Система сигнализации DTMF: от импульсного набора к Touch Tone

Введение

Система телекоммуникационной сигнализации

Двойная тоновая многочастотная сигнализация (DTMF) — это система телекоммуникационной сигнализации, использующая полосу голосовых частот по телефонным линиям между телефонным оборудованием, другими устройствами связи и коммутационными центрами. DTMF была впервые разработана в Bell System в Соединенных Штатах и стала известна под торговой маркой Touch Tone для использования в телефонах с кнопочным набором, поставляемых абонентам, начиная с 1963 года. DTMF стандартизована как Рекомендация ITU-T Q.23. В Великобритании она также известна как MF4. Набор номера с помощью кнопочной клавиатуры телефона постепенно заменил использование дисковых номеронабирателей и стал отраслевым стандартом в телефонии. Другие многочастотные системы также используются для сигнализации на магистральных линиях телефонной сети.

Многочастотная сигнализация

До появления DTMF пользователи набирали телефонные номера с помощью разрыва цепи (LD), более известного как импульсный набор (импульсный диск, DP) в Соединенных Штатах. Он функционирует путем прерывания тока в локальной петле между телефонной станцией и телефоном вызывающей стороны с определенной частотой с помощью переключателя в телефоне, который приводится в действие вращающимся диском при его возврате в исходное положение после поворота к каждой желаемой цифре. Оборудование станции реагирует на импульсы набора либо напрямую, управляя реле, либо сохраняя номер в регистре цифр, который записывает набранный номер. Физическое расстояние, на котором был возможен этот тип набора, было ограничено электрическими искажениями и был возможен только на прямых металлических линиях между конечными точками. Для совершения звонков на большие расстояния требовалась либо помощь оператора, либо специальное оборудование для автоматического междугороднего набора. Операторы использовали более ранний тип многочастотной сигнализации. Многочастотная сигнализация (MF) – это группа методов сигнализации, использующих комбинацию двух чистых тонов (чистых синусоидальных волн). Различные протоколы MF-сигнализации были разработаны Bell System и CCITT. Самые ранние из них предназначались для внутриполосной сигнализации между коммутационными центрами, где операторы междугородней связи использовали 16-значную клавиатуру для ввода следующей части номера телефона вызываемого абонента, чтобы связаться со следующим оператором междугородней связи. Эта полуавтоматизированная сигнализация и коммутация оказались успешными как по скорости, так и по экономической эффективности. Основываясь на этом предыдущем успехе использования MF специалистами для установления междугородних телефонных соединений, была разработана двухтоновая многочастотная сигнализация для сигнализации конечных пользователей без помощи операторов. Система DTMF использует набор из восьми звуковых частот, передаваемых попарно, для представления 16 сигналов, соответствующих десяти цифрам, буквам A–D и символам # и *. Поскольку сигналы являются слышимыми тонами в диапазоне частот речи, они могут передаваться через электрические повторители и усилители, а также по радио- и микроволновым каналам, что устраняет необходимость в промежуточных операторах на междугородних линиях. AT&T описала продукт как «метод тонального набора со станций абонентов с использованием канала передачи голоса». Чтобы предотвратить помехи от потребительских телефонов маршрутизации и коммутации на основе MF между телефонными станциями, частоты DTMF отличаются от всех ранее существовавших протоколов MF-сигнализации между станциями: MF/R1, R2, CCS4, CCS5 и других, которые впоследствии были заменены цифровой сигнализацией SS7. В системе Bell DTMF была известна под торговой маркой Touch Tone. Термин был впервые использован AT&T в коммерческих целях 5 июля 1960 года и представлен общественности 18 ноября 1963 года, когда первый телефон с кнопочным набором стал доступен для публики. Являясь материнской компанией Bell Systems, AT&T владела торговой маркой с 4 сентября 1962 года по 13 марта 1984 года. Она стандартизована Рекомендацией ITU-T Q.23. В Великобритании она также известна как MF4. Другие производители совместимого телефонного оборудования называли функцию Touch Tone тональным набором или DTMF. Automatic Electric (GTE) называла ее «Touch calling» в своих маркетинговых материалах. Другие торговые названия, такие как Digitone, использовались Northern Electric Company в Канаде. Как метод внутриполосной сигнализации, сигналы DTMF также использовались кабельными телевещателями в качестве сигнальных тонов для указания времени начала и окончания вставки местной рекламы во время перерывов в эфире для кабельных компаний. До разработки оборудования для внеполосной сигнализации в 1990-х годах быстрые, неподтвержденные последовательности тонов DTMF можно было услышать во время рекламных пауз кабельных каналов в Соединенных Штатах и других странах. Ранее наземные телевизионные станции использовали тоны DTMF для управления удаленными передатчиками. В IP-телефонии сигналы DTMF также могут передаваться как внутриполосными, так и внеполосными тонами или даже как часть протоколов сигнализации, при условии, что обе конечные точки согласуют общий подход.

Before the development of DTMF, telephone numbers were dialed by users with a loop disconnect (LD) signaling, more commonly known as pulse dialing (dial pulse, DP) in the United States. It functions by interrupting the current in the local loop between the telephone exchange and the calling party's telephone at a precise rate with a switch in the telephone that is operated by the rotary dial as it spins back to its rest position after having been rotated to each desired number. The exchange equipment responds to the dial pulses either directly by operating relays or by storing the number in a digit register that records the dialed number. The physical distance for which this type of dialing was possible was restricted by electrical distortions and was possible only on direct metallic links between end points of a line. Placing calls over longer distances required either operator assistance or provision of special subscriber trunk dialing equipment. Operators used an earlier type of multi frequency signaling. Multi frequency signaling (MF) is a group of signaling methods that use a mixture of two pure tone (pure sine wave) sounds. Various MF signaling protocols were devised by the Bell System and CCITT. The earliest of these were for in band signaling between switching centers, where long distance telephone operators used a 16 digit keypad to input the next portion of the destination telephone number in order to contact the next downstream long distance telephone operator. This semi automated signaling and switching proved successful in both speed and cost effectiveness. Based on this prior success with using MF by specialists to establish long distance telephone calls, dual tone multi frequency signaling was developed for end user signaling without the assistance of operators. The DTMF system uses a set of eight audio frequencies transmitted in pairs to represent 16 signals, represented by the ten digits, the letters A to D, and the symbols # and *. As the signals are audible tones in the voice frequency range, they can be transmitted through electrical repeaters and amplifiers, and over radio and microwave links, thus eliminating the need for intermediate operators on long distance circuits. AT&T described the product as "a method for pushbutton signaling from customer stations using the voice transmission path". In order to prevent consumer telephones from interfering with the MF based routing and switching between telephone switching centers, DTMF frequencies differ from all of the pre existing MF signaling protocols between switching centers: MF/R1, R2, CCS4, CCS5, and others that were later replaced by SS7 digital signaling. DTMF was known throughout the Bell System by the trademark Touch Tone. The term was first used by AT&T in commerce on July 5, 1960, and was introduced to the public on November 18, 1963, when the first push button telephone was made available to the public. As a parent company of Bell Systems, AT&T held the trademark from September 4, 1962, to March 13, 1984. It is standardized by ITU T Recommendation Q.23. In the UK, it is also known as MF4. Other vendors of compatible telephone equipment called the Touch Tone feature tone dialing or DTMF. Automatic Electric (GTE) referred to it as "Touch calling" in their marketing. Other trade names such as Digitone were used by the Northern Electric Company in Canada. As a method of in band signaling, DTMF signals were also used by cable television broadcasters as cue tones to indicate the start and stop times of local commercial insertion points during station breaks for the benefit of cable companies. Until out of band signaling equipment was developed in the 1990s, fast, unacknowledged DTMF tone sequences could be heard during the commercial breaks of cable channels in the United States and elsewhere. Previously, terrestrial television stations used DTMF tones to control remote transmitters. In IP telephony, DTMF signals can also be delivered as either in band or out of band tones, or even as a part of signaling protocols, as long as both endpoints agree on a common approach to adopt.

Декодирование

DTMF изначально декодировался с помощью настроенных фильтров. К концу XX века обработка цифровых сигналов стала преобладающей технологией для декодирования. Алгоритмы декодирования DTMF обычно используют алгоритм Герцеля, однако применение алгоритма MUSIC к декодированию DTMF показало лучшие результаты, чем у алгоритма Герцеля, и является единственной возможностью в случаях, когда число доступных отсчетов ограничено. Поскольку сигнализация DTMF часто передается в одной полосе частот с речью или другими одновременно присутствующими звуковыми сигналами, определение сигнала DTMF включает в себя строгие ограничения по времени (минимальная длительность и интервал между цифрами), отклонениям частоты, гармоникам и амплитудному соотношению двух компонентов друг относительно друга (перекос).