Extracción de DTMF en líneas telefónicas analógicas

El presente artículo muestra cómo implementar un circuito electrónico para poder hacer una lectura limpia de tonos DTMF de una línea telefónica cualquiera, sin introducir ruido o impedancias de carga.

Un problema frecuente, al trabajar con líneas telefónicas analógicas, consiste en poder hacer una extracción clara de los tonos DTMF, que permiten obtener los dígitos marcados, en este tipo de líneas.

La soluciones más común consiste en usar el clásico MT8870 y conectar su entrada, a través de su correspondiente condensador de desacoplo, directamente a la línea telefónica, como se muestra en la siguiente figura:

Pero esta solución solo funcionará bien si la línea telefónica y el circuito digital tienen la misma referencia de tierra o cuando se alimente al circuito, enteramente con baterías, sin conexiones externas.

En la práctica, la línea telefónica viene desde las centrales telefónicas con una referencia a tierra y los circuitos electrónicos son alimentados con fuentes que son conectados directamente a la línea eléctrica y no tienen conexión a pozo de tierra (Ver http://blog.pucp.edu.pe/blog/tito/2018/03/02/aislamiento-en-la-linea-electrica/).

Esto originará que el circuito lea la señal DTMF con cierto rizado (con sus armónicos incluidos) y ruido, que en algunos casos hace que la decodificacion DTMF se haga de forma limitada o simplemente falle.

Lo que es peor, este tipo de circuitos, no solo lee los tonos DTMF con rizado, sino que el mismo circuito introducirá un rizado molesto que puede ser oído en la misma línea, cuando se realiza la conversación telefónica.

El siguiente circuito soluciona este problema, usando optoacopladores en serie con la línea telefónica para extraer audio de la línea, con un alto nivel de aislamiento, de modo que las interferencias  son despreciables, independientemente de la referencia eléctrica que tenga el circuito.

Este diseño está basado en un artículo previo (http://blog.pucp.edu.pe/blog/tito/2013/06/01/electr-nica-audio-por-optoacoplador-4n35-parte-2/) en donde muestro una configuración de audio con el 4N35:

Para  este diseño, la entrada del optoacoplador se conectará en serie con la línea telefónica, así que solo funcionará en el estado de “teléfono descolgado”, que es cuando realmente se pueden generar tonos de marcación.

Como la corriente de la línea telefónica puede cambiar de polaridad, se hace necesario usar dos optoacopladores en antiparalelo para poder hacer la lectura en todos los casos.

Usar dos optoacopladores, nos permitirá, adicionalmente, detectar el sentido de la corriente y también el cambio de polaridad, como información adicional. De modo que, con una leve modificación, el circuito servirá también para detectar los estado de “teléfono descolgado” y “llamada contestada”.

Debe hacerse notar que encontrar el diseño final de este circuito, que permitiera un decodificación limpia y confiable requirió muchas sesiones de ensayo y error. El circuito básico sufrió varias modificaciones posteriores, cada una para resolver alguna falla encontrada en las pruebas.

Una de las mayores dificultades encontradas en el diseño, fue lograr la extracción de DTMF de manera segura, y obtener adicionalmente las señales digitales que indiquen la polaridad de la línea telefónica (A estas señales se les llamará P y D). Al usar la misma circuitería, se presentan problemas de interferencia en el funcionamiento de los circuitos.

El diseño final sería este:

Las líneas marcadas como P0 y D0, equivalen a las señales Py D que indican la polaridad de la línea.

Para lograr el objetivo, se definieron las siguientes premisas:

  • La señal DTMF se extrae de las mismas líneas P y D en el nivel bajo. Se tomará de los colectores de los transistores de salida de los optoacopladores.
  • El audio se extrae dependiendo del sentido de la línea en el punto P o D, pero no en ambos.
  • El audio se sobrepone al nivel bajo de la señal P o D que debe estar en 1.2V aproximadamente.
  • El audio no debe superar los 1.6V p-p para evitar salir de la región activa.

El audio se extrae cuando la conducción de corriente hace que uno de los transistores de OPT1 u OPT2, conduzcan.

Para evitar que los transistores pasen a saturación se aplica una salida de corriente a través de Q3 de manera que se logre un voltaje Vce de 1.2V. Este valor se logra con ayuda de una referencia de 1.8V en los emisores de Q1 y Q2.  Cuando el Voltaje emisor-base de Q1 o Q2 alcancen los –0.6V, se producirá una polarización que hará conducir al transistor afectado generando también la conducción de Q3.

Este control realimentado es de tipo Proporcional Integral. Para retardar el tiempo de respuesta se usa el filtro C2 a la base de Q3.

El voltaje de 1.8V como referencia es crítico. Por encima de este valor, se podría tener un nivel lógico bajo de más de 1.2V a la salida de las líneas P y D, lo que puede ocasionar error al momento de interpretar el valor real de P y D. Sin embargo, bajar el nivel de 1.8V es aún más delicado, porque genera demasiada distorsión en el audio extraído, lo que origina fallas en la detección DTMF. El voltaje de referencia de 1.8 voltios se puede obtener de un divisor resistivo con filtro. Si se usara una fuente de referencia externa de 1.8V, esta debe tener suficiente capacidad de carga para mantenerse estable sobre todo si esta fuente se comparte con otros circuitos.

Como la conducción de OPT1 y OPT2 se producen de manera complementaria, no es necesario usar 2 transistores para mantener en región activa la salida de los optoacopladores. Basta con usar un sólo transistor Q3. Cuando OPT2 se encuentre conduciendo, OPT1 no lo estará, y la activación de Q3 no lo afectará. Inclusive se podría evitar usar el par Q1 y Q2, usando sólo un transistor con dos diodos en la base, pero en este caso se debe variar el voltaje de referencia de 1.8V.

Sin embargo, como las bases de los transistores de salida de los optoacopladores se encuentran unidos por la red  R5-R6, se hace necesario la presencia de C9 para evitar picos transitorios en los cambios de estado de una de las ramas del circuito. Si no se tuviera C9, al momento de que uno de los niveles P ó D cambiara de estado, podría afectar a la otra rama, creando un transitorio de voltaje por efecto de los picos de corriente que pasarían a través de R5-R6.  Estos transitorios harían que el software del NILO-m interpretara mal los estados de P y D e indicaría una llamada contestada en muchos casos en que simplemente se descuelga y cuelga el auricular. El valor de 22u es más o menos crítico. Incrementarlo o decrementarlo, afecta a la correcta detección DTMF.

El nivel bajo cae a 1.2V aproximadamente pero sobre este nivel aparece modulada, débilmente la señal de audio del teléfono. Esta señal es luego introducida por medio de los condensadores de desacoplo C5 y C6 de 100n, a la entrada del decodificador MT8870.

El valor de C5 y C6 está en un punto más o menos crítico. Si se aumenta, se podría dejar pasar demasiada componente de baja frecuencia que retardaría la detección DTMF en el MT8870. Un valor más bajo podría bajar el nivel de audio que se requiere para la detección.

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