У истоков цифровой революции

«Во времена Белла и Голубицкого, – пишет М. С. Самарин, – телефон создавался по принципу: чем чувствительнее прибор, чем более естественно воспроизводится голос человека, тем лучше. О каких-либо других критериях тогда просто не думали». И лишь потом стало известно «более десятка параметров», от которых зависит телефонная связь[394].

По мере развития телефонизации на этом пути возникли те же самые проблемы, как и в телеграфии. Прежде всего, это касалось использования телефонных кабелей. Многое из того, что к этому времени было накоплено в телеграфии, затем использовалось в телефонной связи.

Однако очень быстро обнаружилось, что телефонная и телеграфная связь имеют не только много общего, но и существенные различия. Чтобы понять это, зададимся вопросом: почему первая телеграфная линия соединила Европу и Америку примерно через 34 года после изобретения электромагнитного телеграфа, а первая трансатлантическая телефонная линия появилась через 80 лет после создания телефона? И это несмотря на то, что в первом случае все приходилось начинать с чистого листа, во втором – можно было использовать опыт, накопленный в телеграфии.

В связи с этим следует обратить внимание, что, преодолевая сопро-тивление, электрические сигналы постепенно теряют первоначальную энергию и, если можно так сказать, угасают. Как совершенно верно отмечал Аннабел Додд, передачу электрических сигналов «можно сравнить с пропусканием воды через трубу. По мере того как водный поток несется по трубе все дальше, он все больше теряет свою силу»[395].

Это касается и телеграфа, и телефона.

Столкнувшийся с этой проблемой при прокладке первого трансатлан-тического телеграфного кабеля, В. Томсон (Кельвин) вывел формулу, кото-рая гласит: «Скорость телеграфирования по кабелю обратно пропорцио-нальна квадрату его длины. Другими словами, если увеличить длину кабеля, например, в 10 раз, то скорость передачи уменьшится в 100 раз»[396].

В прохождении телеграфных и телефонных сигналов по кабелю существует принципиальное различие. Если телеграф может работать на частоте в 100–200 Гц[397], то для передачи речи требуется от 300 до 3400 Гц[398], т. е. почти в 20 раз больше.

Между тем «высочастотные сигналы затухают быстрее низкочастот-ных». Неслучайно, «когда мы слышим духовой оркестр на большом рас-стоянии, то до нас доносятся, прежде всего, звуки барабана, а не флейты»[399]. Следовательно, затухание телефонных сигналов во много раз выше телеграфных. А значит, для телефонной связи требуется в несколько раз больше электрической энергии, чем для телеграфной, и осуществление телефонной связи на дальнее расстояние связано с большими трудностями.

В книге уже упоминавшегося Артура Кларка приводится следующий пример: «Если бы для передачи по первому трансатлантическому телефонному кабелю использовали энергию всех существовавших на земле электростанций, то все равно уже через 370 км по длине кабеля, т. е. на расстоянии всего лишь одной десятой пути через Атлантику, передаваемую энергию трудно было бы обнаружить даже с помощью самых чувствитель-ных приборов»[400].

И хотя в данном случае мы, по всей видимости, имеем дело с преувеличением, главное заключается в том, что особенности телефонной связи первоначально делали невозможной прокладку телефонных линий на дальние расстояния.

Выход из этого положения открылся только после того, как в начале XX века американский физик – серб по национальности Михаил Пупин и датчанин Э. Краруп предложили использовать для увеличения дальности передачи повышение индуктивности телефонного кабеля и этой целью устанавливать на телефонных линиях специальные индуктивные катушки, способные усиливать проходящие по проводам электрические сигналы. Это позволило увеличить дальность передачи в несколько раз[401].

Однако, как установил английский физик Оливер Хэвисайд, индуктив-ность кабеля и его емкость (т. е. пропускная способность) находятся в обратной пропорциональной зависимости. Иначе говоря, повышение индуктивности сопровождается сокращением пропускной способности телефонного кабеля и наоборот[402].

В связи с этим начались поиски замены индуктивных катушек другими видами усилительных устройств.

Так в поле зрения специалистов по телефонии оказались электронные лампы, на основании которых в 1912–1913 гг. был создан так называемый регенератор (подробнее гл. 5). Возможности регенераторных усилителей удалось продемонстрировать в 1915 г., когда с их помощью была установ-лена трансконтинентальная телефонная связь между Нью-Йорком и Сан-Франциско[403].

В том же году русский ученый В.И. Коваленков (1884–1960) продемонстрировал возможность использования в качестве усилителей специального устройства – реле[404].

«Реле (от франц. relais) – аппарат, приводимый в действие мало-мощным импульсом (телеграфный сигнал, параметр контролируемого процесса) и приводящий в действие, за счет энергии местного источника, более мощное устройство (приемник телеграфного аппарата, сигнальное устройство, орган управления, регулятор)»[405].

Несмотря на то, что подобные усилители появились в 1915 г., практическое их использование началось только в 20-е гг. после окончания Первой мировой войны[406]. И тогда же появилась идея сооружения телефонной линии между Европой и Америкой. Однако начавшийся в 1929 г. экономический кризис[407], а затем вспыхнувшая в 1939 г. Вторая мировая война отвлекли внимание от решения этой проблемы.

Между тем в это время произошло еще одно важное событие.

Если до 1930-х гг. использовали низкочастотные симметричные кабели, то в 1930-е гг. началось внедрение высокочастотных коаксиальных кабелей[408]. «Коаксиальный кабель (от лат. «сo» – совместно и «axil» – ось) – кабель, состоящий из двух изолированных между собой концентрических проводников, из которых внешний имеет вид трубки»[409].

По некоторым данным, его еще в 1912 г. придумал профессор Электротехнического института П. Д. Войнаровский[410], а впервые решил использовать в 1934 г. русский ученый С. А. Щелкунов, эмигрировавший после гражданской войны в США[411].

Первой страной, которая воспользовалась возможностями, открывши-мися в области дальней телефонной связи, стал Советский Союз. В 1939 г. здесь вступила в строй на тот момент самая протяженная телефонная линия Москва–Хабаровск длиной 8500 км[412].

Только после этого был возрожден проект создании трансатлантичес-кой телефонной линии. В 1952 г. приступили к ее проектированию, в 1954 – к изготовлению кабеля. Основная работа по прокладке двух кабельных линий, получивших название ТАТ-1, была выполнена за время навигаций 1955 и 1956 гг. Длина ТАТ-1 превысила 3500 км. Официально трансатлантическая телефонная линия вступила в действие 25 сентября 1956 г.[413].

Вслед за этим был разработан проект создания глобальной телефонной линии, которая должна была иметь протяженность не менее 50 тыс. км. Цель названного проекта заключалась в том, чтобы объединить телефонные линии отдельных стран и компаний в общую глобальную систему. Его реализация началась в 1961 г. К середине 60-х гг. на планете было уже более 80 тыс. км телефонных линий[414].

Использование усилителей, хотя и открыло широкие перспективы для развития телефонной связи, в то же время породило новые проблемы. Дело в том, что усиление затухающих электрических сигналов сопровождалось одновременным усилением возникавших на телефонной линии помех.

Подобные помехи существуют и в телеграфных линиях, но они не влияют на содержание передаваемой информации, т. е. на сам набор электрических импульсов, с помощью которых кодируется телеграмма.

В связи с этим возникла идея после преобразования звуковых сигналов в электрические колебания передавать по телефонным линиям не сами эти колебания, а закодированную определенным образом информацию о них, с тем, чтобы на приемном пункте ее можно было раскодировать и преобразовать в первоначальные электрические колебания, а их – в звуковые сигналы[415]. Первым эту идею сформулировал сотрудник ИТТ Алек Ривс (A. H. Reeves) (1902–1971). В 1938 г. он взял патент на преобразование аналоговых телефонных сигналов в набор цифр, которое получило название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ)[416].

В конце 1940-х – начале 1950-х гг. независимо друг от друга во Франции, СССР и США был изобретен другой способ преобразования аналоговых сигналов в цифровые, получивший название дельта-модуляции (ДМ)[417].

Несмотря на то, что идея ИКМ была запатентована в 1938 г., до ее практического осуществления прошло не одно десятилетие. Причина этого в том, что процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровые, а затем цифровых в аналоговые требует особой точности, которой удалось добиться только благодаря математике.

Основу для математического решения данной проблемы заложил американский ученый Гарри Найквист (1889–1976), который в 1924 г. опубликовал статью, посвященную определению ширины частотного диапазона, требуемого для передачи информации, а в 1928 г. статью «Определенные проблемы теории телеграфной передачи», в которых математически доказал, что «число независимых импульсов, переданных в единицу времени без искажений, ограничено двойной шириной частотного диапазона канала связи»[418].

Независимо от Г. Найквиста к подобным же выводам пришел советский физик Владимир Александрович Котельников (1908–2005), доказавший, что «любой сигнал может быть восстановлен на приемной стороне, если частота тактовых импульсов вдвое и больше превышает высшую частоту передаваемого сигнала»[419]. Первая его публикация на эту тему появилась в 1933 г.[420].

Следующий шаг на этом пути сделал американский ученый Клод Эльвуд Шеннон (1916–2001). В 1945 г. он опубликовал работу «Теория связи в секретных системах», а в 1948 г. статью «Математическая теория связи». В этих и последующих своих работах К. Э. Шеннон заложил основу для создания технологии хранения, обработки и передачи информации. Окончательно свою теорему кодирования информации К. Э. Шеннон сформулировал в работах 1957–1961 гг. Согласно этой теореме, любой канал имеет свою предельную скорость передачи информации, получившую название «предел Шеннона»[421].

Однако, как отмечают специалисты, «в работах К. Шеннона не было предложено конкретных инженерных решений»[422]. Поэтому своими работами он заложил лишь основание для дальнейших поисков, которые велись одновременно в разных странах.

Раньше всего практические результаты в решении данной проблемы удалось получить во Франции, где, по одним данным, в 1970 г.[423], по другим – в 1974 г. была открыта первая опытная цифровая АТС[424].

Так был дан старт «цифровой революции», которая сначала захватила телефонную, а затем другие средства связи.

Дата добавления: 2015-08-26