche bewirkt der abfallflankengetriggerte
Monovibrator 51 im Verein mit dem ODER-Gatter 52 in Fig. 5. Am Ausgang A5 wird damit
ein geschlossener Rechteckimpuls erhalten, dessen Dauer der Gesamtdauer der Impulse
am Ausgang A4 entspricht, der aber gegenüber diesen Impulse um je 100 ms einschalt-
und abfaliverzögert ist.
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Die Schaltung läßt sich auch mit drei Verzögerungsgliedern.
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in Serie ohne UND-Gatter realisieren. Dann muß die Verzögerungszeit
des Verzögerungsglieds 42- bzw. die Ablaufzeit
des entsprechenden
Monovibrators 48 gleich der gewünschten Ansprechzeit zuzüglich der Füllzeit gewählt
werden, im vorliegenden Beispiel also 150 me betragen. Genauso groß - 150 ms - wird
dann aber au-ch die Impulsverschiebung zwischen Ausgang A4 und Ausgang A5.
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