Генерация двухтонального многочастотного сигнала: параметры и требования

Проблема формирования двухтонального многочастотного сигнала (DTMF) становится наиболее очевидной при питании схемы от линии связи в двух предельных случаях: при очень длинном или очень коротком шлейфе. Большая длина шлейфа приводит к значительному уменьшению величины тока в линии и напряжения, питающего электронные цепи телефонного аппарата. Следовательно, схемы, генерирующие тональные сигналы, должны сохранять полную функциональность при снижении напряжения питания вплоть до критического значения в 3 В. Это фундаментальное требование обеспечивает стабильную работу оборудования в реальных условиях эксплуатации.

Минимальное значение рабочего напряжения постоянного тока (V DC(min)) для генератора DTMF и его схемы сопряжения (интерфейса) представляет собой сумму нескольких ключевых компонентов. В расчет включаются амплитудные значения напряжений двух тональных сигналов (VLPK + VHPK), необходимое стабилизированное напряжение (VREG), а также падение напряжения, требуемое для компенсации стабилизации (VBE + VCE(SAT)). Типичный расчет по формуле V DC(min) = (VLPK + VHPK) + VREG + (VBE + VCE(SAT)) дает результат, например, 1,24 В + 3 В + 1,2 В = 5,44 В, что определяет нижний порог работоспособности системы.

В случае короткого шлейфа возникает противоположная задача: необходимо обеспечить устойчивость аппарата к протеканию значительного тока и повышенному постоянному напряжению. Эта ситуация характерна для случаев, когда телефонная станция не осуществляет активного ограничения или стабилизации параметров линии питания. Независимо от длины шлейфа, критически важной функцией схемы сопряжения является обеспечение должной стабилизации напряжения для питания всех остальных цепей устройства. Таким образом, схема должна быть универсальной и адаптивной.

Уровни тональных сигналов в телекоммуникациях стандартно измеряются относительно абсолютного уровня 0 дБм, что эквивалентно мощности в 1 мВт, рассеиваемой на нагрузке с комплексным сопротивлением 600 Ом. Для компенсации неизбежных дополнительных потерь при передаче высокочастотных компонентов сигнал высокочастотной группы должен быть на 2 дБ выше сигнала низкочастотной группы. Это требование к балансу уровней является ключевым для обеспечения надежного распознавания сигнала на приемной стороне. На Рис. 2.6 представлены графики, которые наглядно характеризуют установленные стандарты для уровней попарно передаваемых тональных сигналов.

Рис. 2.6. Технические условия на уровень передаваемых двухтональных многочастотных сигналов

Фигура, изображенная на данном графике, демонстрирует оптимальные и предельно допустимые различия в уровнях выходного сигнала, которые регламентированы для парных тональных сигналов. Эта визуализация позволяет инженерам быстро оценить соответствие параметров генератора установленным техническим нормам. Соблюдение этих требований гарантирует минимальный уровень ошибок при передаче информации по цифровым и аналоговым каналам связи.

Допустимый уровень искажений в передаваемых тональных сигналах регламентируется несколькими строгими методами. Во-первых, суммарная мощность всех побочных и нежелательных сигналов должна быть как минимум на 20 дБ ниже уровня минимального полезного тонального сигнала. Во-вторых, уровень частотных искажений, создаваемых парным сигналом, не должен превышать -33 дБм в полосе частот от 300 до 3400 Гц, а также -33 дБ на частоте 3400 Гц с затуханием 12 дБ на октаву до 50 кГц. Для частот свыше 50 кГц уровень искажений не должен превышать -80 дБ.

Количественная оценка искажений, выраженных в децибелах, проводится по стандартной формуле: Искажения (дБ) = 20 * log10( √(V1² + ... + VN²) / √(VL² + VH²) ). В этой формуле переменные V1 … VN обозначают значения напряжений для нежелательных частотных компонентов, а VL и VH — значения напряжений для полезных тональных сигналов низкочастотной и высокочастотной группы соответственно. Эта формула является отраслевым стандартом для объективных измерений.

Еще одним критически важным параметром является импеданс, или полное комплексное сопротивление. В активном режиме работы генератор DTMF должен представлять для линии связи динамическое сопротивление, значение которого обеспечивает оптимальное согласование. Стандартной и общепринятой величиной для этого полного комплексного сопротивления является значение 900 Ом. В неактивном состоянии тот же генератор должен демонстрировать низкое динамическое сопротивление при последовательном включении с речевыми цепями и высокое — при параллельном включении.

Параметр «потери на отражение» (RL) напрямую характеризует качество согласования импедансов и вычисляется по формуле: RL (дБ) = 20 * log10 | (ZL + Zg) / (ZL - Zg) |. В данном выражении ZL символизирует полное комплексное сопротивление линии связи, а Zg — выходное полное комплексное сопротивление самого телефонного аппарата, генерирующего сигнал. Высокие значения этого параметра указывают на хорошее согласование и минимум отраженной энергии.

Нормативные требования предписывают, чтобы потери на отражение (RL) превышали уровень 14 дБ в основном речевом диапазоне частот от 300 до 3400 Гц. Для пограничных частотных диапазонов — от 50 до 300 Гц и от 3400 до 20000 Гц — допустимый минимальный уровень RL составляет 10 дБ. Соблюдение этих норм обеспечивает целостность сигнала и минимизирует энергетические потери в линии, что в совокупности с другими параметрами гарантирует корректную работу всей системы тонального набора.

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.