עמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים > מערכות תקשורת
גליליאו : כתב עת למדע ומחשבה



תקציר
חיוג הצלילים הומצא בשנת 1908, אך הפיכתו לשיטת החיוג העיקרית נמשכה יותר מחצי מאה. צלילי החיוג  מאפשרים לנו לבצע פעולות מגוונות דרך מכשיר הטלפון. איך זה עובד?



אם ידוע לכם מספר השלוחה, חייגו כעת
מחבר: ד"ר אמיר בן-שלום


איך זה עובד
צלילי החיוג הם יצורים מופלאים שמאפשרים לנו לבצע פעולות מגוונות דרך מכשיר הטלפון, אבל איך יבחינו מערכות הטלפוניה בין צליל חיוג אמיתי לסתם צפצוף של מכונית חולפת? הפתרון טמון בשיטת הקידוד של הצלילים

החיים בעולם המודרני מחייבים לפעמים התמודדות עם משימות מעצבנות במיוחד, למשל הניסיון לטלפן למשרד שבו מותקנת מערכת אוטומטית לניתוב שיחות: "אם ידוע לכם מספר השלוחה חייגו עכשיו. למכירות לחצו 2, למזכירות 1, לשלוחה 3 לחצו 4, לתפריט הראשי לחצו 0, ואם ברצונכם ללחוץ 5 לחצו 3 ולאחר מכן כוכבית".

השימוש בלחצני הטלפון להתקשרות עם מערכות אוטומטיות פועל לא רק במערכות לניתוב שיחות. כיום אפשר לקבל דרך הטלפון מגוון רחב של שירותים: הזמנת כרטיסי קולנוע, השכמה טלפונית, תשלום חשבונות, משיכת הודעות קוליות, ביצוע פעולות בנקאיות ועוד. המתוחכמים (והעשירים) שבינינו יכולים לצייד את ביתם במערכות שיאפשרו להם לשלוט באמצעות הטלפון במכשירי החשמל או במערכת האזעקה שבבית.

אי אפשר להתעלם מיתרונותיהן של מערכות אלו על המענה האנושי: ניתן להפעילן 24 שעות ביממה מבלי לשלש את מספר העובדים, לתת שירות בה-בעת למספר רב של פונים ולהתאים את השירות למספר רב של שפות בקלות יחסית. החיסרון העיקרי של מערכות אלו הוא ברור: חוסר גמישות ומוגבלות של יכולת ה"חשיבה" ושיקול הדעת.

צליל חיוג או סתם שריקה?

התכונה החשובה ביותר של מערכות אוטומטיות אלו היא היכולת לזהות את המספרים שאנו מחייגים אליהן. מכיוון שהספרות המחויגות הן האמצעי היחיד שבעזרתו אנו מעבירים מידע למחשב הנמצא בצידו השני של הקו, הזיהוי חייב להיות אמין ומדויק. טעות עלולה להסתיים במקרה הטוב בהזמנת שני כרטיסים להצגה ראשונה במקום כרטיס אחד להצגה שנייה, ובמקרה הרע בחיוב חשבון הבנק שלנו ב-6,000 שקל במקום ב-60.

המחשב מזהה את הספרות על ידי זיהוי הצלילים המלווים אותן. כידוע, כל אחד מלחצני הספרות משמיע צליל ייחודי כשלוחצים עליו. צלילים אלה, המכונים צלילי חיוג (לא לבלבל עם הצליל הנשמע כשהקו פנוי), נשמעים באפרכסת, אך גם מועברים בצורת אות חשמלי דרך קו הטלפון אל המנוי שאיתו אנו מדברים. צלילים אלה הם סטנדרט מקובל כמעט בכל העולם.

הבעיה היא שקו הטלפון מעביר לא רק את צלילי החיוג, אלא בעיקר את הקולות והצלילים הנקלטים במיקרופון. מה מבטיח שצפירת מכונית, שריקה או נגינה על פסנתר ברקע לא ייקלטו במיקרופון ויפוענחו על ידי המחשב כמו צליל של אחת הספרות, כדי למנוע זאת מוגדרים צלילי החיוג בצורה ההופכת אותם לחסינים במידה רבה בפני שיבושים.

כל צליל חיוג מורכב משילוב של שני צלילים בתדרים שונים. תדר אחד עבור השורה שבה נמצא הלחצן, ותדר שני עבור העמודה. כך, למשל, כאשר אנו לוחצים על הספרה 5 נשמע צליל המורכב משני תדרים: 770 הרץ (770 תנודות בשנייה) ו-1,336 הרץ.


צלילי החיוג של הספרות השונות. הצליל של כל ספרה
מורכב משתי תדירויות: תדר השורה ותדר העמודה

הסיכוי שבה בעת יישמעו ברקע שני צלילים היוצרים צליל חיוג הוא נמוך למדי. בנוסף, שבעת התדרים (ארבעה לשורות ושלושה לעמודות) המרכיבים את צלילי החיוג נקבעו בצורה שתקשה על חיקויים: אף אחד מהם אינו תו מוזיקלי (לפחות לא בכלי נגינה המכוון כהלכה) או הרמוניה (כפולה) שלו. צלילים אלה גם אינם תדירויות המשמשות במכשירי חשמל ביתיים (או הרמוניות שלהם), ואינם הרמוניים זה לזה. נושא ההרמוניות, או בשפת המוזיקאים, הצלילים העיליים (overtones), חשוב מאוד.

מעגלים אלקטרוניים רבים, כולל כאלה המייצרים צלילי חיוג, מפיקים אותות בצורת גל מרובע ולא גל סינוסי חלק. גל מרובע הוא למעשה חיבור של סדרת אותות בתדירויות שהן כפולות של התדירות היסודית. למשל, מערכת הקולטת אות בתדירות של 1,500 הרץ (Hz) אינה יכולה לדעת אם זהו התדר הבסיסי שאותו התכוון המשדר שתקלוט, או שהשידור המקורי היה של גל מרובע בתדירות של 500 הרץ, ומה שנקלט הוא ההרמוניה שלו. אפילו אם האות המקורי הוא אות סינוסי חלק, הוא עלול להתעוות ולהפוך למרובע כשהוא עובר דרך מעגלים אלקטרוניים בדרך. כך, למשל, אם המעגל האלקטרוני אינו מסוגל להעביר את מלוא עוצמת האות, צורת הסינוס תקוצץ ותהפוך קרובה יותר למרובעת.

קו הטלפון אשם

אם כל כך חשוב להבטיח שצלילי החיוג יזוהו במדויק וצלילים אחרים לא ייקלטו במיקרופון, למה בכלל משתמשים בצלילים שנמצאים בטווח השמיעה של בני האדם? למה לא לעביר בקו הטלפון אותות חשמליים בתדר גבוה יותר, כזה שאף כלי נגינה או שריקה מקרית לא יבלבלו אותו?

האשמה היא בקו הטלפון עצמו. רשת הטלפון מסוגלת להעביר צלילים בתחום תדרים שבין 300 תנודות בשנייה (300 הרץ) ל-3,300 תנודות (3.3 קילו הרץ). תחום זה צר יותר מהתחום שהאוזן האנושית מסוגלת לשמוע, אך הוא מספיק לשם העברת קולות דיבור באיכות סבירה. אבל כיום רשת הטלפון משמשת לא רק להעברת שיחות, אלא גם למשלוח פקסים ולגלישה באינטרנט, ומאמצים רבים מושקעים כדי לאפשר העברת כמות גדולה יותר של מידע ספרתי (דיגיטלי) במגבלת תחום התדרים הזה.

אסור לשכוח שרשת הטלפונים החלה להיבנות לפני יותר ממאה שנה, ובכל פעם שהורחבה היה צורך לשמור על תאימות למכשירים ולציוד הקיים. אין יצרן טלפונים שישקיע ולו שקל בפיתוח מכשיר חדשני שאינו יכול להתחבר לרשת טלפונים קיימת, ואף חברת תקשורת לא תשנה את תשתית הכבלים והמרכזות אם מיליוני הלקוחות שלה, המצוידים כבר במכשירי טלפון, לא יוכלו להשתמש בה. התוצאה היא שגם כיום, כדי להעביר מידע באופן אמין דרך קווי טלפון חייב המידע להיות מקודד לצלילים בתחום התדרים שבין 300 ל-3,300 הרץ.

נקמת הקברן

המרכזיה האוטומטית הראשונה הומצאה על ידי אלמונד סטרוג'ר (Strowger) מקנזס בשנת 1880, כארבע שנים בלבד לאחר המצאת הטלפון, אך שימוש המוני בה החל רק 40 שנה לאחר מכן. עד אז הועסקו מרכזניות שחיברו באופן ידני בין המנויים השונים.

האגדה מספרת שסטרוג'ר היה קברן שמשום מה לא קיבל מספיק הזמנות עבודה. יום אחד נודע לו שגיסתו של הקברן המתחרה היא המרכזנית של העיירה, והיא נוהגת להעביר את כל הזמנות העבודה לבעלה, שהעביר אותן בתורו לאחיו. בתגובה, פיתח סטרוג'ר מרכזיה אוטומטית שפעלה בשיטת המתקפים (פולסים): סיבוב חוגת הטלפון גרם לסגירה ולפתיחה של המעגל החשמלי שחיבר את המכשיר עם המרכזיה. בתוך המרכזיה הותקנו עשרות (ובמרכזיות הגדולות אף מאות) זרועות אלקטרו-מכניות, שיצרו חיבורים בין המוליכים החשמליים של הקווים השונים. סגירת ופתיחת המעגל החשמלי הפעילו אלקטרו-מגנטים שסובבו את הזרועות והזיזו אותן במסילות, כך שיחברו בין המחייג לבין הקו שאליו חייג.

שיטה זו היתה איטית ומרובת טעויות: כל מגע רופף בקו שבין המנוי למרכזיה גרם לפתיחה וסגירה לא רצויים ולשינוי המספר שחויג, אך החיסרון העיקרי שלה היה העובדה שהיא פעלה רק בין מרכזיות שהיו מחוברות ביניהן במוליכים חשמליים. עם הרחבת רשת הטלפונים החלו לפעול גם מערכות רדיו-טלפון, שנעזרו בגלי רדיו להעברת השיחות. שיחות אלו לא עברו דרך חיבור חשמלי רציף בין שני המנויים, כך שאי אפשר היה להשתמש בשיטת המתקפים, המסתמכת על ניתוק וחיבור של המעגל החשמלי. זו הסיבה שעד לפני כ-30 שנה היה צורך להיעזר במרכזנית אנושית כדי לחייג למנוי בחו"ל.

חיוג הצלילים הומצא בשנת 1908, אך הפיכתו לשיטת החיוג העיקרית נמשכה יותר מחצי מאה. בתחילה הוא שימש רק להעברת מידע בין המרכזיות עצמן. מכשירי הטלפון היו מצוידים בחוגה שהעבירה מתקפים למרכזיה, ורק אז הם תורגמו לצלילים והועברו למרכזיות הבאות עד לחיבור השיחה. בנוסף למידע על המנוי שאליו אנו רוצים להתקשר, העבירו המרכזיות בעזרת אותם צלילים גם מידע על המנוי המחייג. מכיוון שהשיחה עברה לעתים מספר רב של מרכזיות במדינות שונות, היה צורך לדעת חשבון של איזה מכשיר טלפון לחייב, ובאיזה תעריף.

באותה תקופה (שנות ה-60 ותחילת ה-70 של המאה ה-20) נהגו ההאקרים לייצר קופסאות (Blue boxes, Black boxes) שידעו לייצר את צלילי החיוג שעברו בין המרכזיות. בעזרת קופסאות אלו אפשר היה לרמות את המרכזיות ולגרום להן "לחשוב" ששיחה שחויגה ממכשיר טלפון אחד בוצעה למעשה ממכשיר אחר (מה שהתבטא, כמובן, בהקטנה ניכרת של חשבונות הטלפון שלהם).

עם הזמן הוחלפו חוגות הטלפונים בלחצנים, ושיטת חיוג הצלילים הוכנסה לכל מכשיר טלפון חדש שיוצר, כך שגם החיוג למרכזיה התבסס על אותה שיטה. במקביל החלו יצרניות הרכיבים האלקטרוניים לפתח מעגלים אלקטרוניים ייעודיים לזיהוי אותם צלילים. מעגלים אלה כוללים מסננים אלקטרוניים מדויקים, המאפשרים זיהוי גם כשהצליל נבלע ברעשי רקע.

1. חיבור של שני צלילים
2. קיצוץ ההופך גל סינוסי למרובע
גל מרובע בתדר 500 הרץ מכיל בתוכו גם גלי סינוס בתדר של 1,500 ו-2.500 הרץ
3. הרמוניות של גל מרובע
אות בצורת גל סינוס עובר דרך מערכת אלקטורנית ה"קוצצת" ומרבעת אותו. תהליך ה"קיצוץ" יוצר הרמוניות בתדרים שהם כפולה של התדר המקורי

שיטות חיוג נטולות לחצנים

אם אתם רוצים לבדוק במו אוזניכם איך עוברים צלילי החיוג דרך קו הטלפון תוכלו לנסות לחייג בצורה הבאה: הצמידו למיקרופון של טלפון בזק אפרכסת של טלפון אחר - סלולרי, למשל - ולחצו על לחצני החיוג של הסלולרי (זכרו לכוון את עוצמת הצליל שלו למקסימום). הצלילים שיבקעו מאפרכסת הסלולרי ייקלטו במיקרופון של טלפון בזק, והמרכזייה שתקלוט את הצלילים "תחשוב" שהמכשיר חייג אליה.

המבוגרים שבינינו זוכרים שהמשיבונים האלקטרוניים הראשונים, שיצאו לשוק בתקופה שבה המרכזיות עבדו בשיטת המתקפים, נמכרו עם קופסה קטנה, שבעזרתה ניתן היה "לשאוב" הודעות מהמשיבון מטלפון מרוחק. הקופסה ייצרה צלילי חיוג שהועברו דרך קו הטלפון למשיבון המרוחק. אם נשארה לכם קופסה כזו, תוכלו להצמידה לאפרכסת ולחייג בעזרתה.

נסיונות נוספים תוכלו לעשות בעזרת תוכנה לעריכת מוזיקה. תוכנות רבות (למשל אלו של Sound Foundry) כוללות אופציה לשתול צלילי חיוג בתוך ערוצי המוזיקה. תוכלו להקליט רצף ספרות, להשמיען לאפרכסת הטלפון ובצורה זו לחייג.

ניסוי מעניין נוסף אפשר לבצע בעזרת תוכנות המנתחות את הצלילים ומציגות את התדרים שמרכיבים אותם. יש תוכנות המאפשרות להשתמש בכרטיס הקול שבמחשב כמשקף תנודות (אוסצילוסקופ) וכמנתח תנודות (ספקטרום אנלייזר). אם יש לכם תוכנה כזאת, נסו להשמיע לה צלילי חיוג על ידי הצמדה של אפרכסת הטלפון למיקרופון המחשב.

בתערוכת התקשורת של מוזיאון המדע ע"ש בלומפילד בירושלים מוצגות שלוש בובות המחוברות למעגל אלקטרוני, שמזהה את צלילי החיוג ומפעיל אותן בהתאם. צליל הספרה 1 מעלה את יד ימין, הספרה 4 מורידה אותה, הספרה 3 מעלה את יד שמאל וכן הלאה. כל בובה מצוידת במכשיר טלפון סלולרי ובדיבורית. אפשר לטלפן לבובה (מתוך התערוכה או מכל מקום בעולם) ולהפעיל אותן בעזרת לחצני הטלפון. אם תבקשו ממדריכי המוזיאון, הם ישמיעו לכם הקלטה של צלילי חיוג שיפעילו את הבובה ויחסכו לכם את עלות שיחת הטלפון אליה. באתר האינטרנט של המוזיאון אפשר לראות את אחת הבובות באמצעות מצלמת WEB המותקנת מולה, ואפילו להפעיל אותה בו בזמן באמצעות מכשיר טלפון אחר (www.mada.org.il).

ביבליוגרפיה:
כותר: אם ידוע לכם מספר השלוחה, חייגו כעת
מחבר: בן-שלום, אמיר (ד"ר)
תאריך: נובמבר-דצמבר 2002 , גליון 52
שם כתב העת: גליליאו : כתב עת למדע ומחשבה
הוצאה לאור: SBC לבית מוטו תקשורת ולאתר IFEEL
הערות לפריט זה: 1. ד"ר אמיר בן-שלום, מפתח מוצגים במוזיאון המדע על שם בלומפילד ירושלים.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית