Эволюция и принципы тонального набора номера (DTMF) в телефонной связи

Современные телефонные аппараты практически полностью перешли с устаревшего импульсного набора на более совершенный метод, известный как двухтональный многочастотный набор (DTMF - Dual-Tone Multi-Frequency). Использование тонального набора возможно только при условии, что районная автоматическая телефонная станция (АТС) оснащена специализированным оборудованием для приема и декодирования тональных сигналов. В настоящее время это требование перестало быть проблемой, поскольку DTMF стал доминирующим мировым стандартом, и все современные станции поддерживают эту технологию.

Визуальное отличие аппаратов с тональным набором заключается в отсутствии диска и наличии наборного поля (клавиатуры), которое, как показано на Рис. 2.4, стандартно содержит 12 кнопок: цифры от 0 до 9 и два специальных символа – * (звездочка) и # (решетка). Следует отметить, что некоторые специальные модели телефонов, отмеченные на рисунке пунктирной линией, могут иметь четвертую колонку, увеличивая общее количество кнопок до 16 для предоставления дополнительных сервисных функций.

Рис. 2.4. Клавиатура с кнопками набора телефонного номера

Основной принцип DTMF заключается в генерации при нажатии каждой клавиши не одного, а двух независимых сигналов – синусоидальных колебаний акустического диапазона. Один из этих сигналов принадлежит к низкочастотной группе (определяется строкой клавиатуры), а второй – к высокочастотной группе (определяется столбцом). Для примера, нажатие цифры 5 приводит к одновременной генерации тонов с частотами 770 Гц и 1336 Гц. Такой комбинаторный подход с использованием всего семи стандартизированных частот позволяет получить 12 уникальных тональных пар для базовой клавиатуры, обеспечивая высокую надежность распознавания. Международная стандартизация частот сигналов и расположения клавиш способствовала глобальному распространению технологии, хотя допуски на точность генерации могут незначительно варьироваться между странами; так, в Северной Америке допуск для генератора составляет 1.5%.

Генерация тональных сигналов в ранних моделях телефонов осуществлялась с помощью дискретных электронных компонентов, что подробно иллюстрируется Принципиальной схемой двухтонального многочастотного набора номера (DTMF) на Рис. 2.5. В исходном состоянии, когда трубка снята, но набор не производится, контакты переключателей S1, S2 и S3 разомкнуты, транзистор Q1 закрыт, а конденсаторы C1 и C2 отключены. Механизм нажатия кнопки на клавиатуре является двухэтапным: при первоначальном, неполном нажатии механические штоки ряда и колонки замыкают контакты S1 и S2. Это действие подключает конденсаторы C1 и C2 к выводам катушек индуктивности L1A и L2A, формируя два резонансных LC-контура, настроенных на требуемые частоты для низкой и высокой группы соответственно.

Рис. 2.5. Принципиальная схема двухтонального многочастотного набора номера (DTMF)

При полном нажатии кнопки происходит критическое изменение состояния контактов переключателя S3. Это изменение выполняет две ключевые функции: оно прерывает протекание постоянного тока шлейфа через катушки L1A и L2A, что возбуждает в сформированных резонансных контурах незатухающие колебания, и одновременно подает напряжение станционной батареи на коллектор транзистора Q1. Благодаря трансформаторной связи между обмотками (L1A, L1B, L1C и L2A, L2B, L2C), транзистор Q1 входит в режим генерации, усиливая и модулируя ток шлейфа двумя тональными сигналами для их передачи на АТС. На время нажатия кнопки цепи телефонного и микрофонного капсюлей шунтируются, хотя ослабленная версия тональных сигналов может прослушиваться в трубке для контроля их передачи. В современных аппаратах вся эта сложная схема реализована на одной интегральной микросхеме (ИМС), что значительно повышает надежность, точность и компактность устройства.

Процесс распознавания тональных сигналов на районной АТС осуществляется специализированным устройством – цифроприемником (DTMF receiver). Частоты для DTMF были выбраны таким образом, чтобы минимизировать вероятность их имитации речевыми сигналами или другими помехами в линии. Цифроприемник содержит набор высокодобротных частотно-избирательных фильтров, настроенных строго на стандартные частоты, и схемы синхронизации, которые проверяют длительность сигнала. Для того чтобы сигнал был признан действительным, он должен длиться не менее определенного минимального времени; в Северной Америке этот порог составляет 50 мс.

Эта временная и частотная избирательность надежно защищает систему от ложных срабатываний. После успешного установления соединения цифроприемник отключается от линии, что позволяет использовать те же самые DTMF-сигналы для управления интерактивными системами, такими как голосовые меню, удаленные терминалы или банковские услуги, превращая телефонный аппарат в многофункциональное устройство ввода данных.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.