УЧЕБНЫЙ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЕМНИКА ДВУХЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ DTMF
TRAINING HARDWARE AND SOFTWARE TEST BED FOR THE STUDY OF THE CHARACTERISTICS OF A DUAL-FREQUENCY DTMF SIGNALS RECEIVER

Изобретение относится к области обучающих устройств и может быть использовано для учебного исследования характеристик приемника двухчастотных сигналов DTMF (Dual-Tone Multi-Frequency), который широко используется в АТС, системах передачи сигнала поискового вызова, дистанционных системах управления, клавишных телефонных системах, автоответчиках, мобильных радиосистемах.
Известен универсальный лабораторный стенд для проведения лабораторных работ и научных исследований в области электроники, электротехники и атомной физики, описанный в [1] - RU 2418317 (С1), G09B 23/18, опубл. 10.05.2011. Недостатком стенда является отсутствие возможностей генерации, приема и индикации полученных двухчастотных сигналов DTMF, а также имитации помех.
Известен стенд для изучения гибридных электронных устройств, позволяющий проводить исследования динамики работы цифровых устройств и описанный в [2] - RU 2493609 (C1), G09B 23/18, опубл. 20.09.2013. Недостатком стенда является ограниченная функциональность - возможность исследования только простых цифровых и аналоговых электрических схем, преобразователей аналоговых сигналов в цифровой код и обратно (АЦП и ЦАП).
Известен стенд для изучения микроконтроллерных систем управления, обеспечивающий возможность построения и отладки не только программной составляющей системы, но и соответствующей ей аппаратной составляющей, и описанный в [3] - RU 2402822 (C1), G09B 23/18, опубл. 27.10.2010. Возможности данного стенда ограничены изучением электрических схем, имеющих в своем составе программируемые элементы в виде микроконтроллеров.
В наибольшей степени требованиям к стенду для исследования характеристик приемника двухчастотных сигналов DTMF отвечает выбранная в качестве прототипа учебная установка «Изучение приемника и передатчика DTMF сигналов», разработанная Центром «Учебная техника в телекоммуникациях» (Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, д. 61, пом. 220, http://www.cem.sut.ru/), структура и краткое описание которого представлены на сайте центра [4], а более подробное описание - в методических указаниях [5]. Аналогичную учебную установку выпускает также компания «Денар» [6]. Учебная установка, выбранная в качестве прототипа, предназначена для изучения двухтонального многочастотного DTMF-сигнала (код 2 из 8), аппаратных методов его формирования, передачи и приема. Установка позволяет определить пороговую чувствительность приемника DTMF-сигнала, измерить пороговое соотношение амплитуд сигналов верхней и нижней групп частот, определить временные параметры DTMF-сигнала. Установка выполнена в настольном корпусе. Она питается от сети с переменным напряжением 220 В, 50 Гц. На передней панели установки приводится ее структурная схема. На схеме выделен формирователь сигналов DTMF, демонстрирующий принцип получения двухтонального сигнала вызова с помощью генераторов гармонических колебаний верхней и нижней групп частот. Сигнал формирователя можно наблюдать на специальных гнездах с помощью осциллографа. Четырехразрядный параллельный двоичный код подается на входы передатчика сигналов DTMF. Выходные сигналы с тонального выхода передатчика, либо с выхода формирователя сигналов DTMF подаются на входы приемника сигналов DTMF. При этом сигнал формирователя проходит через аналоговый ключ, связанный с генератором импульсов управления. Приемник сигналов DTMF необходим для дешифровки и регистрации кодов сигналов вызова, полученных от генератора или формирователя. Приемник DTMF сигналов содержит блок полосовых фильтров 6-го порядка с переключаемыми конденсаторами для разделения верхней и нижней частотных составляющих входного сигнала. Выделенные составляющие подвергаются цифровой обработке, определяющей наличие в принятом сигнале составляющих нужной частоты, проверяющий их длительность и выдающий двоичный код на выходную шину. Сигналы, обнаруженные и выделенные приемником, в виде двоичного четырехразрядного кода подаются на дешифратор, нагруженный на цифровой индикатор принятого символа в десятичной системе счисления. Специальный выход приемника подключен к шине управления и светодиоду для индикации приема цифры двухчастотного сигнала. К входам приемника с помощью специальных ключей может быть подключена дополнительная RC-цепь для снижения нижнего порога длительности обнаруживаемых DTMF-импульсов. Имеется возможность наблюдать с помощью осциллографа форму выходного напряжения генератора двухчастотных сигналов DTMF с контролем принятого символа на цифровом индикаторе. Определение пороговой чувствительности приемника осуществляется вращением ручки переменного резистора, с помощью которого производится изменение уровня напряжения на входе приемника до величины, при которой появляется сигнал на выходе приемника. Измерение порогового соотношения амплитуд сигналов верхней и нижней групп частот осуществляется вращением ручки переменного резистора, с помощью которого производится изменение уровня выходного напряжения генератора верхней или нижней групп частот до уровня, при котором сигнал DTMF перестанет приниматься приемником. Определение временных параметров сигнала DTMF осуществляется переключателем режима работы аналогового ключа, с помощью которого осуществляется переход в режим импульсного управления и вращением ручки регулировки уменьшается длительность импульса управления до значения, при котором приемник перестает фиксировать входной сигнал. Вращением ручки регулировки длительности управляющих импульсов необходимо максимально увеличить их длительность, при этом приемник перестает фиксировать паузы между импульсными сигналами DTMF, а светодиод на выходе приемника горит постоянно.
Таким образом, стенд-прототип позволяет исследовать приемник двухчастотных сигналов DTMF с использованием большого числа ручных операций (коммутации соединительными шнурами, включение тумблеров, вращение переменных резисторов) и грубых ручных регулировок параметров генерируемых двухчастотных сигналов, а также требует подключения дополнительных дорогостоящих приборов - двухлучевого осциллографа и вольтметра. В стенде-прототипе нет возможности определения пороговой чувствительности приемника по отклонению частоты сигнала DTMF от эталонного значения и определения наихудшего соотношения сигнал/шум, при котором приемник продолжает корректно принимать цифры номера. Конструктивное исполнение учебной установки в виде настольного стенда и использование двухлучевого осциллографа и вольтметра требует значительной площади на учебном столе. Кроме этого необходимо электропитание стенда и осциллографа от сети с переменным напряжением 220 В, 50 Гц, что повышает требования по электробезопасности при работе с учебной установкой. Все это ограничивает функциональные возможности учебной установки и усложняет исследование характеристик приемника двухчастотных сигналов DTMF, а также значительно повышает ее стоимость.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение заключается в расширении функциональных возможностей стенда для исследования характеристик приемника двухчастотных сигналов DTMF, повышение наглядности исследуемых процессов, упрощение проведения учебных исследований.
Данная задача достигается за счет того, что учебный аппаратно-программный стенд для исследования характеристик приемника двухчастотных сигналов DTMF состоит из компьютера со звуковой картой и программным обеспечением звукового редактора для генерации двухчастотных сигналов DTMF и имитации помех и аппаратного блока приемника двухчастотных сигналов DTMF, реализованного по типовой схеме с использованием микросхемы отечественного производства или любого зарубежного аналога, описанной в технической литературе, например в [7].
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение функциональных возможностей стенда, повышение наглядности исследуемых процессов, упрощение проведения исследований.
На фиг. 1 изображена структурная схема стенда, на фиг. 2 - внешний вид блока приемника двухчастотных сигналов DTMF.
Сущность изобретения и его реализуемость поясняются структурной схемой, представленной на фиг. 1. Учебный аппаратно-программный стенд для исследования характеристик приемника двухчастотных сигналов DTMF состоит из компьютера 1 со звуковой картой с установленным в нем программным обеспечением звукового редактора, выполняющего роль генератора двухчастотных сигналов DTMF и имитатора помех, и аппаратного блока 2 приемника двухчастотных сигналов DTMF на базе типовой микросхемы приемника DTMF (например, отечественная КР1008ВЖ18 или зарубежные аналоги MT8870DE, MV8870-1DP, МТ8870, НМ9270, КТ3170), имеющего 7-ми сегментный индикатор 3 для визуального отображения принятой цифры и светодиод 4 для отображения факта принятия цифры номера. Блок приемника двухчастотных сигналов DTMF (фиг. 2) соединяется аудиокабелем 5 с разъемом Jack 3.5 с выходом звуковой карты компьютера и кабелем 6 с любым разъемом USB компьютера для питания блока напряжением 5 Вольт.
Работа с заявляемым стендом осуществляется следующим образом. С помощью любого программного обеспечения звукового редактора (в выполненных экспериментах использовалась свободно распространяемая программа Wavosaur, которую можно скачать с сайта www.wavosaur.com) осуществляется генерация необходимого двухчастотного сигнала DTMF путем микширования сигналов двух отдельных частот верхней и нижней групп частот кода «2 из 8» и программной установкой всех необходимых параметров двухчастотного сигнала (частоты, амплитуды, длительности). Временную диаграмму сигналов отдельных частот и суммарного двухчастотного сигнала можно наблюдать на экране монитора компьютера. Полученный двухчастотный сигнал с выхода звуковой карты с помощью аудиокабеля с разъемом Jack 3.5 подается на вход аппаратного блока приемника DTMF. После декодирования двухчастотного сигнала принятый символ кода DTMF отображается на 7-ми сегментном индикаторе. Факт принятия символа отображается миганием специального светодиода приемника. Для проверки правильности работы приемника в условиях наличия шума можно использовать программное микширование двухчастотного сигнала DTMF с любым другим мешающим сигналом (в выполненных экспериментах использовалась предварительно записанный на компьютер аудиофайл телефонных переговоров). С помощью данного стенда можно исследовать следующие характеристики приемника двухчастотных сигналов DTMF: пороговая чувствительность приемника по отклонению отдельных частот сигнала DTMF от эталонного значения; минимальная пороговая длительность сигнала DTMF, начиная с которого приемник перестает принимать сигнал; минимально возможная пауза между сигналами DTMF, при которой приемник определяет раздельно несколько цифр номера; наименьшая амплитуда сигнала, которую может детектировать приемник DTMF; наихудшее соотношение сигнал/шум, при котором приемник продолжает корректно принимать цифры номера.
Анализ уровня техники показывает, что не известен стенд, которому присущи признаки, идентичные всем существенным признакам данного изобретения. Это свидетельствует о новизне предложенного изобретения.
ЛИТЕРАТУРА
1. RU 2418317 (C1), G09B 23/18, опубл. 10.05.2011.
2. RU 2493609 (C1), G09B 23/18, опубл. 20.09.2013.
3. RU 2402822 (C1), G09B 23/18, опубл. 27.10.2010.
4. Изучение приемника и передатчика DTMF-сигналов [электронный ресурс]. URL: http://www.cem.sut.ru/training-equipment/dtmf-receiver/
5. Телекоммуникации // Методические указания к лабораторным работам с применением учебных лабораторных комплексов NI ELVI [электронный ресурс]. URL: http://www.lib.susu.ac.ru/ftd?base=SUSU_METHOD&key=000432554&dtype=F&etype=.pdf.
6. Учебная установка «Изучение приемника и передатчика DTMF сигналов» [электронный ресурс]. URL: http://www.denar-prof.ru/products/1215.
7. Кизлюк А.И. Справочник по устройству и ремонту телефонных аппаратов зарубежного и отечественного производства, 3-е изд. - М.: Библион, 1997, с. 160.