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domingo, 14 de septiembre de 2014

Teléfonos DTMF (Dial Tone Multi Frquency)



Los teléfonos DTMF, también llamados teléfonos de discado por tonos, utilizan un teclado matricial en lugar del disco y  al pulsar cada tecla, envían dos tonos simultaneamente a la línea telefónica con destino a la Central Telefónica. Cada fila y cada columna del teclado tienen asignada una frecuencia diferente. De este modo, cada tecla tiene asignada una conbinación de un tono de la fila y de un tono de la columna a que pertenecen, que es única para cada tecla. Con este sistema se reemplaza al discado por pulsos con varias ventajas.

Antecedentes
El sistema de señalización DTMF fue desarrollado en los Laboratorios Bell a mediados de la década de 1960, como un sistema de discado más rápido (aproximadamente 10 veces), más versátil y más confiable que la antigua técnica de discado por pulsos con el disco giratorio.
El método DTMF es a menudo llamado discado por tonos, oTouch-Tone” (Tono por Tacto). Touch Tone es una marca registrada de AT&T. Esto se debe a que a mediados de los 60 la empresa Bell formaba parte de AT&T. Western Electric, que era proveedor y contratista de AT&T en esa época, también participó en el proyecto.
El DTMF fue desarrollado para líneas telefónicas analógicas. En Gran Bretaña es llamado MF4.
El DTMF fue estandarizado por la ITU – T, mediante la Recomendación Q.23.
El Estandar DTMF

Fig.1 – El teclado del estándar DTMF
Una señal estándar de DTMF consiste en un par de tonos de audio elegidos de un grupo de ocho frecuencias estandar. Estas frecuencias son divididas en dos grupos: un grupo de tonos bajos de cuatro frecuencias y un grupo de tonos altos de cuatro frecuencias. Una señal válida de DTMF consiste en la suma algebrica de un tono del grupo bajo y un tono del grupo alto.
Hay por lo tanto 16 (4 bajas x 4 altas) señales posibles de DTMF que pueden ser codificadas con las ocho frecuencias. Las cuatro frecuencias bajas estándar  son 697Hz, 770Hz, 852Hz y 941Hz y se denominan frecuencias de filas (row frequencies, en inglés) R1, R2, R3 y R4, respectivamente. Las cuatro frecuencias estándar altas son  1.209Hz, 1.336Hz, 1.477Hz y 1.633 Hz y se denominan  frecuencias de columnas (column frequencies, en inglés) C1, C2, C3 y C4, respectivamente.
Toda combinación de tonos DTMF puede ser generada usando un teclado matricial como el mostrado en la Fig.1.  Las frecuencias de DTMF y el layout del teclado mostrado en la Fig.1 son estándares internacionales.  A las frecuencias generadas por los generadores de DTMF solo se les admite una desviación respecto a los valores nominales de ± 1,5%.
Observe que todos estos tonos están dentro de la banda de voz del sistema telefónico (300Hz a 3.400Hz). La elección de las frecuencias de DTMF estándares no fue hecha de manera arbitraria. Los diseñadores del sistema DTMF pusieron mucha atención  y cuidado al seleccionarlas. Otros tonos que pudieran aparecer en la línea telefónica, tales como 3ras armónicas de los tonos de discado, o ruido de las líneas de energía debían estar fuera de la banda de DTMF. Entonces la más alta de las frecuencias estándar (1.633 Hz)  está por debajo de la tercera armónica de la frecuencia estándar más baja (697 Hz x3). Esta última, a su vez, está mucho más arriba que la 3ra armónica de la frecuencia de las líneas de energía (50Hz o 60Hz x3).
Los teléfonos convencionales que usan señalización DTMF  estan equipados con un teclado matricial 3x4 (de tres columnas x cuatro filas), representando los dígitos de 0 a 9 y los símbolos * (asterisco) y  # (numeral), que pueden ser usados para varios propósitos. Esta matriz de 3x4 representa las cuatro frecuencias de filas (R1 – R4) y las tres frecuencias más bajas de columnas (C1-C3).
Algunos teléfonos para fines especiales usan la cuarta columna, C4, aprovechando los cuatro símbolos A, B, C, D, a fin de codificar las 16 señales DTMF. Un ejemplo  sería el de los teléfonos que usaban algunos sistemas de llamada selectiva para comunicarse vía radio de VHF y phone-patch con los radios móviles.
La señalización DTMF, compuesta por dos tonos para cada tecla pulsada, es procesada y decodificada por un receptor de DTMF en la Central de la Compañía telefónica, conectando al abonado que llama con el que ha sido llamado. Una vez establecida esta conexión, el receptor de DTMF de la Central deja de participar en la comunicación entre las partes y los abonados quedan libres para enviarse señales DTMF entre ellos, recibirlas, escucharlas y decodificarlas. Los teléfonos no poseen decodificadores, pero si lo tienen los preatendedores y los IVR´s. No obstante, Ud puede comprobar esto invitando a su interlocutor durante una comunicación telefónica entre teléfonos comunes a pulsar alguna tecla de su teléfono y podrá oir el sonido de los dos tonos simultáneos que le llegarán. Lo mismo ocurrirá en sentido contrario.
Como es el teclado matricial
Un teclado matricial completo es como el que ilustra la Fig.2. Consta de interruptores accionados por las teclas. La función que realiza cada tecla al ser pulsada es la de conectar una fila con una columna. Por ejemplo la tecla indicada como SW1, al ser accionada, conecta la fila 1 con la columna 1. Del mismo modo la tecla SW6 conectará, al ser accionada, la fila 2 con la columna 3 y así para todas las demás teclas, que al ser pulsadas conectarán la fila con la columna a que pertenecen.

Fig.2 – Teclado matricial 4x4
 En la Fig 3 vemos un teclado del tipo telefono estandar donde no está presente la columna 4. Se indica en rojo el efecto de accionar la tecla correspondiente al número 1. En la Fig.4 vemos una animación, donde se ve lo que ocurre cuando se van pulsando las diferentes teclas.
Fig.3 – Teclado matricial de 3x4







Matrix keypad interfacing - Possible connections
Fig.4 – Discado en ejecución
                 
También existen teclados más complejos, pero no son normalmente usados en los teléfonos estandar en la actualidad. Por ejemplo, en  algunos teclados que se usaban en el pasado cada tecla accionaba dos interruptores. En las aplicaciones actuales en teléfonos se usan exclusivamente interruptores simples como los mostrados en las figuras 2 y 3.

Fig.5 – Teclado con “gomitas”
En cuanto al principio de funcionamiento eléctrico del teclado (Fig.5), es muy simple: la tecla acciona unas gomitas que tienen un recubrimiento conductor en la superficie que hace contacto con el circuito impreso y cierran electricamente las pistas de cobre de la plaqueta. Ud podrá comprobarlo apoyando las dos puntas de prueba del ohmetro de un tester sobre dos puntos de la superficie de la “gomita” y va a ver que tienen conducción. Por eso, cuando el teclado se pone “duro”, limpie con un algodón mojado en alcohol la superficie de la gomita y el impreso y el teclado se ablandará.



Los Codificadores de DTMF y los circuitos de los teléfonos
Teléfono Siemens SET-211

Fig.6 Teléfono Siemens SET-211
Este aparato, apto para Centrales Públicas, apareció en Córdoba, Argentina, a principios de la década del 90. Tiene un teclado DTMF estándar de 4 filas y 3 columnas. Tiene además dos pequeñas teclas: pausa y memoria, ubicadas en la parte superior del teclado DTMF, que no pertenecen a él, ni generan tonos. Cumplen funciones locales del teléfono, como son cortar momentaneamente el audio y memorizar un número discado. Ver Fig.6.
En la Fig.7 se puede ver el circuito de este teléfono. Aunque tiene pequeñas diferencias con el relevado por nosotros del aparato real, que se vendió en Argentina, las partes esenciales son idénticas. Consta de tres circuitos integrados: IC1(procesador del audio), IC2(generador y codificador de tonos) e IC3(circuito de campanilla).





Fig.7 – Circuito del teléfono Siemens SET-211. Haga click sobre la imagen para ampliar.
Las filas se representan con la letra X y las columnas con la letra Y. Los circuitos integrados IC1 (circuito de audio) e IC2 (el codificador de DTMF), son los mismos en el teléfono relevado. El  integrado IC3 que está en el teléfono es el LS1240, un generador de señal de campanilla, que reemplaza la campanilla electromecánica y acciona una campanilla piezoeléctrica. La señal de alterna de campanilla ingresa por el capacitor  de 1μFx250V y un contacto de la horquilla al circuito de campanilla (pata 8). La 4ta columna del teclado no está, como se puede apreciar en la Fig.6. De la 5ta columna del teclado, que no pertenece al teclado DTMF y que no tiene ninguna frecuencia asociada, solo se usan dos teclas: la de Pausa, que va conectada a la pata 19 y a la pata 18 del  integrado IC2 y la tecla de Memoria, que va conectada a la pata 19 y a la pata 17 del integrado IC2.
Las teclas 1, 2 y 3 van conectadas a la pata 18(X1) del integrado y a las patas 3(Y1), 2(Y2) y 1(Y3), respectivamente. El resto de las teclas de discado DTMF van conectadas a su correspondiente entrada de filas (X) y columnas (Y) que les corresponde. El integrado IC2 utiliza un resonador cerámico en lugar del cristal entre las patas 4 y 5 para obtener un valor estable de frecuencia en el oscilador interno, responsable de las frecuencias DTMF generadas, después de dividir su frecuencia.
El teléfono puede discar por tonos o por pulsos (dos velocidades), según como se posicione la llave S113, conectada a la pata 9(P) del IC2.
Los tonos generados por IC2 salen por la pata 8 e ingresan a IC1 por la pata 15, a través de un acoplamiento resistivo-capacitivo.
El puente de diodos D1, D2, D3, D4, cumple la función de entregar a los componentes electrónicos del teléfono siempre las polaridades de la manera necesaria para polarizarlos, independientemente de cómo se conecte el teléfono a la línea. Después de los diodos, el hilo inferior de la línea está conectado a la masa del circuito del teléfono
El circuito integrado IC1 maneja el audio de micrófono del teléfono mediante un compresor. Al audio de recepción lo toma por la pata  13 y lo amplifica convenientemente. La salida de audio de voz y de tonos, se realiza desde la pata 1 de IC1 directamente al hilo superior de la línea.
El MOS-FET BSS92(BSS101 en el circuito relevado), funciona como una llave para la corriente contínua de línea, que está siempre cerrada, abriendose únicamente para abrir la línea cuando se envía un pulso de discado, o cuando se hace un flash con la horquilla, necesario para transferir una llamada, cuando el teléfono se encuentra siendo usado como interno de una PABX. El Zener D5(12V), asegura que la tensión de polarización de los componentes del circuito no sobrepase nunca los 12V. En condiciones normales de funcionamiento esto no debería ocurrir, porque cuando la tensión de línea es de 48V, dicha tensión no llega a los componentes porque no se lo permiten los contactos de la horquilla y cuando el tubo está levantado, la tensión de línea es de 8V, pero el diodo Zener se ha puesto para evitar que una aparición fortuita de una tensión alta pudiera dañar el circuito.
Este teléfono esta discontinuado, es decir que no se fabrica más, pero desde el punto de vista didáctico es útil para entender los fundamentos del funcionamiento de un teléfono DTMF. Si Ud desea conocer más, en las referencias encontrará más información.
Teléfono Siemens Euroset 3005
Fig.8 – Teléfono Siemens Euroset 3005

El teléfono Siemens Euroset 3005 es una versión más moderna, que la del SET-211. En este caso todas las funciones(y otras nuevas) que antes se hacían con tres circuitos integrados son realizadas por uno solo (Fig.9). En la referencia [6] Ud encontrará toda la información necesaria para analizar este circuito. Creemos que tomando como base lo que vimos en el caso anterior y con un poco de paciencia logrará hacerlo con éxito.







Fig.9 – Circuito Teléfono Siemens Euroset 3005. Haga click sobre la imagen para ampliar
 Comentario Final
Son muchas las aplicaciones que Ud podrá hacer si domina la técnica DTMF. Estos conceptos se usan en muchos sistemas de control y transmisión de datos, además de en los teléfonos. Ud podrá, por ejemplo,  usar un código binario obtenido en forma automática de un lugar distinto que un teclado y codificarlo en DTMF, enviarlo a distancia por una línea analógica o digital, radio, etc y recuperarlo a la salida.
 Referencias
[6] -IL2533


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