Dieser Artikel beschreibt die Einbindung eines GSM-Mobiltelefons in ein bestehendes analoges Telefonnetzwerk bzw. in die analoge Telefonleitung. Im Ergebnis des Projekts entstand der Prototyp eines Geräts, das die Bündelung verschiedener Kommunikationskanäle (Festnetz, GSM-Netz) beim Endanwender ermöglicht. Die Fertigstellung des Prototypen stellt einen ersten funktionsfähigen Demonstrator für dieses neuartige Konzept zur Verfügung und bildete damit die Grundlage für spätere Produkte der Siemens AG (HomeStation und 2phone). Das Projekt wurde im Rahmen einer Diplomarbeit durchgeführt.

Produziertes Fertiggerät der Anschlussbox zur Verbindung eines GSM Mobiltelefons mit dem analogen Telefonnetz, mit dem Mobiltelefon als zusätzlicher Anschlussleitung.

 

1. Einleitung

Ziel des Projektes ist die Entwicklung und technische Realisierung einer Schnittstelle zwischen GSM-Mobiltelefon und analogem Festnetz. Es sollen Wege aufgezeigt werden, wie die Vorteile eines herkömmlichen analogen Telefons im Zusammenhang mit dem Mobiltelefon nutzbar gemacht werden können. Im Vordergrund stehen dabei die Funktionen Lauthören, Freisprechen, die Nutzung vorhandener Telefonregister und des stationären Anrufbeantworters. Dem Anwender soll es ermöglicht werden, alle Gespräche über ein gemeinsames Telefongerät zu führen, unabhängig davon, ob das Gespräch über den Kommunikationsweg des analogen Festnetzes oder des GSM-Telefons geführt wird. Zielgruppe dieser Entwicklung sind sowohl Anwender im Office-, als auch im Heimbereich. Bei Eintreffen des Anwenders im jeweiligen Bereich stellt dieser sein Mobiltelefon in eine entsprechende Halterung bzw. Ablage. Von diesem Zeitpunkt an werden alle ankommenden Gespräche auf das Standardtelefon des Anwenders weitergeleitet. Für abgehende Gespräche soll dem Anwender eine Auswahlmöglichkeit für den gewünschten Kommunikationsweg (analoges Festnetz oder GSM-Mobilfunknetz) zur Verfügung gestellt werden. Zusätzlich soll das Mobiltelefon während der Anwesenheit im Büro bzw. der Wohnung geladen werden. Abbildung 1 stellt die Verknüpfung der verschiedenen Dienste in einem Gerät dar.

Funktionsübersicht der Anschlussbox zur Verbindung eines GSM Mobiltelefons mit dem analogen Telefonnetz, mit dem Mobiltelefon als zusätzlicher Anschlussleitung.

Abb. 1: Idee der Verknüpfung von analogem Festnetz und Mobiltelefon

 

2. Realisierung

In Abbildung 2 ist das Blockschaltbild des entstandenen Demonstrators dargestellt. Es zeigt die wichtigen Funktionsgruppen sowie deren Verbindungen untereinander und zu den angeschlossenen Geräten.

Blockdiagramm der Anschlussbox zur Verbindung eines GSM Mobiltelefons mit dem analogen Telefonnetz, mit dem Mobiltelefon als zusätzlicher Anschlussleitung.

Abb. 2: Übersicht der Funktionsblöcke

Die zentrale Baugruppe des Demonstrators ist ein Mikrocontroller. Er enthält die Software und steuert anhand des vorgegebenen Ablaufes alle anderen Baugruppen in Reaktion auf Befehle des Benutzers sowie Ereignisse, die von den angeschlossenen Geräten ausgehen. Außerdem kommuniziert er über eine serielle Schnittstelle mit dem Mobiltelefon und steuert dieses durch spezielle Kommandos. Da sich die elektrischen Pegel der seriellen Schnittstelle an Mobiltelefon und Mikrocontroller unterscheiden, muss eine Pegelanpassung vorgenommen werden.
Die Ankopplung des analogen Telefons wird durch einen SLIC (Subscriber Line Interface Circuit) realisiert. Dieser Interfaceschaltkreis setzt die Audiosignale um, stellt die für den Betrieb des Telefons benötigten Spannungen bereit, erzeugt bei Bedarf die Klingelspannung und meldet, wenn der Hörer abgehoben wird. Für die Bereitstellung der benötigten Spannungen sorgt ein im Schaltkreis integrierter DC/DC-Wandler. Er muss mit einem stabilen Takt versorgt werden, der über einen Frequenzteiler aus dem Systemtakt des Mikrocontrollers gewonnen wird.
Als Schnittstelle zum Festnetzanschluss dient ebenfalls ein spezieller Telekommunikationsschaltkreis. Neben der Umsetzung der Audiosignale meldet er dem Mikrocontroller ein eintreffendes Klingelsignal und ist für das Abheben bzw. Auflegen des Festnetzanschlusses zuständig.
Für die Erkennung der vom analogen Telefon gesendeten DTMF-Töne ist ein Dekoder notwendig. Dieser Dekoder liefert Informationen über erkannte DTMF-Töne direkt an den Mikrocontroller. Als Referenzfrequenz für die Dekodierung wird der Systemtakt verwendet.
Die Stromversorgung des Demonstrators kann aus dem Ladegerät des Mobiltelefons erfolgen. Die Versorgung der Baugruppen wird durch das Spannungsversorgungsmodul sichergestellt.
Die integrierte Laderegelung stellt sicher, dass die Spezifikationen des Mobiltelefons hinsichtlich des Ladestroms eingehalten werden.

Die technische Umsetzung der beschriebenen Funktionsgruppen in einen funktionsfähigen Demonstrator erfolgte in mehreren Stufen. Zunächst erfolgte ein Nachweis der Funktionalität des Gesamtsystems mit einem Versuchsaufbau, der mit Hilfe von Demonstrationsmodulen (teilweise von den Herstellern der eingesetzten Komponenten bereitgestellt, teilweise selbst gefertigt) einzelner Funktionsblöcke realisiert wurde.

Versuchsaufbau der Anschlussbox zur Verbindung eines GSM Mobiltelefons mit dem analogen Telefonnetz, mit dem Mobiltelefon als zusätzlicher Anschlussleitung.

Abb. 3: Erster Versuchsaufbau zum Nachweis der Funktionalität

Abbildung 3 zeigt den ersten Versuchsaufbau mit aufgesetztem Simulator für die Funktionen des verwendeten Mikrocontrollers.Im nächsten Schritt wurde der Versuchsaufbau auf die Größe einer Europlatine (100×160 mm) komprimiert. Der im Ergebnis entstandene erste Prototyp diente vor allem dazu, eine Feinabstimmung der Schnittstellen zwischen den verwendeten Bausteinen vorzunehmen.

Zweiter Prototyp der Anschlussbox zur Verbindung eines GSM Mobiltelefons mit dem analogen Telefonnetz, mit dem Mobiltelefon als zusätzlicher Anschlussleitung.

Abb. 4: Erster funktionsfähiger Prototyp

Abbildung 4 zeigt den ersten funktionsfähigen Prototypen, der bereits die volle Funktionalität des geplanten Demonstrators aufweist. Eingeschränkt durch den mechanischen Aufbau (Größe der Platine und eingeschränkte Betriebssicherheit durch die notwendige Verdrahtung) ist dieser Prototyp jedoch noch nicht als Demonstrator verwendbar.Daher wurde im abschließenden Schritt ein Leiterplattenlayout erstellt, die Leiterplatte gefertigt und manuell bestückt.

Dritter und finaler Prototyp der Anschlussbox zur Verbindung eines GSM Mobiltelefons mit dem analogen Telefonnetz, mit dem Mobiltelefon als zusätzlicher Anschlussleitung.

Abb. 5: Ergebnis des Projektes: Demonstrator für die Schnittstelle zwischen Mobiltelefon und analogem Festnetz (Darstellung ohne Gehäuse)

Abbildung 5 zeigt die bestückte und getestete Leiterplatte des einsatzfähigen Demonstrators. Dieser stellt die in der Einleitung beschriebene Funktionalität für die Kopplung von Mobiltelefon und analogem Festnetz, d.h. die Weitervermittlung von Gesprächen vom Mobiltelefon zum Festnetzgerät und umgekehrt, zur Verfügung. Gleichzeitig bleibt die Funktionalität des gewohnten analogen Telefonanschlusses bestehen. Der Anwender hat die Möglichkeit, bei jedem ausgehenden Gespräch zu wählen, ob es über den Festnetzanschluss oder über das GSM-Mobilfunknetz geführt werden soll. Außerdem bietet der Demonstrator eine Ladefunktion für das Mobiltelefon. Durch Erweiterung der Firmware des Mikrocontrollers konnten weitere Leistungsmerkmale realisiert werden. Hervorzuheben sind insbesondere die Möglichkeit, mit zwei Gesprächspartnern abwechselnd auf den beiden zur Verfügung stehenden Leitungen zu sprechen (Makeln) oder eine Konferenzschaltung mit den Gesprächspartnern aufzubauen (Dreierkonferenz).

3. Funktionen des Demonstrators

Mit Hilfe des Demonstrators ist es möglich, ein Gespräch über das analoge Telefon aufzubauen. Dabei kann der Benutzer auswählen, über welchen der beiden Anschlüsse, Mobiltelefon oder Festnetzanschluss, er das Gespräch führen möchte. Damit die Sprachsignale übertragen werden können, ist es notwendig, eine Audioverbindung zwischen analogem Telefon und dem ausgewählten Anschluss herzustellen. Solange beide Gesprächspartner miteinander kommunizieren, wird das Gespräch als aktiv bezeichnet. Dann sind auch die Audioverbindungen zwischen analogem Telefon und Anschluss hergestellt. Es ist aber auch möglich, das Gespräch inaktiv zu schalten, es wird dann am jeweiligen Anschluss gehalten. Konkret bedeutet dies, dass die Audioverbindungen zum Anschluss unterbrochen werden, der Anschluss selbst aber aktiv bleibt, also nicht aufgelegt wird. Das ist zum Beispiel notwendig, wenn auf beiden Anschlüssen unterschiedliche Gesprächspartner warten, mit denen abwechselnd gesprochen werden soll, ohne dabei ständig das Gespräch beenden zu müssen (Makeln-Funktion). Ein Gespräch wird erst beendet, wenn der Anschluss deaktiviert, das heißt aufgelegt wird.
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Bedienung des Demonstrators ausschließlich über das angeschlossene analoge Telefon.
Hebt man den Hörer ab, so wird wie gewohnt die Verbindung zum Festnetzanschluss hergestellt und man kann durch Wahl der Telefonnummer den gewünschten Gesprächspartner rufen. Die Verbindung wird auch hergestellt, wenn ein Rufsignal vom Festnetz eintrifft. Mit dem Abheben des Telefonhörers wird das Gespräch angenommen. Trifft jedoch ein Rufsignal am Mobiltelefon ein, so wird beim Abheben des Hörers dieses Gespräch angenommen und der Festnetzanschluss bleibt aufgelegt. Mit dem Auflegen des Telefonhörers werden alle gerade aktiven Gespräche beendet und die Verbindungen getrennt. Alle wartenden Gespräche, die zum Beispiel durch die Makeln-Funktion in den Hintergrund verwiesen wurden, werden weiter gehalten und am aufgelegten Telefon durch ein Klingelsignal angezeigt.
Der Wahlvorgang für den Gesprächsaufbau am Mobiltelefon unterscheidet sich nur unwesentlich vom Wahlvorgang am Festnetz. Nachdem mit einem der nachfolgend beschriebenen Steuerzeichen zum Mobiltelefon umgeschaltet wurde, ist der Wählton zu hören, die Rufnummer kann jetzt eingegeben werden. Nach jeder Ziffer wird geprüft, ob innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens (ca. 10 Sekunden) die nächste Ziffer folgt. Ist die Rufnummer vollständig, so schließt sich keine weitere Ziffer an und der Wahlvorgang am Mobiltelefon wird nach der eingestellten Zeitspanne ausgelöst. Diese Wartezeit kann durch Betätigen der Raute-Taste („#“) umgangen werden. In diesem Fall wird die vorher eingegebene und im Demonstrator zwischengespeicherte Rufnummer sofort zum Mobiltelefon übertragen.
Die Steuerung des Demonstrators erfolgt über das R-Flash-Signal, dem eine Ziffer, die auf der Tastatur des Telefons eingegeben wird, folgt. Das R-Flash-Signal wird durch Betätigen der R-Taste am Telefon ausgelöst. Da das R-Flash-Signal zur Steuerung des Demonstrators benötigt wird, ist für die Ausgabe des Signals an das Festnetz (zum Beispiel zur Nutzung der T-Net-Funktionen im Netz der Telekom AG oder für die Steuerung von Nebenstellenanlagen) die Kombination von „R“ und Raute (“#“) definiert. Diese Kombination bewirkt ein kurzes Auflegen des Festnetzanschlusses, was dem R-Flash-Signal entspricht.
Falls während eines Telefongesprächs auf dem gerade nicht aktiven Anschluss ein Ruf ankommt, so wird dieser mit einem Anklopfton signalisiert. Dieser Ton lässt sich mit „R“, gefolgt von der Ziffer Null abschalten. Nach dem Auflegen des Telefonhörers ist das Anklopfen wieder eingeschaltet.
Mit der Kombination „R“ und „2“ (Steuerzeichen „R 2“) kann zwischen Mobiltelefon und Festnetzanschluss umgeschaltet werden. Diese Funktion wird auch als Makeln bezeichnet. Die Audioverbindungen zum gerade verwendeten Anschluss werden getrennt, das Gespräch wird jedoch nicht beendet, sondern am Anschluss gehalten. Anschließend werden die Audioverbindungen zum anderen Anschluss freigeschaltet und ein eventuell gehaltenes Gespräch kann fortgesetzt werden. Falls auf diesem Anschluss noch kein Gespräch aktiv war, so ist der Wählton zu hören und die Eingabe der Rufnummer kann erfolgen.
Eine ähnliche Funktion haben die Zeichen „R 6“ und „R 7“. Diese schalten jedoch nicht bei jeder Betätigung zwischen den Anschlüssen um, sondern stellen die Audioverbindung zu einem definierten Anschluss her. „R 6“ schaltet auf den Festnetzanschluss und „R 7“ auf das Mobiltelefon um. Besteht bereits eine Verbindung zum ausgewählten Anschluss, wird der Befehl ignoriert. Gerade aktive Gespräche werden –wie beim Steuerzeichen „R 2“- nicht beendet, sondern am Anschluss gehalten.
Die Befehle „R 4“ und „R 5“ beenden ein aktives Gespräch und schalten danach auf den jeweils anderen Anschluss um. „R 4“ beendet ein Gespräch auf dem Festnetzanschluss und schaltet die Audioverbindung zum Mobiltelefon frei, „R 5“ beendet das Gespräch auf dem Mobiltelefon und stellt die Audioverbindung zum Festnetzanschluss her. Mit dem Steuerzeichen „R 1“ kann ein gehaltenes Gespräch beendet werden, ohne dass es vorher noch einmal aktiviert wird. Der Befehl führt zur Beendigung aller gerade nicht aktiven Gespräche.
Durch den Befehl „R 3“ wird die Dreierkonferenz eingeleitet. Hierbei werden zusätzlich zu den Audioverbindungen von Telefon zu Festnetz und Telefon zu Mobiltelefon auch Audioverbindungen zwischen Festnetz und Mobiltelefon geschaltet, so dass alle Gesprächspartner miteinander sprechen können.

 

4. Zusammenfassung

In diesem Projekt wurde eine Schnittstelle zwischen GSM-Mobiltelefon und analogem Festnetz realisiert. Im Ergebnis steht ein leistungsfähiger Demonstrator zur Verfügung, der dem Anwender neben der geforderten Grundfunktionalität, der Einbindung des Mobiltelefons in die bestehende Kommunikationsstruktur, auch Komfortmerkmale wie Makeln und Dreierkonferenz zur Verfügung stellt. Er soll veranschaulichen, wie die bisher nebeneinander existierenden Kommunikationsnetze wirkungsvoll und für den Anwender nutzbringend verknüpft werden können, ohne dabei deren Möglichkeiten einzuschränken.
Der Demonstrator bildet die Grundlage für weiterführende Entwicklungen. Abbildung 6 zeigt beispielhaft das im Handel erhältliche Produkt „2phone“ der Siemens AG mit verbundenem Mobiltelefon S25. Mit ähnlicher Funktionalität wird auch das Produkt „Homestation“ der Siemens AG vertrieben.

Produziertes Fertiggerät der Anschlussbox zur Verbindung eines GSM Mobiltelefons mit dem analogen Telefonnetz, mit dem Mobiltelefon als zusätzlicher Anschlussleitung.

Abb. 6: Im Handel erhältliches Endprodukt (hier Siemens 2phone mit Siemens Mobiltelefon S25)