Tonos duales de multifrecuencia (DTMF). Caractersticas generales.DTMF significa: Tonos Duales de multifrecuencia. Una seal DTMF generada por cualquier dispositivo, es en s la suma de dos ondas sinusoidales con diferentes frecuencias. Un sistema de este tipo (como el del telfono) usa pares de tonos para representar los diferentes nmeros del teclado, es decir, existe un par de tonos asociado a cada botn, un tono bajo y un tono alto. En la figura siguiente se muestra la distribucin de frecuencias en un teclado completo, los tonos bajos varan con la lnea horizontal, mientras que los tonos altos lo hacen con la vertical. 1209 Hz. 697 Hz. 1 1336 Hz. ABC 2 770 Hz. GHI 4 852 Hz. PRS 7 941 Hz. * JKL 5 TUV 8 Oper 0 Diagrama de distribucin de los pares de frecuencia para DTMF. 1477 Hz. DEF 3 MNO 6 WXY 9 # D C B 1633Hz. A

Tipos de cdigos.

Los tonos DTMF se dividen en dos tipos de cdigos; el cdigo estndar y el extendido. El cdigo estndar de DTMF comprende los nmeros (0-9) y los smbolos * y #; mientras que el cdigo extendido agrega al cdigo estndar las letras (A-D). Sin duda el cdigo estndar es el ms usado en la industria, principalmente por su aplicacin en los telfonos; en nuestro pas, se ha incrementado el uso de los tonos gracias a la conversin de lneas analgicas por digitales, permitiendo aplicaciones de seleccin automtica de opciones en empresas bancarias, as como en el servicio informacin a clientes y/o usuarios de empresas principalmente. El cdigo extendido fue creado en la red telefnica Autovon del ejercito de los Estados Unidos. El uso que se le daba a este cdigo era para establecer un nivel de prioridad en la llamada (siendo A el ms alto nivel de prioridad), permitiendo as cortar una llamada, de cierta lnea telefnica, con un cierto nivel de prioridad menor al de la llamada entrante. Actualmente estos botones se usan principalmente en aplicaciones especiales como repetidores de radio amateur para su control de sealizacin. Los MODEMs y los circuitos de DTMF estn tendiendo a incluir estos tonos, aunque todava no estn siendo usados en servicios pblicos generales, por lo pasarn aos antes de que estos tonos se puedan usar en lneas de servicios de informacin a clientes (entre otros), debido a que dichos sistemas deben ser compatibles con el cdigo de 12 dgitos. De la figura anterior podemos observar que cuando se presiona el nmero 3 (por ejemplo) se genera una suma de dos ondas sinusoidales con frecuencias de 697 y 1477 Hz. Respectivamente, que son las que representan a dicho nmero. De esta manera cualquier sistema puede decodificar un nmero a travs de sus frecuencias asignadas. Las frecuencias de los tonos fueron diseadas para evitar armnicos y otros problemas que pueden surgir cuando dos tonos son enviados y recibidos. Es muy importante asegurar una transmisin y recepcin precisa, libres de errores en el proceso de comunicacin de transmisor-receptor para que un sistema funcione

adecuadamente, por lo que los tonos deben estar en un rango de 1.5% de su valor nominal, la frecuencia alta debe estar, por lo menos, al mismo nivel de potencia que la frecuencia baja; aunque es recomendable que la frecuencia alta est 3 dB por arriba de la frecuencia baja, con un mximo de 4 dB . Los decodificadores de DTMF ms usados, generan un cdigo binario en su salida, que corresponde al nmero captado a travs de su entrada analgica. Formas de onda. Con el fin de enfatizar la diferencia entre las diferentes seales DTMF, a continuacin se muestra la forma de onda para la suma de cada par de tonos del cdigo estndar: 1 2

3

4

5

6

7

8

9

0

*

#

Forma de onda de tonos del cdigo estndar. Cabe mencionar que debido a las caractersticas de los tonos DTMF, se pueden utilizar en sistemas de transmisin cuyos requerimientos nos conduzcan a la necesidad de dispositivos confiables (almbricos e inalmbricos). Adems se observa la versatilidad que tienen intrnsecos los tonos DTMF, por lo que pueden ayudar para que un sistema adopte esas mismas caractersticas multitareas. Parmetros Frecuencia de seales. Valores Grupo bajo: 697, 770, 852, 941 Hz. Grupo alto: 1209, 1336, 1477, 1633 Hz. Tolerancia de frecuencia. Niveles de potencia por frecuencia. Diferencia de potencia entre seales. Duracin mnima de la seal. Pausa mnima entre dgitos. Tolerancia al ruido. < 1.8% 0 a 25dBm. +4dB a 8dB. 40 ms (para ser aceptada). 40ms. -12dB.

Nivel alto de voltaje de entrada mnimo. 3.5 Volts. Nivel bajo de voltaje de entrada mximo. 1.5 Volts. Seal simulada por voz en el sistema. Para los cdigos 0-9, 1 falsa por cada 3000 llamadas. Para los cdigos 0-9, *, #, 1 falsa por cada 2000 llamadas. Para los cdigos 0-9, *, #, A-D, 1 falsa por cada 1500 llamadas. Debe tolerar ecos retrasados ms de 20ms. Y con al menos 10 dB de atenuacin.

Interferencia por ecos.

Parmetros principales de los DTMF. Al ser utilizados los DTMF en sistemas telefnicos, es muy importante que se eviten los errores por simulacin de voz, ya que como vemos en la siguiente figura, algunas frecuencias utilizadas por el sistema corresponden al rango de frecuencias cubiertas por la voz. Se conoce que las frecuencias ms bajas alcanzadas por la voz humana son del orden de 80 Hz, mientras que un soprano puede alcanzar frecuencias de hasta 1200Hz.

Espectro de los DTMF y de la voz humana. Con el objeto de tener una mejor idea del comportamiento de la seal y de sus caractersticas, se procedi a simular en PSpice la generacin de tonos con los parmetros antes mencionados, utilizando para ello y como ejemplo el nmero uno; Las grficas obtenidas no estan disponibles. Primero se muestra la forma de onda y el espectro de la suma de seales, posteriormente se simula la mxima desviacin de frecuencia donde se observa que el nivel de voltaje de una seal con respecto de la otra vara en el orden 50mV (la variacin es considerable), la grfica siguiente muestra la mxima diferencia de potencia entre tonos (con el tono alto de 1208Hz, 4 dB por arriba del tono bajo de 697Hz, analizando el voltaje en la seal); se observa que el nivel de voltaje vara mucho. La variacin de voltaje con respecto de la potencia, se puede constatar de forma ms clara viendo el espectro de la seal. Finalmente, se muestra la forma y duracin mnima de la seal para ser aceptada por el CI 8870, en esta se observa que la seal conserva ciertos rasgos parecidos cada 5.79ms aproximadamente, sin embargo el nivel de voltaje entre muestra y muestra vara considerablemente. En est punto se puede entender porque algunos dispositivos detectores de tonos utilizan comparadores de fase para tal efecto.

Expresin matemtica.Tambin surgi la necesidad de obtener una expresin matemtica para representar a los DTMF, con el fin de poder establecer una estrategia ms eficaz para decodificar DTMF con software, por lo que se realiz el siguiente anlisis: Sabemos que los DTMF son una suma de frecuencias del tipo:

Por lo que partimos de la identidad trigonomtrica

De esta manera

Se debe cumplir que

Por lo tanto

Entonces

Sustituyendo u y v en trminos de A y B tenemos

Sabemos que A y B estn en radianes, por lo que despejando tenemos:

(1) Donde A y B son las frecuencias bajas y altas de las normas DTMF mencionadas anteriormente en Hertz. Para corroborar los resultados obtenidos, se utiliza la ecuacin 1 para graficar en Matlab y ver la similitud con las simulacin hecha en Workbench para mostrar la forma de onda de los DTMF, obteniendo los siguientes resultados:

Comparacin de resultados en Matlab y Workbench. Finalmente proporciono acceso a documentos importantes del tema: Especificaciones Q.23 para DTMF Especificaciones Q.24 para DTMF Hoja de especificaciones (Datasheet) para el MT8870 Hoja de especificaciones (Datasheet) para el MT8880