Двухтональный многочастотный набор (DTMF) и устройство телефонного микрофона

Коротко подводя итог, можно отметить, что метод двухтонального многочастотного набора (DTMF) пришел на смену импульсному набору благодаря ряду ключевых преимуществ. Во-первых, он значительно снижает общее время, затрачиваемое на набор номера. Во-вторых, повышается надежность работы телефонного аппарата вследствие активного использования полупроводниковых элементов и интегральных микросхем. Эти технологические изменения стали основой для дальнейшего развития абонентских терминалов.

Кроме того, DTMF открыл возможность передачи сигналов между абонентами уже после установления соединения телефонной станцией. Эта функция позволяет передавать данные с относительно невысокими скоростями, например, для управления автоответчиками или интерактивными системами. Также новая технология позволила снизить требования к количеству и сложности оборудования на самой станции. Наконец, тональный набор обладает гораздо более высокой совместимостью с электронными и программно-управляемыми телефонными станциями, что обусловило его повсеместное распространение в цифровую эпоху.

Микрофон является той частью телефонного аппарата, в которую говорит абонент, выполняя функцию преобразователя. Его основная задача — преобразовать человеческую речь, то есть энергию акустических колебаний, в синхронно изменяющийся электрический ток. Этот электрический сигнал передается по системе связи к приемному устройству удаленного абонента. Примечательно, что подавляющее большинство микрофонов, использовавшихся в телефонии XX века, практически не отличались по принципу действия от изобретения Томаса А. Эдисона, созданного более ста лет назад.

Конструкция традиционного угольного микрофона, показанная на Рис. 2.7а, включает в себя небольшой капсюль, полностью заполненный мелкими угольными гранулами. Передняя и задняя металлические стенки этого капсюля выполняют роль проводников, будучи электрически изолированными друг от друга. Одна из этих стенок жестко зафиксирована в корпусе телефонной трубки с помощью специального упора. Вторая стенка механически соединена с гибкой диафрагмой, которая способна совершать колебательные движения.

Рис. 2.7. Устройство микрофона телефонного аппарата

Колебания диафрагмы происходят синхронно с изменениями давления воздуха, вызванными речью пользователя. Эти колебания изменяют силу механического давления на массу угольных гранул внутри капсюля. Когда гранулы сжимаются под возрастающим давлением, их взаимный контакт улучшается, что приводит к резкому снижению электрического сопротивления всей угольной массы. При снижении давления гранулы раздвигаются, и сопротивление, соответственно, возрастает.

Таким образом, через капсюль микрофона протекает электрический ток, величина которого изменяется в прямой зависимости от переменного электрического сопротивления. Этот процесс эффективно преобразует изменяющееся звуковое давление в синхронно изменяющийся электрический сигнал, пригодный для передачи по линии связи. Несмотря на возможные конструктивные различия в моделях микрофонов, описанный физический принцип их работы оставался неизменным на протяжении десятилетий.

Со временем угольные микрофоны склонны к увеличению уровня собственных шумов. Это происходит из-за физического разрушения угольных гранул, которые от постоянной вибрации и ударов растрескиваются на более мелкие частицы. Эти мелкие частицы могут образовывать случайные токопроводящие мостики между основными гранулами, создавая паразитные токи и искажая полезный сигнал. Для устранения данного дефекта требуется обращаться в ремонтную службу для замены шумного микрофона на новый.

Именно по причине повышенной шумности, а также для общего снижения уровня нелинейных искажений сигнала, угольные микрофоны в современных телефонных аппаратах были практически полностью вытеснены другими типами преобразователей. На смену им пришли электретные, конденсаторные и динамические микрофоны, обладающие более высокими характеристиками и надежностью. Эти современные аналоги будут подробно рассмотрены в следующих разделах.

Принцип работы микрофона также можно проанализировать с помощью его эквивалентной схемы. Чтобы понять, как величина тока в шлейфе зависит от уровня громкости звука, следует обратиться к Рис. 2.7б, где представлена упрощенная электрическая схема включения. В ней микрофон с угольными гранулами представлен в виде переменного резистора RTR, величина которого изменяется синхронно с речью.

Поскольку напряжение, приложенное к микрофону со стороны линии связи или внутреннего источника, остается относительно постоянным, изменение сопротивления RTR напрямую влияет на силу тока в цепи. Следовательно, ток, протекающий по цепи, изменяется в точном соответствии с изменением звуковой энергии, то есть с громкостью и тембром речи говорящего человека. Это обеспечивает амплитудную модуляцию тока в линии связи.

Ключевой момент заключается в том, что приложенное к микрофону напряжение представляет собой внешний источник электрической энергии. Изменения величины тока в линии несут в себе энергию, которая значительно превышает исходную акустическую энергию, поступившую в микрофон. Таким образом, за счет использования внешнего источника питания исходный акустический сигнал не просто преобразуется, а эффективно усиливается перед передачей на приемное устройство удаленного абонента, где происходит его обратное преобразование в звук.

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.