GSM-шлюз с портом FXO

1. Для чего нужен GSM-шлюз

Телекоммуникационное устройство, позволяющее переводить трафик из проводных телефонных сетей в сети сотовой связи и обратно, называют GSM-шлюзом. Использование GSM-шлюза дает:

  1. удобную и дешевую связь пользователей стационарных телефонов в офисе с коллегами и клиентами, предпочитающими мобильные телефоны;
  2. руководителю фирмы всегда оставаться на связи с подчиненными;
  3. доступ с мобильных телефонов к сервисным функциям, предоставляемых офисной АТС (переадресация вызова, конференцсвязь и т.п.);
  4. телефонизацию удаленных объектов, на которых отсутствует телефонная линия.

Перечисленные возможности, получаемые от эксплуатации GSM-шлюза, можно дополнить возможностью установления сотовой связи там, где она запрещена. Собственно, это обстоятельство и стало побуждающим мотивом для разработки принципиальной схемы и сборки GSM-шлюза.

На РИС.1 показано применение GSM-шлюза в случае запрета проноса мобильных телефонов на территорию режимного предприятия:

Видно, что для связи с абонентом сотовой сети задействуются два участка – проводной и беспроводной. GSM-шлюз (SIM-карта с номером 987-654-32-1Y) устанавливается вне территории режимного предприятия, например, в квартире, и подключается к телефонной линии хозяина (номер Х76-54-32). Для вызова абонента сотовой сети (SIM-карта с номером 901-234-56-7Y) с рабочего места (номер Х23-45-67) сначала набирают телефонный номер городской АТС, к которому подключен шлюз. Шлюз занимает линию АТС и ожидает набора номера абонента сотовой сети. После набора номера происходит соединение. Так же, только в обратном порядке, для вызова абонента городской АТС абонент сотовой сети набирает сотовый номер GSM-шлюза. Шлюз после ответа на входящий вызов подключается к телефонной линии АТС. Вызывающий абонент сотовой сети, услышав сигнал «ответ станции» (непрерывный гудок), набирает номер абонента АТС (номер Х23-45-67). АТС производит соединение и ведется разговор. Таким образом, запрет на использование мобильной связи на территории предприятия соблюдается, следовательно, юридически нарушения режима нет.

Входящий вызов со стороны линии АТС от входящего вызова со стороны канала GSM отличается тем, что в первом случае на шлюз поступает вызов и затем происходит занятие линии АТС, а во втором случае сначала занимается канал GSM и только после этого на шлюз поступает вызывной сигнал.

В теме представлен вариант реализации GSM-шлюза, работающий по приведенному выше алгоритму. Название «Железный Феликс» дано шлюзу не случайно. Слово «железный» означает, что схема реализована исключительно на элементах жесткой логики без применения средств программирования. Имя Феликс имеет латинское происхождение и трактуется как «благополучный», «удачный» или «везунчик», т.е. шлюз позволяет связаться с абонентом сотовой сети с любого, даже запрещенного, места. Также указывается, что шлюз с портом FXO. Признаться, до просмотра литературы и материалов по теме в интернете, для меня не существовало никаких портов FXO или FXS. Все было по старинке: телефонная розетка на стене или линейный разъем на телефоне. Вероятно, эта аббревиатура начала появляться с 90-х годов, когда в страну стали ввозить буржуйские АТС и офисные мини станции. В интернете куча материала с подробным описанием разновидностей телефонных портов. Поэтому, только укажу, что разработанный шлюз через порт FXO подключают к телефонной линии АТС отдельно или параллельно телефонным аппаратам.

Посчитал, что немного подробнее рассказать о некоторых проблемах и нюансах, возникавших на этапе проектирования и при изготовлении устройства, будет совсем не лишне.

2. Что с помехами?

После просмотра в интернете вопросов и ответов на форумах по данной теме можно выделить две основные проблемы, с которыми сталкиваются разработчики GSM-шлюзов – это сильные наводки, возникающие в речевом тракте при активации GSM-модуля или сотового телефона-донора и трудности подавления эха своего голоса. На этапе разработки и проверки работы узлов шлюза с такими же проблемами столкнулся и я.

Первые варианты узлов управления клавиатурой сотового телефона, показанные на рисунках ниже (черновики), были выполнены на мультиплексорах. Отмечу, что «классический вариант» организации клавиатурной матрицы 3х4 (как в обычных проводных телефонах) встретился только в очень старенькой модели «MOTOROLA»:

В сотовом телефоне «FLY» организация клавиатуры была другой, поэтому коммутация выводов и управление мультиплексорами построено иначе:

Проверялись две модели «FLY» с одинаковым внешним видом, но с разными номерами в названии. Организация клавиатуры в телефонах одного модельного ряда может различаться. Ниже показано фото проверочного варианта с телефоном «FLY»:

На фото видно, что для передачи речевых сигналов используются экранированные провода, причем каждая жила экранирована отдельно. Спаянная «коробочка» из жести – попытка экранировки места подключения антенного кабеля. Подбиралась и точка подключения общего провода телефона к общему проводу схемы шлюза. Все эти меры ни к чему не приводили – от треска никак не получалось избавиться. Отмечена ярко выраженная зависимость уровня помех от формы изгиба проводов, от расстояния между телефоном и платами макета и даже от положения человека относительно рабочего стола. Приведу пример: сидя за столом, делаю звонок на проверочный макет шлюза с сотового телефона и после установления соединения провода укладываю таким образом, чтобы помехи стихли.

Аккуратно, не задевая проводов, встаю из-за стола, отхожу подальше и делаю второй звонок – громкие помехи как будто никуда и не исчезали. Экранировкой плат и сотового телефона также не удавалось избавиться от помех. По-видимому, когда минус питания схемы шлюза соединен с общим проводом сотового телефона, возникает некая петля обратной связи, и все помехи, вызванные работой сотового телефона, начинают проникать в разговорный узел шлюза. Помехи на несколько порядков удалось снизить гальванической развязкой сотового телефона от схемы шлюза.

При неудовлетворительном качестве противоместной схемы появляется второй вид помехи – речевой сигнал из приемного тракта канала GSM, предназначенный для передачи в телефонную линию, «просачивается» в тракт передачи и сильно мешает разговору. В телефонии прослушивание собственного голоса получило название «местный эффект». Для оценки уровня местного эффекта относительно уровня полезного сигнала и проверки качества его подавления, был собран несложный разговорный узел с простейшей схемой балансного моста:

Для устранения возможных наводок на разговорный узел сигналы на входы DA2 от GSM-телефона подаются по дифференциальной схеме. Усилитель DA2 преобразует дифференциальный сигнал в одиночный для транзистора VT1, модулирующего телефонную линию речевым сигналом.

В роли телефонной линии – эмулятор – линейный источник питания с Uвых=20…30V (Iвых не менее 100mA), резисторы R1-R4, конденсаторы C1 и C2. Резисторы устраняют шунтирующее влияние сглаживающих конденсаторов источника на речевое переменное напряжение и служат балластными сопротивлениями для ограничения постоянного тока, протекающего через разговорные схемы телефона и шлюза после «занятия линии АТС».

Конденсаторы пропускают только переменный ток речевого и DTMF-сигналов. Строение схемы эмулятора имитирует симметричную телефонную линию. При отладке схемы устройства без эмулятора не обойтись. Во-первых, не следует подключать не настроенную схему к реальной телефонной линии (может выйти себе дороже), во-вторых, очень удобно проверять речевой тракт и прохождение DTMF-посылок набираемого номера без риска «ошибиться номером» и, в-третьих, самое главное, современные осциллографы содержат импульсные источники питания. При подключении осциллографа в линии АТС появляется сильное низкочастотное гудение. На эмуляторе прохождение сигналов в схеме можно отслеживать любым осциллографом. После отключения шлюза от эмулятора и подключения его к реальной телефонной линии потребуется перенастройка противоместной схемы в разговорном узле.

Кнопочный проводной телефон ТА1 (желательно с режимом громкой связи) – абонент АТС, с которым связывается абонент сотовой сети через шлюз. Выключатель SA1 – имитация разговорного ключа для соединения шлюза с телефонной линией.

Регулировкой R9 удавалось снизить уровень речевого сигнала, но полностью избавиться от «эха» не получалось. Настройка подавления местного эффекта зависит от комплексного сопротивления реальной телефонной линии, на которой будет работать шлюз. Противоместные схемы на операционных усилителях, работающие по принципу вычитания сигнала (или подавления синфазного сигнала), требуют установки элементов с очень малым разбросом параметров и, как следствие, кропотливой и тонкой настройки. Микросхемы, разработанные для речевых трактов телефонных аппаратов и работающие с внешним балансным мостом, допускают негромкое прослушивание своего голоса (некоторые типы микросхем внутрисхемно содержат усилители сигнала самопрослушивания). Для кардинального решения проблемы отказался от режима «дуплекс», при котором оба собеседника могут одновременно разговаривать и слушать.

В разговорном узле шлюза применил микросхему, управляемую голосом, специально разработанную для телефонных аппаратов, поддерживающих громкоговорящую связь. В этом случае речевой тракт работает в режиме «полудуплекс», при котором прохождение сигналов через каналы приема или передачи зависит от говорящих абонентов. Если разговаривать спокойно и не перебивать собеседника, то режим «полудуплекс» в речевом тракте шлюза для устранения эха вполне оправдан. При этом предъявляется меньше требований к параметрам противоместной схемы – она может представлять собой обычный балансный мост, как на рисунке выше и, к тому же, некоторый опыт по использованию микросхемы-спикерфона у меня уже был.

Укажу еще на один вид помехи, с которым пришлось столкнуться при испытаниях макета шлюза. Вначале схема шлюза получала питание от импульсного источника напряжения с Uвых = 12V, Iвых = 0,5А и проверялась на эмуляторе телефонной линии. Когда вместо эмулятора к устройству была подключена реальная линия АТС, в ней появилось очень сильное гудение. При занятии линии АТС шлюзом, гудение проникало в речевой тракт. Телефонная линия гальванически связана с питанием шлюза, поэтому, как выяснилось, использовать импульсный источник питания нельзя. Помеха полностью исчезла, когда шлюз стал получать питание от обычного трансформаторного стабилизатора напряжения.

Решение проблем, перечисленных выше, определило общую концепцию построения схемы:

  • для снижения наводок сотового телефона на разговорный узел шлюза применена гальваническая развязка по питанию, по цепям управления клавиатурой и по линиям прохождения аналогового сигнала;
  • чтобы избавиться от «эха», речевой тракт работает в режиме полудуплекса;
  • для устранения «гудения» в телефонной линии схема шлюза запитана от обычного трансформаторного источника питания с линейным стабилизатором напряжения;
  • отдельное экранирование плат внутри корпуса изделия;
  • правильная укладка проводов и многожильных шлейфов внутри изделия;
  • выносная антенна вместо штатной антенны сотового телефона.

3. Функциональные возможности.

Как правило, каждый разработчик создает свое изделие «под себя». Данный GSM-шлюз имеет минимальный набор функций, обязательных для таких устройств, и дополненный некоторыми другими, повышающими удобство эксплуатации. Возможности при работе со шлюзом приводятся для двух режимов работы. Первый, когда на шлюз вызов поступает со стороны телефонной линии и второй, когда на шлюз вызов поступает со стороны сотовой сети.

При входящем вызове на шлюз по линии АТС:

  • блокировка обработки входящего вызова по сотовой сети;
  • установка числа пропущенных звонков перед занятием линии АТС;
  • речевое уведомление вызывающего абонента АТС об установлении связи с GSM-шлюзом;
  • автоматическое удаление сообщения о поступившей SMS-ке или SPAM-рекламы после речевого уведомления;
  • кодовый доступ для набора номера вызываемого абонента сотовой сети;
  • набор номера для вызова абонента сотовой сети в режиме DTMF;
  • подтверждение окончания набора номера клавишей «*»;
  • автоматический отбой соединения по каналу GSM после завершения разговора или в случае занятости абонента сотовой сети без отбоя соединения по линии АТС;
  • принудительный отбой соединения по каналу GSM клавишей «#» без отбоя соединения по линии АТС.

При входящем вызове на шлюз по сотовой сети:

  • блокировка обработки входящего вызова по линии АТС;
  • установка числа пропущенных звонков;
  • речевое уведомление об установлении связи шлюза с вызывающим абонентом сотовой сети;
  • трансляция сигнала «ответ станции» (непрерывный гудок) из телефонной линии абоненту сотовой сети после подключения к линии АТС;
  • набор номера для вызова абонента городской АТС в режиме DTMF;
  • автоматический отбой соединения по линии АТС и по каналу GSM, если во время набора номера городской АТС первой цифрой набрана «8» (запрет междугородней связи);
  • автоматический отбой соединения по линии АТС и по каналу GSM после завершения разговора.

Для всех режимов работы:

  • автоматический отбой соединения по линии АТС и по каналу GSM, если в телефонной линии обнаружен сигнал «отбой» (сигнал «занято» – короткие гудки);
  • автоматический отбой соединения по линии АТС и по каналу GSM, если речевой сигнал отсутствует более 20 секунд;
  • выдача в линию АТС и в канал GSM информационных звуковых сигналов.

Устройство дополнено:

  1. световым индикатором входящего вызова по линии АТС или по каналу GSM;
  2. световыми индикаторами занятия линии АТС и канала GSM;
  3. световым индикатором таймера отбоя или сигналов «занято»;
  4. световыми индикаторами работы речевого тракта в режиме приёма и передачи;
  5. стрелочными индикаторами уровня сигнала в линии АТС и в канале GSM;
  6. клавиатурой для сотового телефона.

4. Вместо GSM-модуля сотовый телефон.

Для организации сотовой связи может применяться любой недорогой сотовый телефон. В шлюзе применен бывший в употреблении простенький телефон с монохромным экраном «ALCATEL» модель «one touch 112». На рынке кроме этой представлены еще две модели с точно таким же внешним видом: модель «one touch 113» с FM-приемником и модель «one touch 213» со встроенными играми.

Кроме отключения подачи звукового сигнала при входящем вызове и активации вибровызова каких-то особых установок в телефоне делать не требуется. Следует вытащить аккумулятор, разобрать телефон и демонтировать динамик, микрофон и вибромоторчик, т.е. подготовить телефон для использования в шлюзе.

На РИС.2 показан внешний вид телефона и раскладка его клавиатуры, полученная прозвонкой:

Для управления клавиатурой и соблюдения условия гальванической развязки к контактным площадкам будут подключаться фототранзисторы оптронных сборок типа TLP521 (Toshiba). Клеммы С1-С5 и К1-К5 расположены на плате шлюза. Пример таких клемм можно видеть на проверочной плате на фото выше.

Схема подключения транзисторных оптронов к контактным площадкам на плате телефона показана на РИС.3

5. Принципиальная электрическая схема GSM-шлюза.

Принципиальная схема показана в соответствии с расположением элементов на платах, т.е. поделена на отдельные узлы. Порядковые номера радиоэлементов начинаются с платы источника питания. На схеме разговорного узла красным цветом обозначены цепи прохождения сигнала в режиме передачи, синим цветом – цепи прохождения сигнала в режиме приема, а фиолетовым цветом – цепи, по которым проходят как сигналы приема, так и передачи. Цифрами в кружочках обозначены осциллограммы речевых и DTMF-сигналов.

5.1 Источник питания.

В источнике питания применяется трансформатор от прибора П1730 (Блок трех-и двухпозиционной сигнализации и регулирования, СССР), который предназначен для совместной работы с узкопрофильным щитовым прибором КИПиА. Первичная обмотка выполнена с учетом круглосуточного использования. Долговременные испытания под нагрузкой номинальным током не выявили нагрева трансформатора – температура на ощупь не отличалась от комнатной. Трансформатор имеет две вторичные обмотки. Одна используется для питания схемы шлюза, а вторая для питания сотового телефона.

Принципиальная схема источника питания показана на РИС.4:

На стабилизаторах напряжения DA1 и DA2 выполнен источник питания для управляющего и разговорного узлов. Особенностей не имеет. Резистор R3 облегчает тепловой режим стабилизаторов. В источнике питания сотового телефона применен мощный стабилизатор DA7 типа LT1083 (Linear Technology) семейства «Low Dropout» с регулируемым выходным напряжением. Дело не в большом выходном токе (Iвых.макс = 7,5 А), а в малом падении напряжения на регулирующем элементе. Резистор R95 – датчик тока для схемы определения активности сотового телефона. Менять резистор R97 на подстроечный не рекомендуется. Пропадание контакта с движком резистора может привести к увеличению выходного напряжения и, как следствие, к выходу из строя сотового телефона. Так как питание сотового телефона и шлюза раздельное, то для телефона можно было бы применить импульсный источник питания, выполненный в виде сетевой вилки (плату вытащить из корпуса адаптера). Его напряжение, например, Uвых = 6V (Iвых.макс = 0,5…1 А) подать на вход стабилизатора DA7, а для шлюза использовать трансформатор с одной вторичной обмоткой. Но, такой вариант не проверялся. На схеме приведены токи потребления, измеренные в разных режимах работы шлюза и сотового телефона.

5.2 Состав и работа разговорного узла.

Принципиальная схема узла показана на РИС.5:

На плате узла расположены элементы:

  • варистор RU1 для защиты входных цепей шлюза, если напряжение в телефонной линии превысит вызывное, например, во время грозы;
  • фильтры L1-С7 и L2-С8 снижают вероятность проникновения в схему шлюза внешних ВЧ-помех, наводимых на телефонную линию;
  • диодный мостик VD10 – обеспечивает постоянство полярности телефонной линии;
  • резистор R2 ограничивает ток через стабилитрон VD14 в момент занятия шлюзом телефонной линии после срабатывания реле К2, управляемого токовым ключом VT1;
  • элементы С6, R1, VD9, С9 и реле К1 с диодом VD11 определяют появление вызывного напряжения (~Uвыз = 70…90V) в телефонной линии. Конденсатор С6 выделяет переменное напряжение вызова, а мостик VD9 его выпрямляет. Резистор R1 ограничивает ток через VD9 в первый момент посылки, когда сглаживающий пульсации конденсатор С9 разряжен. Этот же конденсатор устраняет подработку К1, если на параллельном телефоне набирают номер в импульсном режиме. При наличии в телефонной линии импульсов с частотой F = 10 Гц, конденсатор С9 не будет успевать заряжаться до напряжения срабатывания реле К1. Диод VD11 устраняет выбросы напряжения противо-ЭДС при отпускании реле. Во время посылок вызова контакты 2-3 группы К1.1 замыкаются, а в паузах между посылками размыкаются, формируя дискретный сигнал (0/1) для узла обработки входящего вызова (на плате А4);
  • элементы R35, VT5, R38, R39 и С50 для передачи в телефонную линию и GSM-канал звуковых информационных сигналов. В исходном состоянии VT5 закрыт высоким уровнем напряжения на базе. При поступлении от узла управления по шине «TONE» сигнала через ограничивающий ток R35 прямоугольные импульсы открывают и закрывают транзистор VT5 с частотой F = 1 кГц. Модулирующий сигнал с коллекторной нагрузки R38 через ограничивающий ток R39 и разделительный С50 поступает в телефонную линию. Глубина модуляции влияет на громкость сигнала в линии и зависит от сопротивления R39 и ёмкости С50.
  • элементы С49, R37, R36, VD16, VD17 и С48 предназначены для снятия сигналов с телефонной линии. Через разделительный С49 и ограничивающий ток R36 сигналы поступают на фриттер, выполненный на встречно-параллельных диодах VD16 и VD17. Фриттер ограничивает амплитуду коммутационных (импульсных) помех, возникающих при подключении шлюза к телефонной линии, на уровне не более ~Uмакс = 0,6…0,7 Vр-р. Конденсатор С48 устраняет возможные высокочастотные всплески напряжения. Форму и амплитуду сигналов на шине «VOX DETECT» показывает осциллограмма 14.

Сигнал «ОТВЕТ СТАНЦИИ» (непрерывный гудок F = 425 Гц):

Речевой сигнал:

DTMF-сигнал набора номера:

Информационный сигнал (F = 1 кГц):

Трансформаторы ТР2 и ТР3 предназначены для гальванической развязки речевых трактов шлюза и сотового телефона. Через трансформатор ТР2 сигналы передаются в шлюз, а через трансформатор ТР3 сигналы передаются в сотовый телефон. Такие или подобные трансформаторы применяются в телефонных аппаратах с режимом «MONITOR» или «SPEAKERPHONE» (HANDS FREE), в которых ТВУ (тонально-вызывное устройство) работает на низкоомный динамик. Динамик подключается к обмотке трансформатора с сопротивлением не более Rобм = 2…3 Ома. Обмотка с большим числом витков обычно имеет сопротивление Rобм = 100…150 Ом.

Пример схемы применения звукового трансформатора для развязки сигналов УМЗЧ и ТВУ в телефоне «PANAPHONE» (модель КХ-Т5688LM) показан фото:

Через трансформатор Т1 тональный сигнал вызова, формируемый микросхемой ТВУ 1С1, подается на низкоомный динамик SP, который подключен к усилителю речевого сигнала на 1С2 через разделительный конденсатор Е13.

Пример применения трансформатора в схеме ТВУ телефона «NORTH-AM PHONE» (модель 733Р):

Низкоомный динамик BF1 через согласующий трансформатор Т1 и конденсатор С10 подключен к выходу OUT микросхемы DA1, формирующей тональный вызывной сигнал. Переключателем SA1 «RINGER» выбирают уровень громкости вызывного сигнала.

На фото показан проводной телефонный аппарат «ATLANTA» (модель АТ-3020), на плате которого установлен звуковой развязывающий трансформатор:

Динамик мощностью P = 0,5W и сопротивлением R = 8 Ом, расположенный в корпусе телефонного аппарата, транслирует сигнал вызова, формируемый микросхемой ТВУ типа НК2411 через трансформатор, или сигналы с телефонной линии, усиливаемые транзисторным УМЗЧ.

Микросхема спикерфона DA4 типа МС34118 (Motorola) обеспечивает работу речевого тракта в режиме «полудуплекс» и, главным образом, предназначена для устранения эффекта «эхо». Микрофонный усилитель с входом МСI и выходом МСO (выводы 11DA4 и 10DA4), вход CD (3DA4) для снижения потребляемой мощности и вход MUTE (12DA4) для отключения микрофона не используются.

Разъемы: типовой телефонный разъем RJ11 для подключения к телефонной линии, который размещен на корпусе шлюза; разъемы Х2 – Х5 для обмена цифровыми и аналоговыми сигналами с узлом управления посредством гибких многожильных шлейфов; разъемы Х1 и Х6 для подключения к контактам на плате телефона «SP+», «SP-» и, соответственно, «MIC+», «MIC-»; витая пара – два скрученных между собой провода.

Чипкордеры DA3 и DA5 типа ISD1820PY для выдачи вызывающему абоненту речевых уведомлений OGM (OGM – Out Going Message) об установлении связи. Эта оригинальная функция сразу после установления соединения позволяет не сомневаться, что вызов принят именно шлюзом. Кроме этого, через чипкордеры транслируются речевые сигналы приема и передачи, а также DTMF-посылки набираемого номера.

Чипкордер ISD1820 (DIP-14) – «двадцатисекундный» клон чипкордеров 18-той серии, выпускаемых тайваньскими компаниями «WINBOND» и «NUVOTON». В серии представлены две микросхемы (DIP-28): ISD1806 (время записи 6-12 сек) и ISD1810 (время записи 8-16 сек).

В интернете даташита с подробным описанием чипкордера ISD1820 нет. Вероятно, по этой причине вывод 8 чипкордера ISD1820 на одних схемах обозначают как «Vssa» (аналоговая земля), а на других – «XCLK» (внешнее тактирование). В обоих случаях вывод должен быть подключен к минусу питания. При отключенном выводе «Vssa» внутри микросхемы аналоговый узел остается обесточенным и на выводах «SP+» и «SP-» звукового сигнала теоретически быть не должно. Я пробовал отключать вывод 8, но записанный речевой фрагмент всё равно воспроизводился, только голосом бурундуков как в известном кинофильме, поэтому остановился на обозначении «XCLK». График зависимости времени записи (Typical Duration) чипкордеров ISD1806 и ISD1810 от резистора Rosc изображен на РИС.6:

На графике видим прямую (линейную) зависимость. Если продолжить прямую зависимости для ISD1810, длительность записи Т=20 сек получится при Rosc = 200К. Можно предположить, что «начинку» чипкордера ISD1810 из корпуса DIP-28 поместили в корпус DIP-14 и, чтобы их различать, микросхеме присвоили название «ISD1820». При работе с ISD1820 следует пользоваться технической документацией на ISD1810, в которой характеристики приводятся для напряжения Uпит=3V. В даташите от «NUVOTON» дополнительно показана схема, позволяющая увеличить уровень записываемого в чипкордер сигнала.

Структурная схема чипкордера ISD1820, в основе которой структура чипкордеров ISD1806 и ISD1810 (из даташита), показана на РИС.7:

Если при работающей схеме АРУ (к входу «AGC» подключен конденсатор С=4,7µF) входы «MIC» и «MIC REF» предварительного усилителя (ПУ) используются для подачи входного сигнала по дифференциальной схеме, то уровень входного сигнала может достигать ~Uвх.макс = 300 mVр-р. Если на входы предварительного усилителя сигнал подается не по дифференциальной схеме (используется один из входов), то входной сигнал рекомендуется ограничить на уровне ~Uвх.макс = 100 mVр-р.

В схеме шлюза оба чипкордера применяются с отключенной схемой АРУ – вход «AGC» соединен с минусом источника питания. В этом случае коэффициент усиления предварительного усилителя достигает 40 dB (Кус = 100).

Вместо резистора Rosc с типовым сопротивлением R=100К в схеме шлюза к входам «Rosc» чипкордеров подключены резисторы с R=97К. Скорость воспроизведения записанного уведомления станет чуть-чуть быстрее.

Для сравнения на РИС.8 показана конфигурация выводов для чипкордеров ISD1810 и ISD1820:

Чипкордер ISD1810 (DIP-28) с кучей неиспользуемых выводов смотрится как недоделанный «полуфабрикат».

Таблица с данными по назначению выводов чипкордера ISD1820 показана на РИС.9:

В продаже чипкордеры ISD1820 (ISD1810 в корпусе DIP-14) часто предлагаются установленными в платах модулей записи и воспроизведения:

Если приобрести такой модуль, то его можно использовать для записи сообщения OGM. Например, уведомление для вызывающего абонента сотовой сети может звучать так: «Канал связи установлен. Вызов принят. Дождитесь ответа телефонной станции». Для вызывающего абонента городской АТС: «Вызов принят. Соединение установлено». Подсказывающую действие фразу, например, «Наберите код доступа к сотовой сети» записывать нежелательно. Найдутся продвинутые «пионеры-хакеры», которые будут названивать на шлюз, пытаясь подобрать код. После записи и проверки чипкордер устанавливают в панельку на плате шлюза.

5.2.1 Получение уведомления при входящем вызове по каналу GSM.

Короткий импульс по шине «GSM OGM» поступает на вход PLAYE (2DA5) и чипкордер DA5 воспроизводит OGM. С выходов SP- (7DA5) и SP+ (9DA5) УМЗЧ чипкордера звуковое напряжение подается на обмотку R = 151 Ом трансформатора ТР3. С обмотки R = 2,3 Ом через резистивный делитель R31-R33-R32 сообщение OGM поступает в микрофонную цепь сотового телефона. Общее сопротивление делителя представляет собой эквивалент активного (измеренного) сопротивления электретного микрофона (Rакт.мик = 1,6K), удаленного с платы GSM-телефона. Вызывающий абонент сотовой сети слышит уведомление об установлении связи со шлюзом.

5.2.2 Получение уведомления при входящем вызове по линии АТС.

После появления на шине «ATC HOLD» уровня лог.1 транзистор VT1 открывается и реле К2 срабатывает. Контакты 2-3 группы К2.1 замыкаются и телефонная линия занимается. Напряжение в линии АТС снижается с Uлин = 50,4V до почти Uлин = 9V при токе Iлин = 21mA. Эта же лог.1 поступает на вход FT (12DA5) и устанавливает чипкордер DA5 в режим сквозного канала.

Уровень лог.1 по шине «ATC OGM» подается на дифференцирующую цепь С15-R5-VD13, формирующую положительный импульс на входе PLAYE (2DA3). Чипкордер DA3 воспроизводит записанное OGM. С движка R7 звуковое напряжение через разделительный С27 подается на вход TXI (9DA4) передающего аттенюатора. С выхода передающего аттенюатора TXO (8DA4) напряжение через R14 и С26 поступает на вход HTI (7DA4) парафазного УМЗЧ. С выхода усилителя HTO+ (5DA4) сигнал OGM транзистором VT3 передается в телефонную линию. Вызывающий абонент городской АТС слышит уведомление о подключении шлюза к линии АТС.

5.2.3 Прохождение речевых и DTMF сигналов.

Когда сотовый телефон не активен выход его мостового УМЗЧ (на плате контакты «SP+» и «SP-» для подключения миниатюрного динамика) находится в Z-состоянии. Когда GSM-канал связи сформируется, на выходах УМЗЧ появится постоянное напряжение менее 0,5 Uпит, на которое накладывается переменное напряжение речи и DTMF-сигналов. Звуковое напряжение подается на обмотку с сопротивлением R=115 Ом трансформатора ТР2. На обмотке с сопротивлением R = 2,3 Ом напряжение понижается. С движка R6 через разделительный С17 напряжение поступает на вход MIC REF (5DA3). Вход MIC (4DA3) через С16 заземлен. По шине «ATC FT» напряжение лог.1 поступает на вход FT (12DA3) и переключает чипкордер DA3 в режим работы «сквозной канал». Подстроечным резистором R6 настраивают входной уровень таким, чтобы на выходах SP- (7DA3) и SP+ (9DA3) форма напряжения речевого и DTMF сигналов была без искажений (осц.1):

Подстроечным резистором R7 настраивают уровень не более ~Uмакс=200mVp-p (осц.2):

Напряжение с движка R7 через С27 поступает на вход TXI (9DA4) передающего аттенюатора и через цепь С28-R15 на вход TLI2 (17DA4) второго детектора уровня передачи.

При наборе номера со стороны GSM-канала на шине «MUTE» появляется лог.1 и быстро заряжает конденсатор С29. Время разряда С29 через R17 приблизительно T = 0,8…1 сек. Напряжение через R16 открывает транзисторы VT2 и VT4 (диод VD15 закрыт). Низкий уровень на входе CPT (16DA4) отключает монитор фонового шума и принудительно переключает спикерфон в режим передачи. Транзистор VT4 запрещает прохождение сигналов с телефонной линии на вход фильтра FI (2DA4).

Когда спикерфон DA4 в режиме передачи у передающего аттенюатора усиление составляет 6 dB (Кус=2), поэтому на выходе TXO (8DA4) напряжение усиливается до уровня ~U = 400 mVр-р (осц.3):

Напряжение через цепь R14-С26 поступает на вход HTI (7DA4) парафазного УМЗЧ. Коэффициент усиления определяется отношением Кус = R13/R14 = 39К/10К = 3,9. На выходах HTO- (6DA4) и HTO+ (5DA4) напряжения одинаковы по амплитуде, но противофазны (осц.4):

С выхода 6DA4 через цепь С25-R12 напряжение поступает на вход TLI1 (23DA4) первого детектора уровня передачи, а с выхода 5DA4 через разделительный С30 и ограничивающий ток R22 на базу VT3. Транзистор VT3 модулирует напряжение телефонной линии с частотой речевого или DTMF сигналов. Амплитуда напряжения на коллекторе VT3 с учетом усиления сигналов достигает ~Uк = 2Vр-р (осц.5):

За счет падения напряжения на резисторе R2 и диодах моста VD10 амплитуда линейного напряжения на разъеме RJ11 составит около ~Uлин = 1,2…1,5 Vр-р.

Транзистор VT3, резисторы R26, R28 и резистор R29 вместе с конденсатором С46 образуют мостовую балансную схему. Резистор R26 – нагрузка телефонной линии, элементы R29 и С46 – балансная цепь. Подстроечным резистором R28 добиваются максимального баланса моста.

Принцип подавления «местного эффекта» поясняет РИС.10:

Напряжение на эмиттере транзистора VT3 (точка А) противофазно напряжению на коллекторе (точка Л1) и меньше по амплитуде Uэ=850mVр-р (осц.6):

Напряжение с коллектора через балансную цепь С46-R29 проходит в точку Б. В эту же точку через подстроечный резистор R28 подается противофазное напряжение с эмиттера. В точке Б сигналы взаимоподавляются (осц.7):

Настройкой резистора R28 добиваются минимальной амплитуды напряжения с точке Б во время разговора или набора номера абонентом сотовой сети. Видно, что напряжение в точке Б не превышает Uмакс = 160mVp-p. Таким образом, глубина подавления местного эффекта может достигать 21…22dB (напряжение в точке Б в 12 раз меньше напряжения в точке Л1). Этого вполне достаточно для нормальной работы спикерфона DA4.

При входящем вызове по телефонной линии шлюз подключается, и линия АТС занимается. В ней присутствуют речевой сигнал или DTMF-посылки набора номера от телефонного аппарата вызывающего абонента. За счет падения линейного звукового напряжения на диодном мосте VD10 и резисторе R2, амплитуда на коллекторе транзистора VT3 (точка Л1) не превышает ~Uлин = 1,5 Vр-р (осц.8):

Эти сигналы через открытый транзистор VT3 поступают в нагрузку телефонной линии R26. За счет падения напряжения на переходе К-Э транзистора VT3, определяемого резистором смещения R23, на резисторе R26 (в точке А) амплитуда сигналов не превышает ~Uмакс = 200 mVp-p (осц.9):

Это напряжение через подстроечный резистор R28 поступает в точку Б. В эту же точку через цепь С46-R29 подается напряжение с коллектора VT3 (точка Л1), а так как эти напряжения совпадают по фазе, то они складываются (осц.10):

Если входящий вызов был со стороны телефонной линии, то на шине «BLOCK» установлен уровень лог.0. Через открытый диод VD15 затворы VT2, VT4 заблокированы и транзисторы закрыты, поэтому спикерфон DA4 работает обычным образом.

Из точки Б через резисторы R30 и R27 сигнал с телефонной линии поступает на частотный фильтр, образованный элементами С34, С33, R24, R19 и внутрисхемным операционным усилителем (ОУ) с входом FI (2DA4, Rвх>1,0 M) и выходом FO (1DA4, Rвых<50 Ом). С выхода источника напряжения VB (15DA4) через резистор R19 на входе 2DA4 задано положительное смещение для увеличения динамического диапазона работы ОУ. Емкость конденсаторов С34, С33 и резистор R24 в цепи ООС определяют частоту среза фильтра.

Я испытывал работу DA4 без фильтра (сигнал с R27 подавал непосредственно на входы приемного аттенюатора и детектора уровня), а также пробовал увеличивать емкости С34 и С33 до 47nF (журнал «РАДИО» №10, 2003г, стр.47-49, справочный листок). Это приводило к заметному увеличению помех от работы сотового телефона, увеличивалась зависимость от расположения гибких шлейфов в корпусе. Использование фильтра в данном случае обязательно. Емкости С34 и С33 должны быть одинаковыми и могут подбираться из интервала: С34=С33=2200…4700pF.

На выходе фильтра 1DA4 амплитуда напряжения порядка U = 400 mVp-p (осц.11):

Через разделительный С36 это напряжение подается на вход аттенюатора приема RXI (21DA4), а через цепь R20-С35 на вход первого детектора уровня приема RLI1 (26DA4). Когда спикерфон DA4 работает в режиме приема, коэффициент усиления приемного аттенюатора составляет 6dB (Кус=2), поэтому уровень сигнала на выходе приемного аттенюатора RXO (22DA4) достигает Uмакс = 800 mVp-p (осц.12):

Подстроечным резистором R25 на входе MIC REF (5DA5) амплитуду сигнала настраивают такой, чтобы на выходах УМЗЧ чипкордера SP- (7DA5) и SP- (9DA5) сигнал был без искажений (осц.13):

В результате прохождения сигналов через внутрисхемный активный сглаживающий фильтр чипкордера DA5 на осц.13 форма сигналов лучше, чем на осц.12.

С выхода 7DA5 через цепь R21-С38 сигнал подается на вход RLI2 (20DA4) второго детектора уровня приема. С выхода 9DA5 по шине «АТС DTMF» сигнал поступает в схему управления. С выходов УМЗЧ чипкордера DA5 через развязывающий трансформатор ТР3, резистивный делитель R31-R33-R32 и разъем Х6 сигналы по витой паре подаются в микрофонную цепь сотового телефона.

5.2.4 Подробнее о работе спикерфона DA4.

Вход регулятора громкости VLC (13DA4) воспринимается внутренней схемой как напряжение относительно VB, Rвых ≈ 400 Ом (15DA4). Напряжение источника VB = (Vсс-0,7)/2 = (4,9-0,7)/2 = 2,1V (измеренное VB = 2,06V). Регулятор громкости влияет на аттенюаторы только в режиме приема, при этом, когда VLC равно VB (как на схеме), усиление приемного аттенюатора будет +6 dB, а усиление передающего аттенюатора будет -46 dB.

Передающий и приемный аттенюаторы работают в дополняющем режиме, т.е. при максимальном усилении (+6dB) одного, у другого максимальное затухание (-46 dB), и наоборот. Аттенюаторы являются не инвертирующими. Номинальное входное сопротивление каждого аттенюатора (TXI и RXI) составляет Rвх=10К. Входной сигнал не должен превышать ~350mV среднеквадратичного значения, измеренного вольтметром (~990 mVр-р амплитудного значения, измеренного осциллографом). Выходное сопротивление аттенюаторов (TXO и RXO) менее Rвых = 10 Ом.

Аттенюаторы спикерфона DA4 работают в четырех режимах:

  1. Режим «Передача» означает, что аттенюатор передачи полностью включен (+6 dB), а приемный аттенюатор на максимальном затухании (-46 dB). Схема переключится на передачу, если детекторы уровня передачи обнаруживают более высокие сигналы по сравнению с соответствующими детекторами приема (сигнал на TLI1 больше сигнала на RLI1, сигнал на TLI2 больше сигнала на RLI2), при этом монитор фонового шума передачи CPT указывает на наличие речи.
  2. Режим «Прием» означает, что оба аттенюатора управляются регулятором громкости и, когда VLC=VB, аттенюатор приема полностью включен (+6 dB), а аттенюатор передачи на максимальном затухании (-46dB). Схема переключится на прием, если детекторы уровня приема обнаруживают более высокие сигналы по сравнению с соответствующими детекторами уровня передачи (сигнал на RLI1 больше сигнала на TLI1, сигнал на RLI2 больше сигнала на TLI2), при этом монитор фонового шума приема CPR указывает на наличие речи.
  3. Режим «Быстрый холостой ход» означает, что присутствует как передача, так и прием речи примерно на равных уровнях. Аттенюаторы быстро переключаются (около 30mS) в режим ожидания, пока один уровень речи не будет доминировать над другим. Схема переключится в режим быстрого холостого хода, если детекторы уровня «расходятся во мнении» об относительной силе уровней сигнала и, по крайней мере, один из мониторов фонового шума указывает на речь. То есть, когда оба говорящих одновременно разговаривают или когда один говорящий находится в очень шумной обстановке, вынуждая собеседника постоянно игнорировать этот уровень шума. Как правило, такой режим возникает не часто.
  4. Режим «Медленный холостой ход» означает, что речь прекратилась как на пути передачи, так и на пути приема. Аттенюаторы медленно (1 sec) переключаются в режим ожидания. Схема переключится в режим медленного холостого хода, если оба собеседника замолчали или когда один уровень речи говорящего постоянно подавляется шумом в местоположении другого говорящего.

Переключение на полный режим передачи или приема с любого другого режима происходит на высокой скорости (≈ 30mS).

Микросхема МС34118 содержит четыре детектора уровня – два на приемной стороне и два на передающей. Чувствительность и частотная характеристика каждого детектора уровня определяются внешним резистором и конденсатором С28-R15 для TLI2, С25-R12 для TLI1, R20-С35 для RLI1 и R21-C38 для RLI2. Для нормальной работы детекторов уровня значение импеданса RC-цепей должно находиться в промежутке Z = 2К…15К. Каждый выход детекторов уровня (TLO – RLO), заряжает конденсатор (С39 – С42), постоянное напряжение на котором является представлением уровня входного сигнала переменного тока. Выходы имеют быстрое время нарастания и медленное время затухания. Конденсаторы на четырех выходах должны иметь одинаковую емкость (±10%) для синхронизации работы приемного и передающего аттенюаторов.

Время переключения аттенюаторов определяется в первую очередь элементами, подключенными к выходу СТ (14DA4) и во вторую очередь конденсаторами С39-С42 на выходах детекторов уровня RLO1, RLO2 и TLO1, TLO2. Время нарастания выходных сигналов детекторов уровня не имеет значения, поскольку оно очень короткое. Время затухания определяет длительность, необходимую для удержания цепи во время обычных пауз в речи. Элементы R и C на входах детекторов уровня не влияют на время переключения, а скорее влияют на относительные уровни сигналов, необходимые для переключения цепи.

Детектор уровня RLI1-RLO1 управляет детектором фонового шума на стороне приема (CPR), а детектор уровня TLI2-TLO2 управляет монитором фонового шума на стороне передачи (CPT). Назначение мониторов – отличать фоновый шум (относительно постоянный уровень сигнала) от речевого сигнала, состоящего из всплесков. Они следят за фоновым шумом путем сохранения постоянного напряжения, представляющего соответствующие уровни шума на конденсаторах, подключенных к 27DA4 (CPR – конденсатор С24) и 16DA4 (CPT-конденсатор С23). Напряжение на этих конденсаторах медленно нарастает, но быстро спадает. Постоянная времени внешних элементов RC ≈ 4,7 сек определяет время реакции на изменение фонового шума. Замыканием CPR на общий провод можно отключить монитор фонового шума приема и активировать детектор RLI1-RLO1. Спикерфон DA4 будет работать в режиме «приём».

При замыкании CPT на общий провод монитор фонового шума передачи отключается и активируется детектор TLI2-TLO2. Спикерфон DA4 станет работать в режиме «передача». Эту особенность можно использовать для проверки работы DA4. Например, если после вызова со стороны сотовой сети и установления соединения отключить сток транзистора VT2 от CPT, а затем удерживать любую цифровую клавишу на сотовом телефоне в нажатом состоянии, то появившийся на коллекторе VT3 сигнал DTMF через 0,5…1 секунду начнет плавно снижаться и за 3…4 секунды достигнет очень тихого уровня. Для CPT такой сигнал представляется непрерывным шумом. Когда в телефонной линии появляется сигнал «ответ станции» (непрерывный гудок) или длительные DTMF-сигналы, то в режиме «прием» снижения уровня сигналов не происходит, т.к. внутрисхемный тональный детектор отключает CPR.

Типовое значение RC-элементов, подключенных к выходу СТ (14DA4): резистор R18=120К, конденсатор С31=4,7…5,0µF. Выход СТ можно рассматривать как «индикатор работы» спикерфона. Напряжение на выводе меняется относительно источника VB. В режиме холостого хода (на входах приемного и передающего аттенюаторов сигналы отсутствуют) потенциал СТ=VB=0V (+2,05V относительно GND).

  • Когда установлен режим приема, напряжение на СТ= +240mV относительно VB (СТ = 2,05V+0,24V = 2,29V относительно GND).
  • Когда установлен режим передачи напряжение на СТ= -240mV относительно VB (СТ = 2,05V-0,24V = 1,81V относительно GND).

По необходимости вывод СТ можно использовать для принудительного смещения разговорного тракта шлюза в сторону передачи или приема. Подключив резистор R = 200К…2,0М (подбирается практически) между СТ и Vcc, приоритет обнаружения речевого сигнала установится для канала приема, а если между СТ и GND, то приоритет обнаружения установится для канала передачи. По этой причине во время отладочных работ не рекомендуется измерять напряжение на выводе СТ относительно GND осциллографом с входным сопротивлением, например, Rвх = 1М. Это приведет к изменению режима работы спикерфона. Измерения на выводе лучше проводить цифровым мультиметром с входным сопротивлением не менее Rвх = 10М.

5.3 Состав и работа узла управления.

На плате А3 размещены элементы стабилизатора питания и датчика активного состояния сотового телефона. Узел управления, элементы которого размещены на плате А4, реализует алгоритм работы шлюза.

Принципиальная схема показана на РИС.11:

5.3.1 Процессы на плате А3 при активации GSM-телефона и входящем вызове.

Когда устанавливается канал сотовой связи, сотовый телефон активируется (выходит из режима ожидания) и на датчике тока R95 увеличивается падение напряжения. Транзистор VT27 открывается и конденсатор С82 заряжается до напряжения, достаточного для открытия транзистора VT26. Через ограничивающий ток R93 включается светодиод оптрона VQ5.1.
Фототранзистор оптрона VQ5.1 открывается и на входе элемента 13DD2.2 формируется напряжение низкого уровня. После установления канала связи передаются посылки вызова. На контакте «MOTOR OUT» (на плате сотового телефона) синхронно с посылками вызова появляется напряжение низкого уровня. В течение времени поступления входящего вызова через ограничивающий ток R99 светодиод оптрона VQ5.2 периодически зажигается и гаснет. Фототранзистор оптрона VQ5.2, открываясь и закрываясь, формирует прямоугольные импульсы напряжения на входе элемента 9DD2.1.

5.3.2 Процессы на плате А4 после подачи питания.

Сразу после подачи напряжения на шлюз выключателем SA1 «ПИТАНИЕ» (РИС.4, размещен на корпусе устройства) уровень лог.1 с выходов 3DD4.1 и 4DD4.2 устанавливает счетчики, соответственно, DD6.1 (выз.АТС) и DD6.2 (выз.GSM) в исходное состояние, при котором на выходах 1, 2, 4 и 8 – лог.0.

Через R42 начинает заряжаться С52, поэтому с выхода 10DD1.2 уровень лог.1 установит триггер DD3.1 (ответ АТС) в единичное состояние по входу «S». На выходе 1DD3.1 – лог.1, а на выходе 2DD3.1 – лог.0, который через открытый диод VD53 запрещает зарядку С77.

Транзистор VT17 и диод VD48 закрыты – на шине «АТС HOLD» низкий уровень напряжения и телефонная линия остается в состоянии «ОТБОЙ».

На выходе инвертора 10DD2.3 – лог.1, поступающая на входы 18 и 19DD8, поэтому на выходах 1 – 12 дешифратора DD8 уровни лог.1. Транзистор VT14 закрыт уровнем лог.0. С выхода 12DD3.2 уровень лог.1 через интегрирующую цепь R63-С62 открывает VT15, поэтому открывается и VT16. С коллектора VT16 через R77 на аноды светодиодов в оптронах VQ2 – VQ4 подано напряжение.

В тональном декодере DA6 запускается генератор, частота которого F = 425Гц задана элементами R70-R71-С71. Генератор звуковых информационных сигналов DD1.3-R72-С69 заторможен уровнем лог.0 на входе 5DD1.3. На его выходе 4DD1.3 – лог.1.

Генератор импульсов DD4.3-R88-С78 заторможен низким уровнем напряжения на входе 13DD4.3. Две лог.1 на входах 8DD4.4 и 9DD4.4 дают лог.0 на выходе 10DD4.4, поэтому транзистор VT23 закрыт. Счетчик DD9 устанавливается в исходное состояние после заряда С80 через R90 по входу «R». На выходах 1 – 9 счетчика – лог.0, на выходах 0 и P – лог.1. Через канал сток-исток открытого VT25 эмиттер транзистора VT18 подключен к общему проводу схемы.

Уровень лог.1 с выхода 4DD5.1 устанавливает триггер DD3.2 (ответ GSM) в нулевое состояние по входу «R». На выходе 12DD3.2 – лог.1, а на выходе 13DD3.2 – лог.0. Транзистор VT7 закрыт, реле К3 обесточено и контакты группы К3.1 находятся в состоянии, показанном на схеме.

На панели индикации транзисторы VT19-VT22 закрыты, поэтому светодиоды HL1-HL4 выключены.

Постоянная времени Т=R42*С52 приблизительно 5 секунд. В течение этого времени лог.1 с выхода 10DD1.2 удерживает открытым транзистор VT8 (отбой), значит, оптрон VQ1.1 «удерживает» нажатой клавишу «END». Происходит включение GSM-телефона и его регистрация в сети. Во время регистрации лог.1 с выхода инвертора 12DD2.2 открывает транзистор VT21. Включается синий светодиод HL3 «канал GSM». После завершения процесса регистрации GSM-телефон переходит в режим ожидания и светодиод HL3 гаснет.

5.3.3 При входящем вызове по линии АТС.

От платы разговорного узла (РИС.5) по шине «ВЫЗОВ АТС» поступают импульсы с уровнем лог.0 на входы 1-2 инвертора с гистерезисом DD1.1. Конденсатор С51 вместе с резистором R41 образует цепь подавления дребезга контактов реле К1. С выхода 3DD1.1 через диод VD24 импульсы с уровнем лог.1 подаются на затвор транзистора VT19 и светодиод красного цвета HL1 «вызов АТС/GSM» вспыхивает. Эти же импульсы с уровнем лог.1 поступают на счетчик DD6.1 (выз.АТС). Передний фронт импульсов через VD25 заряжает С54 и с выхода элемента 3DD4.1 уровень лог.0 по входу R (15DD6.1) разрешает работу счетчика. Подсчет импульсов происходит по заднему фронту на входе С2 (10DD6.1) счетчика. Постоянная времени Т = С54*R47 = 7 сек, поэтому, пока поступают импульсы, на входе 15DD6.1 удерживается лог.0. Через R51 уровень лог.0 поступает на 6DD4.2. С выхода 4DD4.2 лог.1 блокирует счетчик DD6.2 по входу R (7DD6.2) на время работы счетчика DD6.1. Блокировка устраняет возможный сбой в алгоритме работы шлюза в случае появления вызова со стороны сотового канала.

Выключателем SA1 можно задать число пропущенных звонков (от 1 до 15 в двоичном коде), прежде чем шлюз займет телефонную линию. Такая возможность позволяет «отсеять» нежелательные звонки или ответить на вызов с параллельного телефона. Для примера на схеме показаны замкнутые контакты «2» и «4». С выхода схемы «диодное И» (VD31-VD34) на резисторе R58 уровень лог.1 появится после шестой посылки вызова и поступит на базу эмиттерного повторителя VT17. От этой же лог.1 откроется VT14 и зашунтирует затвор VT15. Транзистор закроется и от положительного смещения через R69 закроется VT16. На анодах светодиодов в оптронах VQ2-VQ4 напряжение исчезнет. С эмиттера VT17 через VD48 напряжение по шине «АТС HOLD» поступит в схему разговорного узла и линия АТС займется.

Это же напряжение через VT20 включит светодиод зеленого цвета HL2 «линия АТС». Одновременно напряжение по шине «АТС OGM» поступит на чипкордер DA3. После воспроизведения OGM на выходе «LED» чипкордера появится импульс низкого уровня длительностью Т = 84mS. По шине «АТС EOM» (EOM – End Of Message) импульс поступит через R61 на вход 8DD5.2. С выхода 10DD5.2 импульс с уровнем лог.1 и длительностью Т = 84mS разрешит работу генератора на DD1.3. С выхода 4DD1.3 короткий сигнал F = 1 кГц по шине «TONE» поступит в разговорный узел. Таким образом, позвонивший после занятия линии АТС услышит речевое уведомление о соединении, а затем короткий звуковой сигнал, означающий, что шлюз готов к принятию кода доступа.

Если на экране GSM-телефона «висит» сообщение о непрочитанной входящей SMS-ке или рекламное SPAM-сообщение, то набор номера (не кода!) не возможен. Элементы VT11, R56 и VT10 удаляют эти сообщения сразу после уведомления. Импульс «EOM» закроет VT11 и через R56 откроется VT10. Клавиша телефона «END» замкнется на время Т = 84mS и сообщение удалится с экрана телефона.

5.3.4 Набор кода доступа.

Вызов абонента сотовой сети для шлюза является исходящим и, значит, платным. Чтобы шлюзом могли пользоваться только доверенные коллеги по работе или только близкие знакомые, добавлена функция кодового доступа. Время, отведенное для набора кода (Ткод), определяется разницей между временем занятия линии (Тзан) и длительностью уведомления (Тув): Ткод ≈ Тзан – Тув = 7 сек – (3…4 сек) ≈ 4…3 сек. Если код не верный или не был набран, то через Тзан = 7 сек конденсатор С54 разрядится через R47. С выхода 3DD4.1 уровень лог.1 сбросит счетчик DD6.1 по входу R в исходное состояние, транзистор VT17 закроется и телефонная линия освободится.

Код представляет собой комбинацию из двух цифр. Цифры кода выбираются подключением к входам триггера DD3.1 выходов дешифратора DD8, причем выход, подключенный к входу данных D (5DD3.1), определяет первую цифру кода, а выход, подключенный к тактовому входу С (3DD3.1) – вторую. Очевидно, при такой реализации код не может состоять из одинаковых цифр. На схеме для примера показан установленный код доступа «54». Выходы 5 (6DD8) и 4 (5DD8) через развязывающие диоды VD20 и VD22 подключены к соответствующим входам триггера DD3.1. Диоды исключают подачу уровня лог.1 с выходов дешифратора на входы триггера.

При появлении в телефонной линии DTMF-посылки, соответствующей нажатой клавише «5», от разговорного узла по шине «АТС DTMF» через н.з. контакты 1-2 группы К3.1 двутональное переменное напряжение поступит в приемник DD7. На его выходах Q1-Q4 появится двоичный код цифры «5». Дешифратор DD8 преобразует двоичный код пятерки в инверсный позиционный код вида «1 из 12». С вывода 6DD8 через открытый VD20 уровень лог.0 разрядит С53 и на входе 5DD3.1 установится низкий уровень напряжения. После приёма DTMF-посылки нажатой клавиши «4», декодирования и преобразования кода четверки с вывода 5DD8 уровень лог.0 через открытый диод VD22 поступит на вход 3DD3.1. Так как на входе «D» конденсатором С53 удерживается низкий уровень напряжения, то по заднему фронту триггер DD3.1 переключится в «нулевое» состояние. На выходе 1DD3.1 установится лог.0, а на выходе 2DD3.1 – лог.1. На анодах светодиодов в оптронах VQ2-VQ4 напряжения нет, поэтому набираемый код доступа в сотовый телефон передаваться не будет.

Время, отведенное для набора второй цифры кода, определяется цепью R49-С53 и составляет Тц ≈ 1,3…1,5 сек. Если за это время вторая цифра кода не набрана, то С53 зарядится через R49 напряжением лог.1 с выхода 1DD3.1, и на входе 5DD3.1 опять установится высокий уровень напряжения. После заряда С53 не важно, правильно ли набрана вторая цифра или нет: триггер DD3.1 в любом случае не переключится и телефонная линия освободится. Светодиод HL2 погаснет. Лимитированное время для набора второй цифры снижает вероятность подбора правильного кода посторонними лицами.

После переключения триггера DD3.1 с выхода 1DD3.1 уровень лог.0 через VD39 продолжит удерживать заблокированным счетчик DD6.2, а через VD40 закроет транзисторы VT14 и VT17. Через небольшую задержку, определяемую элементами R63 и C62, откроются VT15 и VT16. На аноды светодиодов в оптронах VQ2 – VQ4 с коллектора VT16 через ограничивающий ток R77 поступит напряжение. После закрытия VT17 отбоя телефонной линии не произойдет, т.к. уровень лог.1 с выхода 2DD3.1 через VD43 по шине «АТС HOLD» продолжит удерживать открытым VT1 в разговорном узле. Этот же уровень лог.1, пройдя через дифференцирующую цепь С60-R59-VD41 и R60, откроет транзистор VT13 на время Т ≈ 0,5 сек. Импульс с уровнем лог.0 на входе 8DD5.2 сформирует импульс с уровнем лог.1 на входе 5DD1.3. По шине «TONE» сигнал F = 1 кГц поступит в разговорный узел. В течение полусекунды после набора кода прозвучит тональный сигнал, подтверждающий, что набранный код верен и шлюз готов принимать номер абонента сотовой сети.

Нажатие клавиши «*» для подтверждения окончания набора номера вызываемого абонента сотовой сети, в первом приближении, также можно рассматривать как элемент кодового доступа. Поэтому, код, набираемый перед номером сотового телефона, может состоять из одной цифры. Для этого катоды диодов VD20 и VD22 соединяют вместе и один из выходов дешифратора DD8 подключают к точке соединения катодов. Пусть код доступа представляет собой цифру «5», тогда после преобразования DTMF-посылки цифры «5» на выводе 6DD8 появится импульс уровнем лог.0. Передний фронт импульса через открытый диод VD20 разрядит конденсатор С53 (на входе 5DD3.1 установится низкий уровень напряжения), а через открытый VD22 установит низкий уровень на входе 3DD3.1. При появлении заднего фронта импульса оба диода закроются. За счет разряженного С53 на входе 5DD3.1 останется уровень лог.0, а на вход 3DD3.1 с резистора R45 поступит высокий уровень напряжения. Триггер DD3.1 переключится в противоположное состояние и прозвучит сигнал, подтверждающий правильность набранного кода. После сигнала набирают номер вызываемого абонента сотовой сети.

Если предполагается, что шлюзом будет пользоваться только один человек, то от функции кодового доступа допускается отказаться совсем. Для этого катоды диодов VD20 и VD22 соединяют вместе и подключают к шине «АТС ЕОМ» (затвор VT11). Тогда, после речевого уведомления на шине появится импульс с уровнем лог.0 и длительностью Т = 84mS, поступающий на катоды диодов. Далее события будут развиваться точно так же, как с кодом доступа из одной цифры. Триггер DD3.1 переключится в противоположное состояние и прозвучит сигнал, означающий, что можно приступить к набору номера вызываемого абонента сотовой сети.

5.3.5 Набор номера абонента сотовой сети и активация GSM-телефона.

С телефонной линии DTMF-посылки набираемого номера обрабатываются и декодируются в двоичный код приемником DD7. С выходов Q1–Q4 приемника двоичный код преобразуется дешифратором DD8 в инверсный позиционный код вида «1 из 12». Посредством транзисторов в оптронах VQ2 – VQ4 замыкаются соответствующие контактные площадки на плате сотового телефона. На экране телефона отображается набираемый номер. Чтобы подтвердить окончание набора и «отправить номер в эфир», следует нажать клавишу «ON». Для этого вызывающий абонент нажимает на своем телефоне клавишу «*». Фототранзистор VQ4.3 замыкает (клеммы С3 и К1) контактные площадки клавиши «ON» на плате GSM-телефона.

При установке канала связи телефон активируется, и датчик активного состояния формирует на входе 13DD2.2 уровень лог.0. На выходе 12DD2.2 появляется лог.1 и с небольшой задержкой, определяемой цепью R50-С58, на выходе 4DD5.1 – лог.0. По шине «АТС FT» уровень лог.1 поступает на вход 12DA3 и переводит чипкордер DA3 в разговорном узле в режим «сквозной канал». Одновременно транзистор VT21 открывается и зажигается светодиод HL3 «канал GSM». В телефонную линию через DA3 и DA4 передаются сигналы КПВ (КПВ – Контроль Посылок Вызова – длинные гудки). Если вызываемый абонент сотовой сети отвечает на входящий вызов, то ведется разговор.

5.3.6 Если номер вызываемого абонента сотовой сети занят.

В этом случае GSM-канал связи выключается (например, у оператора «Tele-2» перед отключением канала выдаются три коротких гудка) и телефон переходит в ждущий режим. Датчик активного состояния формирует уровень лог.1 на входе 13DD2.2. С выхода 12DD2.2 уровень лог.0 закрывает VT21 и светодиод HL3 гаснет. С выхода 4DD5.1 лог.1, проходя через дифференцирующую цепь С59-R55-VD30, сформирует короткий импульс длительностью Т ≈ 0,3 сек на затворе VT12. Положительный импульс такой же длительности с выхода 10DD5.2 разрешит работу генератора на DD1.3. Вызывающий абонент услышит сигнал F = 1 кГц. Отбоя соединения по линии АТС не произойдет. Можно еще раз набрать телефонный номер этого же абонента или телефонный номер другого абонента. Такой алгоритм избавляет от необходимости каждый раз набирать телефонный номер шлюза и снова вводить код доступа для исходящей связи.

5.3.7 Отбой соединения по GSM-каналу.

После разговора вызываемый абонент сотовой сети отключается и GSM-канал связи разрывается. Далее алгоритм работы такой же, как в случае занятости вызываемого абонента сотовой сети.

В течение разговора можно принудительно прервать соединение (первым закончить разговор) кратковременным нажатием клавиши «#». После обработки DTMF-посылки фототранзистор оптрона VQ4.4 замкнет контактную площадку кнопки «END» сотового телефона (клеммы К4 и К5) и произойдет отбой соединения.

Кнопка «END» также используется для включения и выключения GSM-телефона, если ее удерживать нажатой более 2,5 сек. Поэтому, появляется возможность дистанционного выключения или включения GSM-телефона в шлюзе. Отключение может понадобиться, чтобы некоторое время не принимать входящие на шлюз вызовы со стороны GSM-канала. Для использования этой функции рекомендуется в меню телефона задать звуковое сопровождение для включения и отключения. После установления связи по линии АТС и набора кода доступа нажимают и удерживают клавишу «#» более 2,5 секунд. Выключение телефона будет сопровождаться звучанием короткого музыкального фрагмента. После завершения музыкального фрагмента телефон выключен. Далее укладывают трубку на вызывающем телефоне. Для включения телефона также делают вызов на шлюз по линии АТС и набирают код доступа. После этого нажимают и удерживают клавишу «#» более 2,5 секунд. Звучит короткий музыкальный фрагмент и GSM-телефон включается. Далее прозвучит информационный звуковой сигнал, подтверждающий регистрацию телефона в сети. После этого можно положить трубку на вызывающем телефоне или набрать номер абонента сотовой сети.

5.3.8 Отбой соединения по телефонной линии.

Схема детектора отбоя предназначена для автоматического отключения шлюза от телефонной линии в случае появления в ней коротких гудков – сигнала «ЗАНЯТО». Если сигнал «ЗАНЯТО» в линии АТС появляется после укладки трубки, а не в случае занятости номера вызываемого абонента, то его часто называют сигналом «ОТБОЙ».

После укладки трубки вызывающим абонентом в линии АТС, к которой подключен шлюз, появляются короткие гудки с частотой F = 425 Гц (сигнал «ОТБОЙ»). Из разговорного узла по шине «VOX DETECT» через разделительный конденсатор С74 сигнал поступает на усилитель, выполненный на элементах R75, R76, С75 и DD2.6, коэффициент усиления которого Кус = R76/R75. Конденсатор С75 устраняет возбуждение, снижая усиление на высоких частотах. Выходной сигнал через разделительный С76 и регулируемый делитель R78-R79 подается на вход 3DA6 тонального декодера LM567 (National Semiconductor). Работа тонального декодера заключается в сравнении частоты сигнала на входе с частотой внутреннего генератора. При совпадении частот, выход декодера дискретно переключается в состояние низкого уровня. Внутренний генератор работает на частоте F = 425 Гц.

Щуп частотомера или осциллографа подключают к выводу 5DA6 и резистором R71 устанавливают указанную частоту без входного сигнала. Так как на входе 3DA6 короткие звуковые сигналы также с частотой F=425 Гц, на выходе 8DA6 (выполнен по схеме «ОК») формируются импульсы с низким уровнем. Конденсатор С79 вместе с резистором R97 устраняет возможный дребезг фронтов импульсов. Импульсы подаются на вход 8DD4.4. За счет конденсатора С77, разряжаемого через VD54, на входе 9DD4.4 удерживается лог.1. С выхода 10DD4.4 импульсы с уровнем лог.1 подаются на затвор транзистора VT22 и светодиод HL4 «таймер/отбой» желтого цвета вспыхивает синхронно с коротким гудками. Эти же импульсы открывают транзистор VT23. На стоке транзистора формируются импульсы с низким уровнем.

Передний фронт импульсов через диод VD56 периодически разряжает С80 и на входе R (15DD9) счетчика DD9 удерживается лог.0. По заднему фронту импульсов на тактовом входе С1 (14DD9) ведется счёт. После девятого импульса на выходе «9» (11DD9) появляется уровень лог.1, который через дифференцирующую цепь С81-R92-VD57 подается на затвор VT24. Транзистор кратковременно открывается и на входе 8DD1.2 формируется импульс с низким уровнем напряжения. С выхода 10DD1.2 импульс с уровнем лог.1 подается на вход «S» (6DD3.1) триггера DD3.1. Триггер устанавливается в «единичное» состояние. Это приводит к отключению шлюза от линии АТС. Этот же импульс кратковременно откроет транзистор VT8 (отбой).

Фототранзистор оптрона VQ1.1 замкнет контактные площадки клавиши «END» телефона и соединение по GSM-каналу разорвется. Через время Т ≈ 1,5…1,8 секунды конденсатор С80 зарядится через R90, счетчик DD9 сбросится в исходное состояние по входу R. Таким образом, если вызывающий абонент уложил трубку, то через девять тональных посылок сигнала «ОТБОЙ» (короткие гудки – «ЗАНЯТО») линия АТС и GSM-канал автоматически освобождаются и шлюз переходит в режим ожидания входящего вызова.

После набора номера длинные гудки сигнала «КПВ» с частотой F=425 Гц также декодируются, но длительность паузы между сигналами намного больше времени заряда конденсатора С80. За время следования импульсов, формируемых декодером DA6, счетчик DD9 успевает сбрасываться и отключения шлюза не происходит. Во время сигналов «КПВ» светодиод HL4 включается на две секунды, а выключается на 4 секунды.

Речевой сигнал также может содержать нотки с частотой F = 425 Гц, которая будет декодирована. Такие моменты совпадения редки, носят хаотичный характер и отображаются короткими вспышками светодиода HL4. При подключенном шлюзе к телефонной линии подстроечным резистором R79 настраивают минимально-возможный уровень входного сигнала «КПВ» или «ЗАНЯТО», при котором выход 8DA6 еще переключается. В этом случае речевой сигнал декодироваться фактически не будет. Счетчик DD9, не досчитав до девяти, сбрасывается. Отключения шлюза не происходит.

5.3.9 Схема голосового детектора.

Схема шлюза дополнена голосовым детектором. Работая в паре со схемой детектора отбоя, голосовой детектор повышает надежность отключения шлюза от телефонной линии. Как в линии АТС, так и в канале GSM могут возникнуть непредвиденные сбои, например, «зависание» линии АТС или GSM-канала в безотбойном состоянии, пропадание речевого сигнала или отсутствие сигналов «ЗАНЯТО». Эти факторы могут оставить шлюз надолго подключенным к телефонной линии, удерживая GSM-канал в режиме разговора с соответствующими последствиями.

Как было сказано выше, после переключения триггера DD3.1 в «нулевое» состояние (занятие линии АТС шлюзом), уровень лог.1 с выхода 2DD3.1 закрывает диод VD53 и через R86 начинается зарядка конденсатора С77. Время заряда выбрано Т ≈ 18 секунд. Когда в телефонной линии присутствуют DTMF-посылки набора номера или речевой сигнал, с разговорного узла по шине «VOX DETECT» эти сигналы поступают на усилитель, выполненный на инверторе DD2.6. С выхода 6DD2.6 через разделительный С76 и ограничивающий ток R80 сигнал подается на активный детектор VT18. Диод VD52 срезает отрицательные полуволны сигнала, увеличивая чувствительность детектора. Транзистор VT25 открыт и через малое сопротивление канала С-И (Rси ≈ 10 Ом) эмиттер VT18 подключен к общему проводу схемы. От положительных полуволн VT18 открывается и периодически разряжает конденсатор С77, удерживая низкий уровень на входе 13DD4.3. Через диод VD55 уровень лог.1 поступает на вход 9DD5.2. Так как короткие гудки с F = 425 Гц отсутствуют, то VD54 закрыт, с конденсатора С79 на вход 8DD4.4 подано напряжение высокого уровня. Если в телефонной линии отсутствует речевой или другой сигнал, то напряжение на С77 через время Т = 18 секунд достигнет уровня лог.1. Запускается генератор на элементах DD4.3-R88-С78 и светодиод HL4 «таймер/отбой» начинает мигать. Проинвертированные элементом DD4.4 импульсы подсчитывает счетчик DD9.

Если речевой сигнал продолжает отсутствовать, через время Т ≈ 2 секунды (после подсчета пяти импульсов) уровень лог.1 появится на выходе «5» (1DD9) счетчика, при этом выход переноса «Р» (12DD9) примет значение лог.0. Транзистор VT25 закроется, отключив эмиттер VT18 от общего провода схемы. Теперь процесс завершения работы шлюза становится необратимым – не важно, появится речь или нет. Пока счетчик DD9 считает от пяти до девяти, с выхода 11DD4.3 импульсы с уровнем лог.0 четыре раза закроют диод VD55, разрешая прохождение низкому уровню от резистора R91 на вход 9DD5.2 – в разговорный тракт от генератора на DD1.3 по шине «TONE» поступят четыре звуковых предупреждающих сигнала. После девятого импульса уровень лог.1 появится на выходе «9» (11DD9) счетчика DD9. Дифференцирующая цепь С81-R92-VD57 сформирует импульс высокого уровня. Транзистор VT24 кратковременно откроется и на входе 8DD1.2 появится импульс с уровнем лог.0. С выхода 10DD1.2 импульс с уровнем лог.1 сбросит триггер DD3.1 в «единичное» (исходное) состояние по входу S (6DD3.1). Шлюз отключится от телефонной линии. Этот же импульс кратковременно откроет VT8 (отбой) и произойдет сброс соединения по GSM-каналу. Через время Т ≈ 1,5…1,8 секунды конденсатор С80 зарядится напряжением с резистора R90 и счетчик DD9 вернется в начальное состояние.

Таким образом, если в речевом тракте шлюза отсутствуют какие-либо сигналы в течение двадцати секунд, то шлюз, выдав четыре предупреждающих звуковых сигнала, отключится от телефонной линии и сбросит соединение по GSM-каналу.

5.3.10 При входящем вызове по сотовой сети.

Сначала занимается GSM-канал и сотовый телефон в шлюзе активируется. От схемы датчика тока на вход 13DD2.2 поступит лог.0. С выхода 12DD2 уровень лог.1 поступит на затвор VT21 и светодиод синего цвета HL3 «канал GSM» включится. С выхода 12DD2.2 уровень лог.1 по шине «АТС FT» также поступит в разговорный узел на вход FT (12DA3) и переключит чипкордер DA3 в режим сквозного канала. Через небольшую задержку, определяемую элементами R50 и С58, с выхода 4DD5.1 уровень лог.0 поступит на вход R (10DD3.2) и разрешит работу триггера DD3.2. После установления GSM-канала начинает поступать вызов. Фототранзистор оптрона VQ5.2, открываясь синхронно с посылками входящего вызова, формирует импульсы низкого уровня на входе 9DD2.1. С выхода 8DD2.1 импульсы высокого уровня через диод VD27 подаются на затвор VT19 и светодиод красного цвета HL1 «вызов АТС/GSM» вспыхивает. Эти же импульсы поступают на счетчик DD6.2 (выз.GSM).

Передний фронт импульсов через VD26 заряжает С55 и с выхода элемента 4DD4.2 уровень лог.0 по входу R (7DD6.2) разрешает работу счетчика. Подсчет импульсов происходит по заднему фронту на входе С2 (2DD6.2) счетчика. Постоянная времени Т = С55*R48 = 7 сек, поэтому, пока поступают импульсы, на входе 7DD6.2 удерживается лог.0. Через R52 уровень лог.0 поступает на 2DD4.1. С выхода 3DD4.1 уровень лог.1 блокирует счетчик DD6.1 по входу R (15DD6.1) на время работы счетчика DD6.2. Блокировка устраняет возможный сбой в алгоритме работы шлюза в случае появления входящего вызова по телефонной линии.

Выключателем SA2 можно задать число пропущенных звонков (от 1 до 15 в двоичном коде), прежде чем шлюз автоматически ответит на входящий вызов. Такая возможность позволяет «отсеять» нежелательные звонки. Для примера на схеме показан замкнутый контакт «8». С выхода схемы «диодное И» (VD35-VD38) на резисторе R57 уровень лог.1 появится после восьмой посылки вызова и поступит на тактовый вход С (11DD3.2) триггера DD3.2 (ответ GSM). На входе D (9DD3.2) уровень напряжения +5V от источника питания, поэтому триггер переключится в «единичное» состояние: на выходе 12DD3.2 – лог.0, а на выходе 13DD3.2 – лог.1.

Дифференцирующая цепь С57-R53-VD29 сформирует импульс высокого уровня на затворе транзистора VT9 (ответ). Транзистор кратковременно откроется и светодиод оптрона VQ1.2 вспыхнет. Фототранзистор VQ1.2 замкнет (клеммы С3 и К1) контактную площадку клавиши «ON» сотового телефона в шлюзе, формируя «автоответ» по GSM-каналу. Произойдет соединение с телефоном вызывающего абонента сотовой сети. Импульсы входящего вызова с уровнем лог.0 перестанут поступать на вход 9DD2.1. За время Т = 7 сек конденсатор С55 разрядится через R48 и на входе R (7DD6.2) установится лог.1, сбрасывающая счетчик DD6.2 в исходное состояние. На входе 11DD3.2 установится уровень лог.0, но триггер DD3.2 останется в «единичном» состоянии. Уровень лог.0 с выхода 12DD3.2 через диод VD42 продолжит удерживать заблокированным узел обработки входящего вызова по линии АТС на счетчике DD6.1.

Этот же лог.0 через цепь небольшой задержки R63-С62 закроет транзисторы VT15 и VT16 – на аноды светодиодов в оптронах VQ2 – VQ4 напряжение подаваться не будет. С выхода 13DD3.2 уровень лог.1 через транзистор VT7 включит реле К3 и контакты группы К3.1 переключатся. Теперь по шине «GSM DTMF» через замкнутые контакты 2-3 на вход приемника DD7 будут поступать DTMF-посылки набора номера с выхода SP- (7DA3) чипкордера DA3 в разговорном узле. С затвора транзистора VT9 по шине «GSM OGM» импульс с уровнем лог.1 также поступит в разговорный узел на вход PLAYE (2DA5) чипкордера DA5.

Чипкордер воспроизводит уведомление. По завершению сообщения на выходе LED (13DA5) сформируется импульс с уровнем лог.0 и длительностью Т = 84mS. Этот импульс по шине «GSM EOM» подается в точку соединения R45 и катода VD21. Через диод VD21 передний фронт импульса разрядит конденсатор С53, на входе 5DD3.1 триггера установится низкий уровень напряжения. Через резистор R45 задний фронт импульса переключит триггер DD3.1 в «нулевое» состояние. С выхода 2DD3.1 через диод VD43 уровень лог.1 по шине «АТС HOLD» поступит в разговорный узел. Линия АТС займется и чипкордер DA5 переключится в режим сквозного канала. Сигнал «ОТВЕТ СТАНЦИИ» (непрерывный гудок) через спикерфон DA4 и чипкордер DA5 начнет передаваться в микрофонную цепь сотового телефона в шлюзе и, соответственно, этот сигнал будет слышать вызывающий абонент сотовой сети. Уровень лог.1 с выхода 2DD3.1 через дифференцирующую цепь С60-R59-VD41 и резистор R60 должен открыть VT13 для подачи сигнала, но этого не произойдет, т.к. открытый диод VD28 шунтирует затвор транзистора VT13. Сигнал в данном случае не нужен, т.к. в разговорный тракт поступает сигнал «ОТВЕТ СТАНЦИИ». Далее вызывающему абоненту сотовой сети следует набрать номер вызываемого абонента городской телефонной сети.

5.3.11 Набор номера вызываемого абонента городской АТС.

На своем сотовом телефоне вызывающий абонент набирает номер и DTMF-посылки с контактов «SP+» и «SP-» на плате сотового телефона, установленного в шлюзе, по витой паре через разъем Х1 и трансформатор ТР2, чипкордер DA3 и спикерфон DA4 передаются в линию АТС. Эти же DTMF-посылки набираемого номера поступают на вход приемника DD7. В процессе декодирования на выходе раннего управления «ESt» (16DD7) высокий уровень напряжения появляется немедленно после опознавания DTMF-сигнала, а на выходе задержанного управления «StD» (15DD7) если длительность DTMF-сигнала T > 40mS. Кроме этого, высокий уровень на выходе 15DD7 присутствует в течение всего времени, пока на входе действует DTMF-сигнал (например, удерживается нажатой любая цифровая клавиша на сотовом телефоне вызывающего абонента) и пауза между двумя нажатиями более Т > 40mS. Оба выхода объединены по схеме «диодное ИЛИ». С катодов VD45 и VD47 высокий уровень напряжения по шине «MUTE» поступает в разговорный узел. Спикерфон DA4 принудительно переключается в режим передачи при обнаружении DTMF-сигналов.

5.3.12 Запрет междугородней связи по телефонной линии.

Входящий вызов по сотовой сети для шлюза является бесплатным, но если городской телефонный номер, к которому подключен шлюз, имеет выход на «межгород», то позвонивший абонент сотовой сети сможет воспользоваться этой возможностью и с помощью шлюза сделать междугородний звонок. Как результат – счет за междугородние переговоры в почтовом ящике. Поэтому, в схему шлюза добавлен узел блокировки междугородней связи. Работа узла основана на определении цифры, с которой начинается набор городского номера АТС. Если в телефонном номере первой набрана цифра «8», то произойдет отбой соединения по линии АТС и по GSM-каналу.

Узел блокировки выполнен на инверторах DD2.4 и DD2.5, RS-триггере DD1.4-DD5.3 и вентиле DD5.4. В исходном состоянии, когда на выходе 13DD3.2 уровень лог.0, выходы RS-триггера в состоянии: на 11DD1.4 – лог.0, на 3DD5.3 – лог.1. Через открытый диод VD49 на входе 13DD5.4 – лог.0, а на выходе 11DD5.4 – лог.1. После ответа на входящий вызов по GSM-каналу на выходе 13DD3.2 – лог.1, тогда входы RS-триггера 13DD1.4 и 2DD5.3 примут значение лог.1, следовательно, на выходах RS-триггера состояние не изменится.

Если первой набрана любая цифра номера, кроме восьмерки, то на выходе «8» (9DD8) дешифратора уровень лог.1 не изменится и оставит диод VD50 в закрытом состоянии. После декодирования DTMF-посылки на выходе 15DD7 формируется уровень лог.1, который закрывает диод VD46, поэтому с резистора R73 на вход 1DD2.4 поступит высокий уровень напряжения. С выхода 2DD2.4 уровень лог.0 поступит на 13DD1.4 и переключит RS-триггер в состояние: на 11DD1.4 – лог.1, на 3DD5.3 – лог.0. Вентиль блокируется уровнем лог.0 на входе 12DD5.4. Декодирование DTMF-посылок цифры «8» в номере не будет приводить к отключению шлюза – на выходе вентиля 11DD5.4 всегда удерживается уровень лог.1.

Если первой цифрой номера набрана восьмерка, то уровень лог.0 с выхода «8» (9DD8) дешифратора откроет диод VD50, который заблокирует прохождение высокого уровня с R73 на вход 1DD2.4, т.е. запретит переключение RS-триггера. Одновременно уровень лог.0 проинвертируется элементом DD2.5 и с выхода 4DD2.5 через R74 высокий уровень поступит на 13DD5.4 (диод VD49 закрыт). Так как на входе 12DD5.4 уровень лог.1, то с выхода 11DD5.4 через открытый диод VD51 низкий уровень поступит на вход 8DD1.2. Высокий уровень с выхода 10DD1.2 установит триггер DD3.1 в исходное «единичное» состояние – шлюз отключится от линии АТС. Этот же сигнал откроет транзистор VT8 (отбой) – произойдет отбой соединения по GSM-каналу.

6. Дополнительные индикаторы для передней панели.

На РИС.12 показаны светодиодные и стрелочные индикаторы, установленные на передней панели корпуса шлюза. Светодиоды HL1 и HL2 отображают состояние аттенюаторов в микросхеме МС34118, а стрелочные индикаторы РА1.1 и РА1.2 позволяют отслеживать относительные уровни сигналов в речевом тракте шлюза. Показаны точки подключения индикаторов к схеме разговорного узла (РИС.5).

Светодиодами HL1 и HL2 управляет микросхема LM393, содержащая два микромощных компаратора с выходом «ОК». Подстроечными резисторами R2 и R4 на входах 5DA1.1 и 2DA1.2 устанавливают соответствующие опорные напряжения. Другие два входа 6DA1.1 и 3DA1.2 соединяются и подключаются к выходу «СТ» спикерфона DA4. Когда в спикерфоне сигнал передается от телефонной линии в микрофонную цепь сотового телефона, включается светодиод HL1 зеленого цвета (режим приёма). Когда сигнал передается от динамика сотового телефона в телефонную линию, включается светодиод HL2 красного цвета (режим передачи). После подключения индикатора к схеме пришло понимание, что с индикатором очень удобно подбирать элементы входных RC-цепей четырех детекторов уровня и отслеживать прохождение речевых сигналов через чипкордеры DA3, DA5 и спикерфон DA4. Его надо было сделать и подключить на самом раннем этапе настройки разговорного тракта. Светодиодный индикатор – удобная альтернатива подключениям щупов цифрового мультиметра к выводу «СТ» спикерфона.

Стрелочный индикатор имеет больше декоративное назначение для оформления передней панели шлюза. Тем не менее, он поможет оценить и сравнить уровни сигналов приёма и передачи. Схема управления стрелочным индикатором PA1 выполнена на низковольтном УМЗЧ типа TDA7050 (Philips). Применение микросхемы обусловлено лишь тем, что она содержит два одинаковых УМЗЧ, не требующих внешних элементов обвязки. Схему управления индикатором можно применить любую другую. Построечными резисторами R8 и R10 входной сигнал настраивают так, чтобы стрелки индикаторов PA1.1 и PA1.2 по шкале не пересекали уровень 0dB при нормальном уровне речевого сигнала в обоих режимах работы. Допускается индикация уровня +3 dB, когда в речевом тракте шлюза появляются DTMF-посылки набираемого номера. Настроить следует так, чтобы стрелки прибора «не зашкаливали». С выходов 7DA2.1 и 6DA2.2 через разделительные С3 и С4 сигналы подаются на однополупериодные выпрямители (VD1-VD4). Выпрямленные сигналы сглаживают конденсаторы С5 и С6, а резисторы R11 и R12 ограничивают ток через измерительные рамки приборов PA1.1 и PA1.2.

7. Практическая конструкция шлюза.

Далее на ФОТО с краткими пояснениями показан процесс сборки схемы шлюза в законченное устройство.

Разобранный телефон «ALCATEL» подготавливается для работы в макете шлюза. К контактам на его плате для подключения микрофона, динамика, вибромоторчика подпаиваются провода и выводятся на разъем. На этот же разъем подходят провода от контактов для подключения аккумулятора. Штатная антенна отключается. Для управления клавиатурой устанавливается отдельный разъем:

Изготовление многожильного плоского шлейфа для управления клавиатурой. Первый провод шлейфа отмечен белым маркером:

Проба подачи питания и набора номера. Для устранения треска в разговорном тракте пробуется подключение развязывающего звукового трансформатора, а также испытания передачи записанного сообщения с модуля записи/воспроизведения:

Часть узлов принципиальной схемы шлюза уже проверена. Для удобства испытаний платы макета размещены на деревянной основе. На плате разговорного узла установлены два звуковых развязывающих трансформатора и два чипкордера:

На этом фото виден кабель, подключенный к антенному выходу на плате сотового телефона. Антенной является очищенный от экранировки участок, длиной 15-20 мм:

В ходе дальнейшей отработки схемы устройства, платы приобрели фактически законченный вид. После некоторых доработок эти платы будут установлены в корпус шлюза:

Плата А3 показана слева (схема определения активности и стабилизатор питания сотового телефона). Плата А1 показана справа (диодные мосты, сглаживающие конденсаторы и стабилизатор с Uвых=12V):

Из двухстороннего фольгированного текстолита толщиной 1,5 мм был изготовлен остов для установки плат и трансформатора внутри корпуса. Он, также, выступает в роли экрана для каждой платы в отдельности. Платы крепятся через медные втулки винтовыми соединениями:

Крепление трансформатора и плат А1, А3:

Изготовление фальш-панели для крепления сотового телефона и всех элементов, которые будут выведены на переднюю панель корпуса шлюза:

Изготовление платы управления дополнительными индикаторами и её установка на корпусе стрелочного индикатора:

Плата на корпусе индикатора крепится с помощью термоклея:

Сверлятся и выпиливаются отверстия под кнопки и светодиоды, экран телефона и стрелочный индикатор. Для установки индикаторов приема и передачи стрелочный индикатор разбирается. Крепление фальш-панели к передней панели корпуса:

Далее все платы соединяются согласно принципиальной схеме проводами, гибкими многожильными шлейфами и витыми парами. К разъемам на платах подключаются ответные разъемы гибких шлейфов для соединения узлов между собой:

Из такого же двустороннего текстолита толщиной 1,5 мм изготовлен корпус. Стенки корпуса соединены между собой припоем с внутренних сторон. Затем корпус был обернут самоклеющейся пленкой. Получилось немного броско и похоже на что-то «дискотечное». Со временем надо будет переделать – обернуть пленкой с более скромной расцветкой:

Из корпуса через вентиляционное отверстие временно вытащен антенный кабель. На задней стенке расположились предохранитель FUSE, сетевые (~220V) разъем и выключатель, телефонный разъем RJ11. Два выключателя SA1 и SA2 (DIP-8) для установки числа пропущенных звонков заменены одним в корпусе DIP-16. В окончательном варианте на задней панели установлен разъем (тип SMA, приборная часть, «мама») для подключения коаксиального антенного кабеля. Перед установкой разъема фольгированное покрытие текстолита было удалено с обеих сторон:

Далее показано оформление передней панели шлюза. Опробованы два варианта. В принципе, оба варианта дают хороший результат. В первом варианте бумага, на которой напечатаны надписи, крепится прозрачной самоклеющейся пленкой методом заворачивания краёв за переднюю панель. Здесь лучше применить обычную тонкую бумагу для принтера. Для печати рисунков и надписей сначала были сняты все размеры между элементами, расположенными на передней панели. Рисунок сделан на компьютере и распечатан на принтере, а затем вырезаны все необходимые отверстия:

Края прозрачной самоклеящейся пленки заворачивают за переднюю панель шлюза и приклеивают к текстолиту с внутренней стороны:

Второй вариант сделан методом ламинирования бумаги. Здесь лучше использовать бумагу более плотную (как фотобумага). Таким же образом, как в первом методе, рисунок распечатывается на принтере. Затем бумагу ламинируют. После этого вырезаются все необходимые отверстия. Например, отверстия под кнопки и светодиоды пробивают с помощью металлической трубочки с острыми краями и молотка, отверстия под стрелочный индикатор и экранчик телефона вырезают острым монтажным ножом по линейке. Заламинированная бумажная панель с надписями к передней панели шлюза крепится клеевым соединением:

На заключительном этапе была добавлена подсветка стрелочного индикатора – сверх яркий светодиод белого цвета с диаметром линзы d = 5 мм, подключенный через ограничивающий ток резистор R = 1К к источнику с Uвых = 12V:

8. Заключение.

Изготовленный GSM-шлюз в настоящее время эксплуатируется и очень выручает при необходимости связаться с коллегами по работе, находящимися в очередных или административных (больничных) отпусках, решить возникшие сиюминутные вопросы по работе, не дожидаясь, когда человек выйдет из отпуска и появится на рабочем месте. Теперь не надо стучаться в кабинет к начальнику с просьбой воспользоваться его телефоном, имеющим выход на межгород. Удобно, когда можно позвонить на сотовый телефон родственникам, проживающим в других городах, не дожидаясь окончания рабочего дня.

Все то же самое справедливо и для входящей связи на номера городских телефонов – появилась возможность позвонить с сотового телефона на любые телефонные номера режимного предприятия.

В представленном варианте сборки элементы схемы расположены на нескольких платах, на которых проверялась работоспособность принципиальной схемы, затем платы были установлены в готовую конструкцию устройства. Но, все-таки лучше, когда элементы размещены на одной плате. Меньше проводов – меньше наводок и других помех.

Ниже показана схема разговорного узла, в котором передача DTMF-посылок набираемого номера в телефонную линию немного отличается от исходного:

Во время передачи и приема речевых сигналов на шине «MUTE» установлен низкий уровень напряжения. Транзисторы VT2-1, VT2 и VT4 закрыты. Через резистор R7-4 высоким уровнем на затворе открыт транзистор VT2-2. Прохождение речевого сигнала по цепи С18-(R7-2)-(R7-3)-(С18-1) шунтируется конденсатором С18-3.

Когда появляются DTMF-посылки набираемого номера, на шине «MUTE» формируется высокий уровень напряжения, который через резистор R16 открывает транзисторы VT2-1, VT2 и VT4. Прохождение DTMF-сигналов по цепи (R7-1)-R7-С27 шунтируется конденсатором С18-2, а любых сигналов с телефонной линии – открытым VT4.

Открытый VT2-1 шунтирует затвор транзистора VT2-2, поэтому DTMF-сигналы будут поступать сразу на вход HTI (выв.7DA4) парафазного усилителя спикерфона, а не на вход TXI (выв.9DA4) передающего аттенюатора. Таким образом, спикерфон DA4 принудительно не устанавливается в режим передачи и DTMF-сигналы «насквозь» транслируются в линию АТС. Представляется, что такая реализация набора номера будет надежнее, чем в исходном варианте схемы.

Здесь приводится «шпаргалка», показывающая порядок действий при звонке через GSM-шлюз «ЖЕЛЕЗНЫЙ ФЕЛИКС»:

Возможно, принципиальные схемы некоторых узлов требуют более тщательной проработки. Например, для упрощения транзисторы можно заменить логическими элементами. Но, это уже следующий этап модернизации устройства…

Видео работы устройства

 

 

 

Автор материала: Александр Борисов