Dual Tone Multiple Frequency
Abkürzung: DTMF
Was ist DTMF?
DTMF steht für Dual Tone Multiple Frequency, im Deutschen als Mehrfrequenzwahlverfahren bezeichnet. Es handelt sich um ein Verfahren zur Übermittlung von Ziffern und Sonderzeichen über analoge und digitale Telefonleitungen. Jede Taste auf dem Telefon erzeugt beim Drücken nicht nur einen einzelnen Ton, sondern eine Kombination aus zwei gleichzeitig gesendeten Sinustönen unterschiedlicher Frequenz. Ein DTMF-Empfänger decodiert diese Frequenzpaare und ermittelt die gedrückte Taste. Das Verfahren wird weltweit zur Wahl von Rufnummern, zur Navigation in Sprachmenüs und zur Fernsteuerung von Systemen verwendet.
Historischer Hintergrund
Vor DTMF war das Impulswahlverfahren verbreitet, bei dem die Ziffern durch Unterbrechungen der Telefonleitung signalisiert wurden. Jede Ziffer erzeugte eine entsprechende Anzahl an Impulsen, was zeitaufwendig und fehleranfällig war. Mit der Einführung des Tastentelefons in den 1960er Jahren hielt DTMF Einzug und löste die Wählscheibe ab. Die Tonwahl ermöglichte schnellere Verbindungsaufbauten und erweiterte die Nutzung des Telefons um interaktive Dienste wie Banktransaktionen oder Voicemail-Abfragen. Bis heute ist DTMF der dominierende Standard für die Tonwahl.
Das Frequenzschema
DTMF ordnet die Tasten eines Telefons in einer Matrix aus vier Zeilen und vier Spalten an. Jeder Zeile ist eine untere, tieffrequente Frequenz zugewiesen, jeder Spalte eine obere, hochfrequente. Drückt der Nutzer eine Taste, überlagern sich die beiden zugehörigen Frequenzen zu einem spezifischen Doppelton.
Die standardisierten Frequenzpaare lauten:
| Taste | Frequenz Zeile (Hz) | Frequenz Spalte (Hz) |
|---|---|---|
| 1 | 697 | 1209 |
| 2 | 697 | 1336 |
| 3 | 697 | 1477 |
| A | 697 | 1633 |
| 4 | 770 | 1209 |
| 5 | 770 | 1336 |
| 6 | 770 | 1477 |
| B | 770 | 1633 |
| 7 | 852 | 1209 |
| 8 | 852 | 1336 |
| 9 | 852 | 1477 |
| C | 852 | 1633 |
| * | 941 | 1209 |
| 0 | 941 | 1336 |
| # | 941 | 1477 |
| D | 941 | 1633 |
Die Zeilenfrequenzen liegen zwischen 697 und 941 Hertz, die Spaltenfrequenzen zwischen 1209 und 1633 Hertz. Diese Lage ist bewusst außerhalb des Hauptfrequenzbereichs der menschlichen Sprache gewählt, um Fehlerkennungen durch Stimmen zu vermeiden. Die Tasten A bis D sind vor allem bei militärischen Anwendungen und speziellen Systemen anzutreffen.
Technische Erzeugung und Erkennung
Die DTMF-Töne werden in analogen Telefonen durch elektronische Oszillatorschaltungen erzeugt, die die beiden benötigten Frequenzen beim Tastendruck mischen. In digitalen Systemen und VoIP-Umgebungen erfolgt die Erzeugung softwarebasiert durch digitale Signalverarbeitung. Der Sender codiert die gewünschten Frequenzen als Audiosamples und fügt sie in den Sprachstrom ein.
Die Erkennung auf der Empfängerseite übernimmt ein DTMF-Decoder. Er zerlegt das eingehende Audiosignal in seine Frequenzanteile, identifiziert die beiden dominierenden Frequenzen und ermittelt anhand der Matrix die zugehörige Taste. Um Fehlauslösungen durch Sprache oder Hintergrundgeräusche zu verhindern, arbeiten die Decoder mit strengen Validierungskriterien. Sie prüfen unter anderem die Dauer des Tons, das Verhältnis der beiden Frequenzamplituden zueinander und die Abwesenheit von störenden Oberschwingungen. Typische Mindestlängen für einen gültigen Ton liegen bei 40 Millisekunden, mit einer Pause von ähnlicher Dauer zwischen den Ziffern.
Anwendungsbereiche
DTMF hat weit mehr Einsatzfelder als die reine Rufnummernwahl.
- Rufaufbau: Die ursprüngliche und weiterhin wichtigste Anwendung ist das Wählen von Telefonnummern. Nach dem Abheben werden die Ziffern als DTMF-Töne an die Vermittlungsstelle gesendet.
- Interactive Voice Response (IVR): In Sprachdialogsystemen steuert der Nutzer Menüs per Tastendruck. „Für Kundenservice drücken Sie die Eins“ generiert einen DTMF-Ton, den das System auswertet.
- Voicemail und Anrufbeantworter: Die Fernabfrage von Anrufbeantwortern erfolgt oft durch DTMF-Codes, die der Nutzer eingibt, um Nachrichten anzuhören, zu löschen oder Einstellungen zu ändern.
- Konferenzsysteme: Teilnehmer melden sich per DTMF an, schalten sich stumm oder aktivieren Zusatzfunktionen.
- Fernsteuerung und Telemetrie: Über Telefonleitungen können Schaltvorgänge ausgelöst, Alarmsysteme quittiert oder Messwerte abgefragt werden, indem der Anrufer bestimmte DTMF-Sequenzen sendet.
- Authentifizierung: Zusätzlich zur Spracheingabe wird DTMF für die Eingabe von PINs oder Transaktionsnummern im Telefonbanking verwendet.
DTMF in VoIP und SIP
In paketvermittelten VoIP-Netzen ist die Übertragung von DTMF-Tönen eine Herausforderung, da Audiocodecs die feinen Frequenzmuster verfälschen können. Daher existieren drei grundlegende Übertragungsmethoden.
- In-Band: Die DTMF-Töne werden als normale Audiosignale über RTP übertragen. Der Codec muss die Töne akustisch exakt wiedergeben, was bei stark komprimierenden Codecs nicht zuverlässig funktioniert.
- RFC 2833 (RTP Payload for DTMF): Die Töne werden nicht als Audio gesendet, sondern als spezielle RTP-Pakete mit einem Nutzdatenfeld, das die gedrückte Taste, die Dauer und die Lautstärke enthält. Der Empfänger rekonstruiert daraus den Ton oder wertet die Information direkt aus. Dies ist das bevorzugte Verfahren in modernen SIP-Netzen.
- SIP-INFO: Das SIP-Signalisiert enthält eine INFO-Nachricht mit der gedrückten Taste. Diese Methode ist älter und wird zunehmend durch RFC 2833 abgelöst.
Abgrenzung zu anderen Wahlverfahren
DTMF unterscheidet sich klar von anderen Techniken zur Signalisierung von Ziffern.
- Impulswahlverfahren: Unterbricht die Leitung mehrfach pro Ziffer, arbeitet ohne Töne und ist deutlich langsamer. DTMF ist schneller und vielseitiger.
- MFV (Mehrfrequenzverfahren) im Vermittlungsnetz: Ein anderes Mehrfrequenzverfahren, das nur innerhalb der Vermittlungsstellen zwischen den Ämtern verwendet wurde und andere Frequenzen nutzt.
- Sprachwahl: Moderne Systeme erkennen gesprochene Ziffern oder Schlüsselwörter. DTMF bleibt jedoch in lauten Umgebungen oder bei eingeschränkter Sprachqualität zuverlässiger und ist auf einfacheren Endgeräten die einzige Option.
Praktischer Nutzen und Grenzen
DTMF ist ein universeller, einfacher und robuster Standard, der auf nahezu jedem Telefon weltweit funktioniert. Seine akustische Natur ermöglicht die Nutzung über jede beliebige Audioverbindung hinweg, sogar über Funkgeräte oder Satellitentelefone. Die Unabhängigkeit von Sprache macht die Töne ideal für die Maschinensteuerung und die barrierefreie Kommunikation für hörgeschädigte Nutzer über spezielle Geräte.
Die Grenzen des Verfahrens liegen in der begrenzten Anzahl von Zeichen. Der Grundvorrat umfasst nur die 16 Zeichen der Matrix. Für komplexe Eingaben jenseits von Ziffern und wenigen Sonderzeichen ist DTMF ungeeignet. In VoIP-Systemen kann die Wahl des falschen Übertragungsmodus zu Störungen führen, wenn etwa der Codec die In-Band-Töne verschluckt und keine RFC-2833-Unterstützung konfiguriert ist. Auch die Dauer der Signalisierung summiert sich bei längeren Eingaben und kann die Interaktion träge machen. Trotz dieser Einschränkungen bleibt DTMF aufgrund seiner Einfachheit, globalen Verbreitung und direkten Kompatibilität zu Milliarden von Endgeräten das Rückgrat der telefonischen Mensch-Maschine-Interaktion.