Emulator linii telefonicznej

Emulator linii telefonicznej jest urządzeniem służącym do testowania i uruchamiania układów współpracujących z linią telefoniczną (np. układy sterowania). Tego typu urządzenie stanowi praktycznie prostą centralę telefoniczną, z którą można łączyć i testować „bezboleśnie” układy współpracujące docelowo z rzeczywistą centralą. Opisywany emulator linii został zaprojektowany i wykonany w ramach projektu przejściowego. Oprócz wymienionych w zastosowań może on również z powodzeniem być wykorzystany w laboratorium w ramach zajęć z podstaw telekomunikacji.

Symulacja linii telefonicznej

Dla prostych urządzeń linia telefoniczna oprócz medium transmisyjnego stanowi również źródło zasilania. W stanie spoczynkowym w linii tej może panować napięcie z zakresu 48-60 V. Zajęcie linii (związane z podniesieniem mikrotelefonu przez abonenta) powoduje przepływ prądu i spadek napięcia w linii do ok. 15 V. Napięcia nie są krytyczne, gdyż zależą od jakości linii i jej długości. Również nie zawsze w stanie spoczynkowym linii będzie ono wynosił 48 V. Praca z niższym napięciem spoczynkowym dotyczy zwłaszcza wszelkiego rodzaju linii radiowych, gdzie zasilanie znajduje się u abonenta, a fizyczna linia kończy się na ścianie budynku nadajnikiem radiowym. W prezentowanym urządzeniu napięcie spoczynkowe to 24 V, a zajęcie linii stwierdzane jest po wystąpieniu przepływu prądu. Należy również zapewnić generowanie podstawowych sygnałów centralowych oraz sygnału dzwonienia do abonenta wywoływanego. Sygnały centralowe to ton 400 Hz kluczowany w sposób pokazany na rysunku 1. Sygnał dzwonienia generowany jest przez bezpośrednie dołączenie urządzenia do napięcia przemiennego 45 V.

Nadawanie i odbiór sygnałów DTMF

Do odbioru kodów cyfr wybieranych przez abonenta zastosowano scalony MT8888 będący nadajnikiem i odbiornikiem sygnałów DTMF.
Nadajnik DTMF generuje z wysoką dokładnością szesnaście standardowych par tonów kodu DTMF przy obecności minimalnych zniekształceń. Wszystkie częstotliwości są pochodnymi od częstotliwości 3,578545 MHz ustalanej za pomocą zewnętrznego rezonatora kwarcowego. Sinusoidalne kształty fal poszczególnych tonów są syntezowane cyfrowo, przy użyciu programowanych dzielników i przełączanych kondensatorów przetwornika C/A. Poszczególne częstotliwości niskiego i wysokiego zakresu są mieszane i filtrowane dostarczając precyzyjny kod DTMF o małej zawartości harmonicznych.
Poszczególnym tonom DTMF przypisane są częstotliwości z dolnego (fLOW) i górnego (fHIGH) zakresu. Grupa niskich tonów zawiera następujące częstotliwości: 697 Hz, 770 Hz, 852 Hz i 941 Hz, zaś wysokich: 1209 Hz, 1336 Hz, 1477 Hz i 1633 Hz. Typowy stosunek amplitudy tonu wysokiego do niskiego to 2 dB.
Odbiornik DTMF. Rozdział pomiędzy tonami z grupy niskich i wysokich częstotliwości jest zapewniony poprzez zastosowanie za wzmacniaczem wstępnym dwóch filtrów o pasmach przenoszenia 350 Hz i 440 Hz. Wyjścia filtrów są dołączone do dwóch szesnastopozycyjnych przełączników kondensatorów, które przepuszczają tylko sygnały o poprawnych częstotliwościach. W celu zmniejszenia prawdopodobieństwa wykrycia niepożądanych sygnałów niskiego poziomu ograniczono wzmocnienie komparatorów porównujących. Kolejnym etapem rozpoznawania jest dekoder oparty na technice cyfrowego zliczania w celu określenia, czy przychodzący ton jest poprawnym kodem DTMF. Zastosowany algorytm cyfrowy chroni układ odbiornika przed pomyleniem z innymi dźwiękami (np. mowy). Został on opracowany dla zapewnienia optymalnego odseparowania rozmowy, trzeciego tonu (np. od interferencji) oraz szumu od rozpoznawanych kodów. Jeśli układ rozpozna obecność dwóch poprawnych tonów (czyli spełniony jest warunek sygnału) następuje zgłoszenie tego faktu zboczem opadającym na linii IRQ.

Budowa emulatora

Schemat blokowy emulatora linii telefonicznej pokazano na rysunku 2. Oprócz wymienionych bloków zawiera on jeszcze jeden bardzo przydatny w rożnych testach – wzmacniacz akustyczny z głośnikiem. Służy on do „podsłuchiwania” tego, co dzieje się w linii bez trzymania mikrotelefonu przy uchu. Wzmocnienie tego wzmacniacza regulowane jest za pomocą potencjometru sterowanego cyfrowo. Jak widać na schemacie blokowym emulator składa się z kilku modułów współpracujących ze sobą. Ze względu na duże zróżnicowanie napięć i sygnałów propagujących się między poszczególnymi elementami oraz ograniczone wymiary obudowy postanowiono, że zostaną zaprojektowane dwie płytki drukowane. Na jednej ze płytek, tzw. analogowej, umieszczono 2 abonenckie zespoły liniowe (AZL), driver pośredniczący oraz blok zasilacza. Na drugiej „cyfrowej” płytce umieszczono mikrokontroler typu AT89S53 firmy Atmel, należący do rodziny MCS-51, wzmacniacz akustyczny, dekoder DTMF i złącza dla klawiatury i wyświetlacza. Okazało się jednak, że wybrany mikrokontroler ma niewystarczającą liczbę wyprowadzeń, aby wysterować wszystkimi peryferiami, dlatego dodano dwa rejestry przesuwające szeregowo–równoległe CMOS typu CD4094. Jeden z nich steruje sygnałami dla wyświetlacza LCD, a drugi poprzez driver załącza przekaźniki znajdujące się na dolnej „analogowej”płytce. Tym sposobem wyżej wymienione elementy obsługujemy tylko trzema liniami mikrokontrolera. Skomplikowało to nieco program sterujący obsługą wyświetlacza. Obie płytki połączone są za pomocą gniazd i wtyków sygnałowych oraz trzech śrub wraz ze słupkami dystansowymi. W ten sam sposób zamocowano wyświetlacz LCD. Całość po złożeniu szczelnie wypełnia wysokość i szerokość obudowy i nie musi być dodatkowo do niej mocowana. Ponadto oprócz przewodu zasilającego występuje tylko taśma przyłączająca transformator i klawiaturę. Program sterujący mikrokontrolerem napisano w środowisku Keil uVision. Realizuje on detekcję podniesienia mikrotelefonów, generacje sygnałów centralowych, sterowanie wyświetlaczem LCD, potencjometrem cyfrowym, dekoderem DTMF, przekaźnikami pola komutacyjnego oraz odczyt klawiatury matrycowej.