История развития связи
РАЗВИТИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА – РАЗВИТИЕ СВЯЗИ
Потребность в общении, в передаче и хранении информации возникла и развивалась вместе с развитием человеческого общества.Сегодня уже можно утверждать, что информационная сфера деятельности человека является определяющим фактором интеллектуальной, экономической и оборонной возможностей человеческого общества, государства.Зародившись в те времена, когда стали проявляться самые ранние признаки человеческой цивилизации, средства общения между людьми (средства связи)непрерывно совершенствовались в соответствии с изменением условий жизни,с развитием культуры и техники.
Это же относиться и к средствам записи и обработки информации.Сегодня все эти средства стали неотъемлемой частью производственного процесса и нашего быта.
С древнейших времен звук и свет служили людям для передачи сообщений на дальние расстояния
На заре своего развития человек, предупреждая своих соплеменников об опасности или сзывая на охоту, подавал сигналы криком или стуком. Звук – основа нашего речевого общения. Но если расстояние между собеседниками велико и силы голоса не хватает, требуются вспомогательные средства. Поэтому человек начал использовать “технику”- свистки, рога животных, факелы, костры, барабаны, гонги, а после изобретения пороха-выстрелы и ракеты. Появились специальные люди-гонцы, герольды, - которые переносили и передавали сообщения, оглашали народу волю владык. В Южной Италии кое-где по берегу моря до последнего времени сохранялись развалины сторожевых постов, с которых посредством колокольного звона передавались известия о приближении норманнов и сарацинов.
С незапамятных времен в качестве носителя информации применяется и свет.
Первыми “системами” связи стали сторожевые посты, располагавшиеся вокруг поселений на специально построенных вышках или башнях, а иногда просто на деревьях.При приближении неприятеля зажигался костер тревоги.Увидев огонь, зажигали костер часовые на промежуточном посту, и неприятелю не удавалось застать жителей врасплох.Для гонцов создаются станции смены лошадей.Маяки и ракеты до сих пор несут свою “информационную службу” на море и в горах.
Археологи, изучавшие памятники материальной культуры Древнего Рима, обнаруживали высеченные на камнях изображения сигнальных башен, с зажженными на них факелами. Такие башни устраивались также в Великой Китайской стене. До нас дошла легенда трехтысячелетней давности о том, как огни костров, зажженных на вершинах гор, в ту же ночь донесли Клитемнестре, супруге Агамемнона, предводителя греков в Троянской войне, весть о падении Трои. За 250 лет до нашего летосчисления в походах Ганнибала сигнальные огни уже не были чем-то необычным, и даже сегодня, в наш технический век, мы не можем от них отказаться.
В Древнем Китае важные сообщения передавали с помощью разнообразных гонгов, а коренные жители Африки и Америки пользовались барабанами. Мерный гул тамтамов сопровождал экспедиции по исследованию черного континента: племена предупреждали друг друга о приближении и намерениях пришельцев. И даже сегодня, когда развивающиеся народы Африки успешно овладевают современными средствами связи, барабан все еще не утратил своего значения. На железнодорожном транспорте и по сей день, когда требуется экстренно остановить поезд, тоже используют звуковые сигналы: на рельсы на небольшом расстоянии друг от друга кладут три петарды, которые с шумом взрываются под колесами.
Необходимость передавать не только отдельные сигналы типа “тревога”, но и различные сообщения привела к применению “кодов”, когда разные сообщения различались, например, числом и расположением костров, числом и частотой свистков или ударов в барабан и т.п. Греки во втором веке до нашей эры использовали комбинации факелов для передачи сообщений “по буквам”.На море широкое применение нашли сигнальные флаги различной формы и цвета,причем сообщение определяется не только самими флагами, но и их взаимным расположением, а также “семафор”-передача сообщений изменением расположения рук с флажками (днем) или фонарями (ночью).Потребовались люди, знающие “язык” флагов или семафора, умеющие передавать и принимать переданные сообщения.
Наряду с развитием способов передачи сигналов с использованием звука и света шло развитие способов и средств записи и запоминания информации. Сначала это были просто различные зарубки на деревьях и стенах пещер. По рисункам, выбитым на стенах пещер более трех тысяч лет назад, мы сейчас можем составить представление об отдельных сторонах жизни наших предков в те далекие времена. Постепенно совершенствовались как форма записи, так и средства ее осуществления. От серии примитивных рисунков человек постепенно переходит к клинописи и иероглифам, а затем - и к фонетическому письму по буквам.
Каким бы видом транспорта ни пользовался житель современного города – наземным или подземным, - он во власти “сигнальных огней” светофора. Конечно, сегодня зажечь такой “сигнальный огонь» - дело несложное, но так ли уж далеки современные светосигнальные устройства, регулирующие движение метро и наземных транспортных потоков, от огней, которые возвестили о падении Трои?
Звук и свет были и остаются важными средствами передачи информации и несмотря на свою примитивность, огневая и звуковая сигнализация служили людям в течение многих столетий. За это время делались попытки усовершенствовать приемы сигнализации, но широкого практического применения они не получили.
Два таких способа рассмотрены в книге греческого историка Полибия. Первый из них заключался в следующем.
Изготавливались два совершенно одинаковых глиняных сосуда высотой 1.5м и шириной 0.5м. В нижней их части делались отверстия одного сечения, снабженные кранами. Сосуды наполнялись водой; по поверхности воды в каждом сосуде плавал пробковый диск с прикрепленной к нему стойкой. На стойке имелись деления или зарубки, соответствующие наиболее часто повторяющимся событиям. Сосуды устанавливались на станциях отправления и назначения. Как только поднимался факел, на обоих пунктах одновременно открывались краны, вода вытекала, и поплавки со стойками опускались до определенного уровня. Тогда на передающем пункте снова поднимали факел, краны закрывались и на приемной станции читались те сведения, которые требовалось сообщить.
Этот способ был мало удобен.
Другой способ, описанный в той же книге, оказался более полезным. Его изобретение приписывается александрийским инженерам Клеоксену и Демоклиту. В пунктах, между которыми требовалось установить связь, сооружалась каменная или деревянная стена в виде небольшой крепости, состоящей из двух отделений. В стенах устраивались отверстия или гнезда, в которые вставлялись горящие факелы. Гнезд было 10 – по пяти в отделении. Для сигнализации был составлен код. Весь греческий алфавит делился на пять групп; в порядке алфавитного расположения в первую входили буквы от до ; во вторую – от до ; в третью – от до ; в четвертую – от до и в пятую – от до . Каждая группа записывалась на отдельной дощечке. Для передачи какой-либо буквы нужно было сообщить два числа: номер группы или дощечки, и место, занимаемое ею в этой группе. Первому числу соответствовало кол-во факелов, выставленных в левом отделении, второму – факелы правого отделения. Теоретически этот способ сигнализации казался совершенным, однако, на практике он большого успеха не имел. Трудно сказать, насколько широкое распространение получила в те времена эта система, но используемый ею код сыграл значительную роль в дальнейшем развитии средств сигнализации. Таблица, получившая название по имени автора “таблица Полибия”, стала в дальнейшем неотъемлемой частью многих телеграфных устройств, а принцип ее составления сохранился в кодированных передачах и до наших дней.
ПЕРВЫЕ СРЕДСТВА СИГНАЛИЗАЦИИ НА РУСИ
Древнерусское государство, возникшее более тысячи лет назад, подвергалось частым разорительным набегам со стороны разных воинствующих племен, и это заставляло наш народ постоянно заботиться о защите своих земель и жилищ. Там, где основывались поселения, возводились всевозможные оборонительные укрепления, рылись глубокие рвы, сооружались насыпи и устраивались специальные сторожевые посты, с которых подавались сигналы о приближении какой-либо опасности.
К сожалению, история почти не сохранила вещественных и литературных памятников, дающих представление об организации средств связи у наших предков. Археологи предполагают, что в России для этих целей также применялись линии сигнальных костров, подобно тем, которые имели место в Греции, Риме и Персии. Первые поселения возникли, как правило, на землях, удобных для обработки. Вокруг таких поселений возводились оборонительные укрепления. На юге России до сих пор можно встретить такие возвышенности или холмы, называемые иногда курганами.
Огонь, иногда дым в течение долгих столетий оставались неизменными способами сигнализации. Формы же организации сторожевой службы со временем, конечно, менялись вместе с изменяющимися условиями общественной жизни людей.
Широкое распространение огневая сигнализация получила после свержения татарского ига и образования единого русского государства. С этого времени для обеспечения безопасности государства начинают сооружаться специальные оборонительные линии, тянувшиеся вдоль государственной границы. Вдоль границы через определенные интервалы располагались сторожевые посты, с которых велось постоянное наблюдение за всеми движениями врага. О малейшей опасности немедленно давали знать воеводам. В качестве средств сигнализации все также использовались огонь, дым, звон колокола. Эта сигнальная служба предназначалась только для обеспечения государственной безопасности. Внутри страны связь обычно осуществлялась с помощью пеших и конных гонцов и вестовых, которые специально содержались при императоре и при некоторых государственных учреждениях. Частные же лица при надобности сообщались между собой за счет своих личных средств.
Несколько позднее в России зародился новый способ сообщений, так называемая ямская гоньба. Слово “ям” было занесено к нам татарами. Татары, очевидно в свою очередь, позаимствовали это слово у китайцев, у которых по всем дорогам имелись особые станции с домами для пристанищ, называемые ”Jamb” – почтовые дома. По примеру китайцев, почтовые станции стали устраивать и татары в своей Орде. В начале XVI века по некоторым наиболее важным в военном отношении дорогам были учреждены станции, которыми заведовали ямщики. На их обязанности лежало своевременное предоставление проезжающим проводников, лошадей и фуража.
В царствование Ивана Грозного насчитывалось уже 300 таких станций. Почти до середины XIX века ямская гоньба была единственным и незаменимым средством сообщений. Только в 70-80 годах прошлого века, когда началось широкое строительство железных дорог, ямская гоньба как средство связи прекратила свое существование.
ТЕЛЕГРАФ ШАППА
В XVII и XVIII веках, когда получили заметное развитие наука, техника и промышленность, стали прокладываться новые торговые пути и завязываться тесные политические и экономические взаимоотношения между народами, появляется острая потребность в создании более совершенных и быстродействующих средств связи. Вполне понятно поэтому, что первые проекты сооружения новых сигнальных установок зародились, прежде всего, в таких странах, как Англия и Франция, значительно дальше продвинувшихся в своем развитии.
Особую известность среди первых изобретателей специальной сигнальной аппаратуры приобрел английский ученый Роберт Гук, которого часто называют основателем оптической телеграфии. Его аппарат состоял из деревянной рамы, один угол которой обшивался досками и служил загородкой. За загородкой скрывались предметы особой формы, обозначавшие различные буквы или фразы. При передаче сообщений каждый такой предмет выдвигался в пустой угол рамы и мог быть видимым на другой станции. Для чтения сигналов Гук предложил использовать незадолго до этого изобретенные зрительные трубы, ставшие затем неотъемлемой частью всех сигнальных устройств.
В 1684 году Гук сделал доклад о своем изобретении на заседании Английского королевского общества, а вскоре после этого подробное описание аппарата было помещено в “ТРУДАХ” общества. Сигнальная система Гука использовалась в отдельных случаях довольно продолжительное время, а в английском флоте сохранилась почти до конца XVIII века.
Несколькими годами позже после изобретения Гука подобное же устройство предложил французский физик Амонтон. Однако первые его опыты прошли неудачно, и в дальнейшем, несмотря на все попытки усовершенствовать свое изобретение, Амонтон не получил поддержки со стороны влиятельных особ. Такая же участь постигла и многих других изобретателей, среди которых следует упомянуть имена Кесслера, Готей, Лехера, чьи идеи в той или иной степени нашли применение в практике сигнализации лишь много лет спустя.
Аппарат Кесслера представлял собой пустую бочку, в которой помещалась лампа, снабженная рефлектором, отражающим свет в требуемом направлении. С помощью особых дверец можно было получать комбинации кратковременных и длительных миганий света и передавать всю азбуку. Именно этот принцип сигнализации и был положен в основу военных сигнальных аппаратов, так называемых гелиографов.
Не менее интересным по замыслу был акустический телеграф, предложенный в 1782 г. французским монахом Готеем, в котором звук передавался по чугунным трубам, уложенным в землю. Опыты прошли успешно, но практического применения эта система не получила, так как правительство сочло такое сооружение слишком дорогим и разорительным для государственной казны. Много лет спустя подобная идея была реализована при организации сторожевой сигнализации на первых железных дорогах; только вместо труб прокладывались металлические проводники, по которым распространялся условный звон колокола, оповещавший сторожевые посты о движении поезда.
Несколько позднее в различных странах было предложено много всевозможных систем сигнализации на дальние расстояния, но почти ни одна из них не нашла практического применения. И только в конце XVIII века как бы в завершении всех высказанных идей появилось замечательное изобретение Клода Шаппа.
Клод Шапп родился в 1763 году в местечке Брюлоне во Франции. После окончания духовного училища он получил место священного служителя в небольшом приходе. В свободное от службы время Шапп занимался физическими исследованиями, которыми он увлекался с детства. Одна мысль особенно занимала его воображение – создание машины для передачи сообщений. Из всех способов сигнализации, которые предлагались в прошлом, наибольший интерес вызвала система с двумям одинаковыми сосудами, описанная Полибием. Шапп решил, что сама идея, заложенная в основе этой системы, может быть использована для создания более совершенного устройства.
Вместо сосудов он предложил установить на станциях с одинаковым ходом часы, на циферблате которых вместо цифр были бы нанесены 24 буквы. Начальное положение стрелок определялось заранее. По условному знаку часы одновременно пускали в ход. При этом с приемной станции должны были наблюдать за манипуляциями на передающей станции. Появлявшийся там сигнал означал, что нужно заметить на циферблате ту букву, против которой в данный момент находилась стрелка. Нужно сказать, что публичные опыты, которые Шапп провел с этими приборами в 1791 году в местечке Парсэ, прошли с успехом. Но, несмотря на это, изобретатель вскоре сам разочаровался в своих аппаратах, убедившись в невозможности их применения для передачи сообщений на расстояние более 12 – 15 верст. Продолжая усовершенствовать свое устройство, Шапп разработал еще ряд конструкций сигнальных аппаратов, из которых наиболее удачный в 1792 году он привез в Париж. Благодаря ходатайству своего старшего брата Урбана Шаппа, депутата Законодательного собрания, Клод Шапп получил правительственное разрешение на проведение испытания своего аппарата и стал тщательно к ним готовиться. Для размещения своих приборов он избрал три пункта: Менимольтон, Экуан и Сен-Мартен-де-Тертр, расстояние между которыми равнялось 3 милям. Когда закончилось оборудование станций и был подготовлен обслуживающий персонал, французское правительство назначило экспертную комиссию для оценки возможностей предлагаемого изобретения. В состав комиссии вошел известный в то время физик Г. Ромм, который, ознакомившись с описанием системы сигнализации Шаппа, заинтересовался ее идеей и дал весьма одобрительный отзыв. В своем донесении правительству от 4 апреля 1893 г. Ромм писал: “Во все времена чувствовали необходимость в быстром и верном способе сообщения на дальние расстояния. Особенно во времена войн, на сухом пути и на море чрезвычайно важно извещать немедленно о множестве событий и случаев, передавать приказания, давать знать о помощи осажденным городам или окруженным неприятелем отрядам и пр. В истории не раз упоминается об изобретенных с такой целью способах, но они большей частью были оставлены по своей неполноте и по трудностям исполнения”.
Оценивая изобретение Шаппа, Ромм признал весьма остроумным “способ писать в воздухе, выставляя немногочисленные буквы, простые, как прямая линия, по которой они составлены, ясно различимые одна от другой и передаваемые быстро на большие расстояния…”
Одобрив в целом изобретение Шаппа, комиссия рекомендовала продолжать опыты.
Свой прибор Шапп первоначально назвал “ташиграфом”, т.е. “скорописцем”, но затем по совету некоторых из членов комиссии переименовал его в “телеграф”, или дальнописец, и с тех пор это название сохранилось за всеми подобными аппаратами до настоящего времени.
12 июля 1793 года состоялся официальный смотр аппарата Шаппа. Испытания продолжались в течение трех дней и приборы работали удивительно точно и быстро. В результате французское правительство вынесло решение о немедленной постройке телеграфной линии Париж-Лилль, протяженность которой должна была составить 60 миль. Строительство поручалось Клоду Шаппу, которому по этому случаю было присвоено первое в мире звание телеграфного инженера, и продолжалось около года.
Для оборудования промежуточных пунктов выбирались возвышенные места, на которых возводились небольшие здания с двумя окнами, расположенными так, чтобы из них можно было видеть ближайшие пункты.
На особой платформе такого здания устанавливался высокий шест, к которому прикреплялась горизонтальная рама, получившая название “регулятора”, длиною от 9 до 14 футов и шириною от 9 до 13 дюймов. Эта рама могла свободно вращаться вокруг своей оси и принимать разнообразные положения: вертикальное, горизонтальное, наклонное по направлению справа налево и обратно. На ее концах имелись рейки, называемые индикаторами или крыльями, длина которых определялась в 6 футов. Рейки также могли вращаться вокруг своих осей и занимать самые различные положения относительно регулятора.
Из всех возможных положений избрали семь, которые можно было наиболее легко распознать, а именно: два вертикальных, одно горизонтальное, два под углом 45 сверху и два под тем же углом снизу. Эти семь комбинаций одного индикатора с семью такими же другого давали 49 сигналов, а так как последние могли соединяться с четырьмя положениями регулятора, то аппарат Шаппа давал 196 отчетливых фигур. Из них было отобрано 98 наиболее легкораспознаваемых и с их помощью передача известий велась на сравнительно далекое расстояние.
Все движения аппарата осуществлялись одним человеком, посредством шнурка или металлического шарнира. На каждой станции имелись две подзорных трубы, вмонтированные в стену и направленные таким образом, что в поле зрения постоянно находились два ближайших телеграфа. Для лучшей видимости аппараты были окрашены черной краской. Дальность действия зависела от условий местности; при ровной поверхности промежуточные станции устанавливались через 28-30 верст, в горах это расстояние несколько уменьшалось. Сигнализация производилась с помощью цифрового кода из специально составленного “телеграфического” словаря. Каждая комбинация знаков соответствовала определенному числу, от1 до 92. В словаре имелось 92 страницы, на каждой из которых было записано 92 слова. При передаче известий сообщались числа, причем первое число означало номер страницы, а второе- порядковый номер слова. Пользуясь таким словарем, можно было довольно быстро передать любое из 8464 слов, записанных в нем. Но так как в депешах очень часто встречались одни и те же фразы, то для ускорения передачи была еще составлена книга фраз, в которой также имелось 92 страницы, с 92 фразами на каждой. Поэтому, помимо 8464 слов можно было передать и 8464 фразы. В последнем случае передавалось уже трехзначное число, в котором первая цифра указывала на то, что нужно пользоваться книгой фраз.
15 августа 1794 года в ходе войны Французской Республики против Австрии линия впервые продемонстрировала свои возможности: известие о том, что Ле-Кесне снова в руках революционных войск, достигла столицы через час.
Простота устройства телеграфа, быстрота и точность его работы побудили Конвент принять решение о постройке во Франции нескольких телеграфных линий и соединить столицу со всеми пограничными пунктами. В 1798 г. была открыта линия Париж-Страсбург-Брест, в 1803 г. линия Париж-Лилль была продолжена до Дюнкерта и Брюсселя. В 1803 г. по распоряжению Наполеона была построена линия Париж- Милан, продолженная в 1810 г. до Венеции. В 1809-1810 гг. телеграф соединил Антверпен и Булонь, Амстердам и Брюссель. В 1823 г. вступила в действие телеграфная линия Париж-Баионнь. О быстроте сообщений на этих линиях можно судить по данным таблицы:
Несмотря на сравнительную простоту сооружения и его эксплуатации, телеграф имел свои существенные недостатки. Во-первых, его работа в сильной мере зависела от всяких изменений, происходящих в атмосфере, и, во-вторых, он был совершенно неприспособлен к работе в ночное время.
Шапп подсчитал, что его препарат может действовать только 2190 часов в год, т.е. в среднем это составляло примерно 6 часов в сутки. Чтобы повысить “работоспособность” телеграфа, Шапп и его сотрудники очень много потрудились над приспособлением его к ночной службе. Были испробованы самые различные способы и горючие материалы, но удовлетворительных результатов достичь не удалось. Смола и сало выделяли при горении много копоти, окутывавшей и скрывавшей знаки телеграфа. Жидкое горючее, например масло, также оказалось неподходящим, так как от постоянного движения крыльев аппарата пламя колыхалось и гасло. Использование же газа было связано с большими техническими трудностями. Самому Шаппу эту задачу решить так и не удалось. Но несмотря на имевшиеся недостатки, его телеграф получил широкое распространение и применялся во Франции вплоть до 1855 г.
Большую популярность система Шаппа приобрела и в других странах, но изобретателю не суждено было стать свидетелем столь полной реализации его технических идей. Он умер 23 июля 1805 года.
Сигнальные аппараты Шаппа в том виде, в каком они были предложены самим изобретателем, или несколько видоизмененные, нашли широкое применение во многих других государствах. Более чем полстолетия они служили единственным быстродействующим способом сообщений и вошли в историю телеграфии как оптические средства связи. В 1795 г. аппараты системы Шаппа были установлены в Испании и Италии. Вскоре подобный же телеграф, но немного измененной конструкции появился в Англии и Швеции. Последняя система, разработанная английским лордом Мурреем, имела следующее устройство: на платформе высокого здания сооружалась четырехугольная рама, в которой двумя рядами помещались шесть восьмигранных дощечек. Каждая такая дощечка могла занимать два положения: одно,- когда она обращалась к наблюдателю всей плоскостью, и другое,- когда она путем поворота ее на 90 обращалась к наблюдателю ребром и в отдалении становилась невидимой для глаза. Вращение дощечками производилось с помощью специального механизма, размещавшегося в нижней части помещения. Комбинируя различным образом расположения этих дощечек, можно было получить 64 знака. Первая линия, оборудованная такими устройствами, соединяла Лондон, Дувр и Портсмут.
В Швеции вначале применялся точно такой же аппарат, но в течение весьма короткого времени он был усовершенствован Эндельранцем, предложившим вместо шести дощечек устроить десять. При таком количестве дощечек появлялась возможность передать уже 1024 знака. В 1796 г. в Швеции действовали три линии оптического телеграфа, из которых одна соединяла такие важные пункты, как Стокгольм, Траненберг и Дротнингольм.
Обе системы- английская и шведская- имели преимущество перед способом Шаппа, заключающееся в том, что легко могли быть приспособлены к работе в ночное время. Для этого оказывалось достаточным позади дощечек помещать лампы, свет от которых был виден довольно далеко, как только дощечки открывались. Телеграфировать при этом приходилось, конечно, в обратном порядке, т.е. днем сигналы подавались появлением в раме дощечек, а ночью их исчезновением. Как только новый телеграф доказал на практике свою жизнеспособность, английское правительство позаботилось об устройстве подобных линий сигнализации и в своих колониях. В Индии первая линия оптического телеграфа, построенная в 1823 г. соединила Калькутту с крепостью Шунар. Примерно в это же время стала действовать подобная линия в Египте между Александрией и Каиром, где требовалось 40 мин., чтобы передать знак из одного города в другой через 19 промежуточных станций.
В Пруссии оптический телеграф был введен только в 1832 г. В окрестностях Берлина, в Потсдаме, есть гора, которая называется Телеграфенберг. Свое название она получила со времен строительства оптической телеграфной линии. Первая линия, которая состояла из 61 станции соединяла Берлин с Триром, проходя через такие пункты как Потсдам, Магдебург, Кельн, Кобленц. По своему устройству прусский оптический телеграф более приближался к телеграфу Шаппа, чем к английскому. Он состоял из мачты с шестью подвижными линейками. Каждая такая линейка, или как ее иногда называли “крыло”, могла принимать четыре положения: под углом к мачте в 0 , 45 , 90 и 135 . Комбинируя различные положения шестилинеек, можно было получить 4096 знаков. Недостатком этого аппарата была неприспособленность его к ночной работе.
Изобретение Шаппа явилось величайшим событием для того времени. Об успешном применении аппарата писала вся западноевропейская печать. Вести об этом скоро дошли и до России. В конце 1794 г. столичная газета “Петербургские ведомости”, сообщая о ходе военных действий во Франции, попутно отмечала успех нового изобретения, сыгравшего большую роль при взятии французской крепости Конде.
Этот факт не мог остаться незамеченным для русских правящих кругов. Возможностями такой “дальнопишущей машины” заинтересовалась сама императрица Екатерина Вторая. Как правительница огромного государства она правильно оценила все значение изобретения. Потребовав к себе самого искусного механика академической мастерской, она приказала ему построить точно такую же машину.
Этим механиком оказался Иван Петрович Кулибин, прославившийся в народе за свои хитроумные и полезные изобретения. В том же 1794 г. Кулибин разработал механизм оптического телеграфа, систему передачи сигналов и оригинальный код. Однако царское правительство не воспользовалось его изобретением и только значительно позже под давлением военно-политических событий приступило к постройке оптического телеграфа, который связал Петербург с Шлиссельбургом(1824 г.), Кронштадтом(1834 г.), Царским Селом(1835 г) и Гатчиной(1835 г.).
Степень развития общества во многом определяется состоянием телекоммуникаций (электросвязи).
Электросвязь обеспечивает излучение, передачу и приём знаков, письменного текста, изображений и звуков, сообщений и сигналов любого рода по проводам, радио, оптическим или другим электромагнитным системам. В электросвязи оперируют с электрическим сигналом, поэтому для передачи сообщений (речи, музыки, текстов, документов, изображений подвижных и неподвижных объектов) на расстояние (или для записи на магнитную ленту, оптический диск) их необходимо преобразовать в электрические сигналы, т. е. в электромагнитные колебания. Без средств телекоммуникаций невозможно представить не только промышленность, науку, оборону, но и быт человека. Даже самая ценная информация бесполезна, если нет каналов связи для ее передачи и приема. Количество произведенных в мире только бытовых радиоэлектронных аппаратов давно превысило число жителей на планете. И это притом, что электросвязь, компьютерная техника и радиоэлектроника развивались в основном в последние 50 лет, многие виды систем связи и бытовых аппаратов появились в последнее десятилетие, а некоторые – буквально в последние годы.
Если транспорт является средством для перемещения грузов и людей, то системы и сети телекоммуникаций – «транспортом» для «перевозки» любой информации посредством электромагнитных волн. Однако, если первый тип транспорта находится на виду и поэтому в центре внимания, то второй в основном скрыт и большинству представляется каким-то простым средством передачи телеграмм или ведения телефонных разговоров. Никто ведь не задумывается (исключая специалистов), как могут одновременно работать сотни тысяч передатчиков средней и большой мощности и более миллиарда малой, как с помощью миниатюрного мобильного аппарата можно передавать речь, данные, изображения (пока средней четкости) почти в любую точку нашей планеты, определить свое местоположение и произвести необходимые компьютерные расчеты.
Каждое из направлений развития техники передачи сообщений (телеграфия, телефония, передача данных, факсимильная связь, телевидение, звуковое вещание и т. д.) и устройства для их приёма (телеграфные аппараты, телефоны, факсы, телевизоры, радиоприёмники и т. д.) имеет свою историю изобретения, создания и эксплуатации. Известны имена многих изобретателей, но в ряде случаев трудно приписать кому-либо одному первенство в изобретении тех или иных технических средств передачи и приёма сообщений. Отметим лишь наиболее выдающиеся вехи в развитии этих областей техники.
В 1792 г. была построена (французские изобретатели братья К. и И. Шапп) первая линия семафорной передачи сигналов, связавшая Париж и Лилль (225 км). Сигнал проходил весь путь за 2 мин. Прибор для передачи сообщений назывался «тахиграф» (буквально скорописатель), а позже – «телеграф».
Оптический телеграф представлял собой цепочку башен, расположенных на вершинах холмов, на расстоянии прямой видимости. На каждой башне устанавливался вертикальный столб с тремя закрепленными перекладинами: одной длинной горизонтальной и двумя короткими, подвижно прикрепленными к ее концам. С помощью специальных механизмов перекладины меняли свое место так, что можно было образовать 92 различные фигуры. Шапп выбрал 8400 наиболее часто употребляемых слов и расположил их в кодовой книге на 92 страницах по 92 слова на каждой. С башни на башню передавался сначала номер страницы, а затем номер слова на ней.
Телеграф Шаппа был широко распространён в 19 в. В 1839–54 гг. действовала самая длинная в мире линия оптического телеграфа Петербург – Варшава (149 станций, 1200 км). По ней телеграмма, содержащая 100 сигналовсимволов, передавалась за 35 мин. Оптический телеграф различных конструкций был в эксплуатации около 60 лет, хотя и не обеспечивал (из-за погодных условий) высокую надёжность и достоверность.
Открытия в области электричества способствовали тому, что постепенно телеграф из оптического превращался в электрический. В 1832 г. русский учёный П. Л. Шиллинг продемонстрировал в Петербурге первый в мире практически пригодный электромагнитный телеграф. Первые подобные линии связи обеспечивали передачу 30 слов в минуту. Существенный вклад в эту область внесли американский изобретатель С. Морзе (в 1837 г. предложил код
– азбуку Морзе, а в 1840г. создал самопищущий аппарат, применявшийся потом на телеграфных линиях всех стран более ста лет), русский учёный Б. С. Якоби (в 1839 г. предложил буквопечатающий аппарат, в 1840 г. – электрохимический способ записи), английский физик Д. Юз (в 1855 г. разработал оригинальный вариант электромеханического буквопечатающего аппарата), немецкий электротехник и предприниматель Э. Сименс (в 1844 г. усовершенствовал аппарат Б. С. Якоби), французский изобретатель Ж. Бодо (в 1874 г. предложил метод передачи нескольких сигналов по одной физической линии – временное уплотнение; наибольшее практическое распространение получили аппараты Бодо двукратного телеграфирования, работавшие почти до середины XX в. со скоростью 760 знаков в минуту, в честь заслуг Бодо в 1927 г. его именем названа единица скорости телеграфирования – бод), итальянский физик Дж. Казелли (в 1856 г. предложил способ фототелеграфирования и осуществил его в России в 1866 г. на линии Петербург – Москва). Интересно отметить, что большинство создателей телеграфных аппаратов были всесторонне развитыми личностями. Так, Петр Львович Шиллинг был военным инженером, востоковедом и дипломатом, впоследствии – членом Петербургской академии наук; Самуэль Морзе в 1837 г. был профессором живописи Нью-Йорского университета. В 1866 г. была завершена работа по прокладке первого кабеля через Атлантический океан. Впоследствии все материки были соединены несколькими подводными линиями связи, в том числе на волоконно-оптическом кабеле.
В 1876 г. американский изобретатель А. Г. Белл получил патент на первый практически пригодный телефонный аппарат, а в 1878 г. в Нью-Хейвене
(США) была введена первая телефонная станция. В России первые городские телефонные станции появились в 1882 г. в Петербурге, Москве, Одессе и Риге. Автоматическая телефонная станция (АТС) с шаговым искателем введена в
1896 г. (г. Огаста, США.). В 1940-х гг. были созданы координатные АТС, в 1960-х – квазиэлектронные, а в 1970-х появились первые образцы электронных АТС. Развитие электросвязи шло параллельно по многим направлениям: телеграфия, телефония, проводное звуковое вещание, радиовещание, радиосвязь, факсимильная связь, телевидение, передача данных, сотовая радиосвязь, персональная спутниковая и т.д.
В течение 1906 – 1916 гг. были изобретены различные вакуумные электронные лампы (Ли де Форест – США, Р. Либен – Германия, В.И. Коваленко – Россия и др.), что явилось толчком для создания генераторов незатухающих электрических колебаний (в отличие от применявшихся до этого в радиопередатчиках искровых затухающих колебаний), усилителей, модуляторов и др. устройств, без которых не обходится ни одна система передачи.
Усилители электрических сигналов позволили увеличить дальность проводной телефонной связи благодаря использованию промежуточных усилителей, а разработка высокодобротных электрических фильтров открыла путь к созданию многоканальных систем передачи с частотным разделением каналов.
Развитие телефонии способствовало внедрению проводного звукового вещания, в котором звуковые программы передаются по отдельным от телефонных проводам. Однопрограммное проводное вещание впервые было начато в Москве в 1925 г. введением узла мощностью 40 Вт, обслуживавшего 50 громкоговорителей, установленных на улицах. С 1962 г. внедряется 3- программное проводное вещание, в котором две дополнительные программы передаются одновременно с первой методом амплитудной модуляции несущих с частотами 78 и 120 кГц. В ряде стран ведутся передачи дополнительных звуковых программ по телефонным сетям.
Теоретические и экспериментальные исследования многих ученых, прежде всего М. Фарадея, Д. Максвелла и Г. Герца, создавших теорию электромагнитных колебаний, явились основой для широкого применения электромагнитных волн, в том числе для создания беспроводных, т.е. радиосистем передачи. Важный шаг в истории электросвязи – изобретение радио А. С. Поповым в 1895 г. и беспроволочного телеграфа Г. Маркони в 1896–97 гг. Первая в мире смысловая радиограмма, преданная 12 марта 1896 г. А.С. Поповым, содержала всего два слова «Heinrich Hertz», как дань уважения памяти великого ученого, открывшего дверь в мир радио. С этого времени началось использование электромагнитных волн всё более высоких частот для передачи сообщений. Это послужило толчком для организации радиовещания и появления радиовещательных приёмников – первых бытовых радиоэлектронных аппаратов. Первые радиовещательные передачи начаты в 1919–20 гг. из Нижегородской радиолаборатории и с опытных радиовещательных станций Москвы, Казани и других городов. К этому же
времени относится начало регулярных передач радиовещания в США (1920 г.)
в Питсбурге и Западной Европе (в 1922 г.) в Лондоне.
В нашей стране регулярное радиовещание начато более 65 лет назад и ведется сейчас на длинных, средних и коротких волнах методом амплитудной модуляции, а также в УКВ диапазоне (метровые волны) методом частотной модуляции. Стереофонические программы передаются в УКВ диапазоне. Развитие радиовещания идет по пути внедрения цифровых технологий во все сферы подготовки программ, передачи, записи и приема. В ряде стран введены системы цифрового радиовещания по стандартам DRM и DAB.
В 1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией (расстояние 150 км) была сооружена радиолиния на 5 телефонных каналов, работавшая в диапазоне метровых волн, устойчиво распространяющихся в пределах прямой видимости. Она представляла собой цепочку приемо-передающих радиостанций (двух оконечных и двух (через 50 км) промежуточных – релейных) отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн. Так появился новый вид радиосвязи – радиорелейная связь, в которой в дальнейшем перешли на диапазоны дециметровых и сантиметровых волн. Отличительной особенностью радиорелейных систем передачи является возможность одновременной работы огромного количества таких систем в одном и том же частотном диапазоне без взаимных помех, что объясняется возможностью применения остронаправленных антенн (с узкой диаграммой направленности).
Для увеличения расстояния между станциями их антенны устанавливают на мачтах или башнях высотой 70 – 100 м и, по возможности, на возвышенных местах. В этих диапазонах можно передавать большие объемы информации, к тому же здесь мал уровень атмосферных и индустриальных помех. Радиорелейные системы быстрее развертываются (строятся), дают большую экономию цветных металлов по сравнению с кабельными (коаксиальными) линиями. Несмотря на сильную конкуренцию со стороны волоконнооптических и спутниковых систем, радиорелейные системы во многих случаях незаменимы – для передачи любого сообщения (чаще телевизионных изображений) с подвижного средства на приемную станцию узким пучком радиоволн. Современные радиорелейные системы в основном цифровые.
В 1947 г. появилось первое сообщение о цифровой системе передачи с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), разработанной фирмой «Белл» (США). Поскольку она была выполнена на лампах (транзисторы еще не существовали), то была весьма громоздкой, потребляла много электроэнергии и имела низкую надежность. Только в 1962 г. внедрена в эксплуатацию цифровая многоканальная система телекоммуникаций (МСТК) с временным разделением каналов (ИКМ-24). Сегодня цифровые МСТК и соответствующие сети строятся на основе синхронной цифровой SDH – СЦИ иерархии (с базовой скоростью 155,52 Мбит/с – STM-1, все остальные STM-n, составляющие основу аппаратуры СЦИ, обеспечивают информационный обмен со скоростями, кратными базовой) и на волоконно-оптическом кабеле.
В 1877-80 гг. М. Сенлеком (Франция), А. де Пайва (Португалия) и П. И. Бахметьевым (Россия) предложены первые проекты систем механического
телевидения. Созданию телевидения способствовали открытия многих учёных и исследователей: А. Г. Столетов установил в 1888 -90 гг. основные закономерности фотоэффекта; К. Браун (Германия) изобрёл в 1897 г. электронно-лучевую трубку; Ли де Форест (США) создал в 1906 г. трёхэлектродную лампу, существенный вклад внесли также Дж. Берд (Англия), Ч. Ф. Дженкинс (США) и Л. С. Термен (СССР), осуществившие первые проекты систем телевидения с механической развёрткой в течение 1925-26 гг. Началом ТВ-вещания в стране по системе механического телевидения c диском Нипкова (30 строк и 12,5 кадров/с) считается 1931 г. Ввиду узкой полосы частот, занимаемой сигналом этой системы, он передавался с помощью радиовещательных станций в диапазонах длинных и средних волн. Первые опыты по системе электронного телевидения были проведены в 1911 г. русским учёным Б. Л. Розингом. Существенный вклад в становление электронного телевидения внесли также: А. А. Чернышёв, Ч. Ф. Дженкинс. А. П. Константинов, С. И. Катаев, В. К Зворыкин, П. В. Шмаков, П. В. Тимофеев и Г. В. Брауде, предложившие оригинальные проекты различных передающих трубок. Это позволило создать в 1937 г. первые в стране телецентры – в Ленинграде (на 240 строк) и Москве (на 343 строки, а с 1941 г. – на 441 строку). С 1948 г. начато вещание по системе электронного телевидения с разложением на 625 строк и 50 полей/с, т. е. по стандарту, который принят сейчас большинством стран мира (в США в 1940 г. принят стандарт на 525 строк и 60 полей/с).
Работы многих учёных и изобретателей по передаче цветных изображений (А. А. Полумордвинов предложил в 1899 г. первый проект цветной ТВ-системы, И. А. Адамиан в 1926 г. – трёхцветную последовательную систему) явились основой для создании различных систем цветного телевидения. Перед исследователями и разработчиками системы цветного телевидения (ЦТВ) для целей вещания стояла сложная задача: создать систему, которая была бы взаимно-совместимой с уже существующей системой черно-белого ТВ. Для этого сигнал ЦТВ должен приниматься черно-белыми телевизорами в черно-белом виде, а сигнал черно-белого ТВ – цветными телевизорами также в черно-белом виде. Долгие годы потребовались для успешного решения этой проблемы. В конце 1953 г. в США было начато вещание по системе ЦТВ NTSC (по имени разработавшего ее национального комитета ТВ систем). В этой системе формируется полный цветной ТВ сигнал в виде суммы сигнала яркости и цветности. Последний представляет собой цветовую поднесущую, промодулированную двумя цветоразностными сигналами методом квадратурной модуляции. Сам метод передачи двух любых сообщений на одной поднесущей (со здвигом по фазе на 90°) был предложен в 40-х годах XX века советским ученым Г. Момотом.
Однако, несмотря на инженерную простоту построения кодирующего и декодирующего устройств, система NTSC не получила широкого распространения ввиду жестких требований, предъявляемых к характеристикам аппаратуры и каналов связи. Потребовалось 14 лет для разработки других систем ЦТВ (PAL и SECAM), которые менее чувствительны
к искажениям сигналов в канале передачи. Система PAL была предложена в Германии, а SECAM – во Франции. Принятый же для целей вещания стандарт SECAM доработан совместными усилиями советских и французских ученых. Системы ЦТВ NTSC, PAL и SECAM получили название композитных (от composite – составной, сложный сигнал) в отличие от компонентных систем, в которых сигналы яркости и цветоразностные (компоненты) передаются раздельно.
В настоящие время ТВ вещание в мире ведется по трем указанным аналоговым системам в отведенных участках метровых и дециметровых волн; при этом изображение передается методом амплитудной модуляции несущей, а звуковое сопровождение – методом частотной модуляции другой несущей (только в одном стандарте (L) применяется амплитудная модуляция). Аналоговое вещание постепенно вытесняется цифровым. Количество цифровых ТВ программ по стандарту DVB-S, которые можно принимать со спутников значительно превзошло число аналоговых. На различные космические орбиты запущены тысячи искусственных спутников Земли, с помощью которых осуществляются: многопрограммное непосредственное ТВ
– и радиовещание, радиосвязь, определение местоположения (координат) объектов, оповещение о терпящих бедствие, персональная спутниковая связь и много других функций.
В США с 1998 г. начат переход на цифровое телевидение высокой четности (ТВЧ) по стандарту ATSC (допускается 18 вариантов, отличающихся числом строк разложения – от 525 до 1125, видом развертки и частотой полей (кадров)). В Европе нет такой категоричности в переходе на цифровое ТВЧ, так как считается, что потенциал стандарта на 625 строк полностью еще не исчерпан. Тем не менее, аппаратура по стандарту ТВЧ (1250 строк) производится (особенно для съемки кинофильмов) и ведутся отдельные передачи.
Для доставки ТВ программ населению применяются радиосистемы: наземные в МВ и ДМВ диапазонах, спутниковые непосредственного приема, микроволновые сотовые (MMDS, LMDS, MVDS), а также системы кабельного ТВ (коаксиальные, волоконно-оптические, гибридные). Все больший вес приобретают системы КТВ (с доступов в сеть Интернет, для заказывания ТВ программ и получения других услуг).
Опытная система чёрно-белого и цветного стереотелевидения создана в I960 – 70-х гг. коллективом под руководством П. В. Шмакова в Ленинграде. Внедрение стереотелевидения в вещание сдерживается в основном отсутствием эффективного, сравнительно дешёвого и простого устройства отображения (экрана). Высказанное в свое время П.В. Шмаковым предложение об использовании летательных аппаратов для ретрансляции ТВ программ на большие территории получило широкое распространение в спутниковых системах радиосвязи и ТВ вещания. Начало этому было положено
в 1965 г. когда в СССР был запущен искусственный спутник земли (ИСЗ) «Молния-1» с приемо-передающей ретрансляционной аппаратурой. Сегодня на разных орбитах вокруг Земли вращаются несколько тысяч ИСЗ, имеющих
различное назначение. Для непосредственного приема ТВ программ с ИСЗ оптимальной является геостационарная орбита, вращаясь по которой ИСЗ оказывается как бы неподвижным относительно любой точки Земли в пределах радиовидимости. С их помощью не только ретранслируется ТВ программы (несколько сотен над странами Европы), но и программы звукового вещания, осуществляется персональная радиосвязь и широкополосный доступ в Интернет, а также ряд других функций.
Выдающимся открытием 20 в. является создание транзистора в 1948 г. У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином, получивших Нобелевскую премию 1956 г. Успехи полупроводниковой электроники и в особенности появление интегральных схем предопределили бурное развитие всех технических средств передачи сообщений электрическими средствами и соответствующих устройств для их приёма и записи. Кроме стационарных радиоприёмников и телевизоров появились переносные и автомобильные и даже персональная «карманная» видеоаппаратура.
Работы советских ученых Н.Г. Басова, А.М. Прохорова и американского ученого Ч. Таунса, также получивших Нобелевскую премию, позволили в 1960 г. создать лазер – высокоэффективный источник оптического излучения. Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) с использованием полупроводниковых лазерных диодов и волоконных световодов стали реальностью с 1970 г. когда в США было получено сверхчистое стекло. ВОСП открыли новую эру в технике связи по направляющим линиям. Ввиду нечувствительности к электромагнитным помехам, скрытности, малого ослабления передаваемых оптических сигналов (менее 0,01 дБ/км), большой пропускной способности (более 40 Гбит/с) они не имеют конкурентов среди существующих физических линий передачи. Исключения составляют фидерные линии (коаксиальный кабель или волновод), применяемые для подачи модулированных высокочастотных колебаний на радиопередающие станции. Строятся фотонные сети, т.е. полностью оптические, а также пассивные, которые не содержат электрические или оптические усилители.
В нашей стране создана достаточно развитая магистральная сеть для передачи любых видов информации по волоконно-оптическим линиям связи с выходом на международные линии.
В 1956 г. был создан первый профессиональный видеомагнитофон (ВМ) для записи на магнитную ленту цветных ТВ изображений (США, ф. «Ampex», которую возглавлял выходец из России), его вес составлял 1,5 тонны. Сегодня видеокамера (ТВ передающая камера с встроенным видеомагнитофоном) с расширенными функциями помещается на ладони. С 1969 г. начато освоение бытовой магнитной видеозаписи, а также производство малогабаритных студийных ВМ, а затем и видеокамер. Большой спрос на ВМ вызвал конкурентную борьбу среди фирм производителей (в основном из Японии).
В начале выпускались ВМ аналоговых форматов: U-matic, VCR (1970 г.); Betamax, VCR-LR, VHS (1975 г.); Betacam, Video-2000 (1979 г.); S- VHS (1981
г.), Video-8 (1988 г.). Но уже в 1986 г. появился первый формат (D-1) цифровой видеозаписи на магнитную ленту сигналов ЦТВ, а затем D-2 (1987 г.), D-3
(1990 г.) и D-5 (1993 г.). Эти ВМ были рассчитаны на запись цифровых потоков без сжатия со скоростями 225, 127, 125 и 300 Мбит/с соответственно: D-1 и D-5 – компонентных, D-2 и D-3 – композитных сигналов. Успешная реализация алгоритмов сжатия – устранения избыточности в ТВ изображениях (семейство MPEG стандартов) во много раз сокративших скорость цифрового потока, применение методов помехоустойчивого кодирования и спектральноэффективных многопозиционных способов модуляции открыли путь для внедрения цифрового ТВ вещания: появилась возможность в стандартном ТВ радиоканале (шириной 8 МГц для отечественного стандарта и большинства других), вместо одной аналоговой, передать 5 – 6 цифровых ТВ программ со стереофоническим звуковым сопровождением и дополнительной информацией. Это было учтено при разработке новых форматов цифровой записи на магнитную ленту как компонентных сигналов стандартной четкости
(Betacam SX, Digital Betacam, D-7 (DVSPRO), DVSPRO50, D-9 (Digitals), DVCAM, MPEG IMX и др.), так и высокой (D5-HD, D-6, CAM-HD, DVSPROHD и др.). Создателями большинства форматов являются японские фирмы, как и разработчиками трех стандартов для записи цифровых звуковых сигналов на магнитную ленту R-DAT (1981 г.), S-DAT (1982 г.) и стираемый диск – Е-DAT (1984 г.).
Совместным усилиями Philips и Sony в 1977 г. разработан цифровой вариант пластинки – компакт – диск для воспроизведения на лазерном проигрывателе. Примерно с 1985 г. начато производство DVD–дисков (однослойных, двухслойных, односторонних и двухсторонних, однократно и многократно перезаписываемых) и соответствующей аппаратуры. Появились портативные ТВ камеры с устройством записи на оптический DVD–диск. Началась эра безленточной подготовки и производства ТВ программ с хранением информации на дисковых накопителях, видеосервирах с широким применением программно-управляемых комплексов.
Современное общество невозможно представить не только без средств телекоммуникаций, но и без персональных компьютеров, локальных, корпоративных сетей передачи данных и глобальной сети Интернет. Произошла интеграция всех видов телекоммуникаций и компьютерных технологий. Цифровые сети и системы программно управляются и синхронизируются; цифровые сигналы чаще обрабатываются с помощью микропроцессоров, сигнальных процессов и формируются программно (напр., COFDM – метод модуляции и частотного уплотнения нескольких тысяч ортогональных несущих реализуется программно, так как аппаратурно трудно выполним, а он широко применяется во многих цифровых радиосистемах передачи).
Начиналось же все с простейших устройств, которые оказывали помощь человеку в проведение тех или иных расчетов (бухгалтерские счеты, арифмометр, калькулятор). Первые электронные вычислительные машины и были созданы для решения расчетных задач с большим объемом вычислений.
По закону Министерства обороны США в период с 1942 по 1946 г.г. в Пенсильванском университете создавалась ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical
Integrator and Automatic Calculator – электронный вычислительный интегратор и автоматический вычислитель), которая использовалась в баллистической лаборатории. Оборудование размещалось во множестве шкафов, занимало большое помещение (~ 80м2 ), поражало своими размерами и весом (30 тонн, 18 тысяч электронных ламп), крайне низкой производительностью (10 – 20 тысяч операций в секунду) – на перемножение двух чисел уходило 3 миллисекунды. Владельцу ноутбука в это трудно поверить. К первому поколению относится и ЭВМ МЭСМ, созданная в 1946 – 1947 г.г. в СССР.
Второе поколение (1960 – 1969 г.г.) разрабатывалось с применением полупроводниковых приборов (IBM – 701, США; БЭСМ-4, БЭСМ-6, СССР). Быстродействие увеличилось до 100-500 тыс. оп/с, но размеры были еще большими. Третье поколение ЭВМ (IBM – 360, США; EC-1030, EC-1060,
СССР) создавались в 1970–1979 г.г. на микросхемах с малой степенью интеграции с использованием операционных систем и режима разделения времени. Основное назначение – автоматизированные системы управления, научно-технические задачи, системы автоматизированного проектирования. На больших интегральных схемах и микропроцессорах строились ЭВМ четвертого поколения (1980 – 1989 г.г.) с быстродействием в десятки и сотни мил.оп/с (ILLIAC4, CRAY, США; Эльбрус, ПС-2000, СССР и др.). Расширялась и область их применения – сложные производственные и социальные задачи, управление, автоматизированные рабочие места, коммуникации.
Одновременно с созданием больших ЭВМ интенсивно развивался класс микроЭВМ – персональных компьютеров (ПК). Первая микроЭВМ появилась в 1971 г. в США на основе 4-разрядного микропроцессора, что позволило резко уменьшить массу и габариты вычислительных устройств. Как и в случае больших ЭВМ, персональные компьютеры первого поколения были аппаратно и программно несовместимы. С появлением в 1981 г. ПК фирмы IBM ситуация стала меняться в направлении создания совместимых ПК, имеющих значительно большую разрядность и точность вычислений. Огромный спрос на быстродействующие ПК с расширенными функциональными возможностями являлся стимулом для совершенствования микропроцессоров, разрядность которых увеличилась от 4 в 1971 г. до 32 в 1986 г., а тактовая частота – от 0,5 до 25 МГц. Современные процессоры имеют 64 разряда при тактовой частоте более 4 ГГц.
Развитие радиосвязи шло по пути осваивания диапазонов все более высоких частот, в которых можно передавать значительно больший объем информации. Оставалось много нерешенных проблем по эффективному сжатию передаваемых сигналов, помехоустойчивому кодированию и созданию спектрально-эффективных методов цифровой модуляции, покрытию больших территорий многопрограммным вещанием. Нерешенной была и задача обеспечения двухсторонней радиосвязи с абонентом, который находится в пути, либо не имеет выхода на телефонную сеть общего пользования. Ведомственные системы профессиональной подвижной радиотелефонной связи (для «скорой помощи», управления дорожным и воздушным движением и т.п.) были созданы еще в 70 годах ХХ века (отечественные системы «Алтай», «Лен»,
«Вилия» и др.). Они представляли собой возимые приемо-передающие радиостанции и поэтому не были рассчитаны на массовое использование. Для этого требовалось сделать их портативными и легкими, а также в условиях ограниченного частотного ресурса найти способы многократного использования одних и тех же частот разными абонентами.
Первыми появились системы односторонней радиосвязи – пейджинговые системы (персонального радиовызова). Они позволяют передавать короткие текстовые сообщения любому владельцу портативного приемника – пейджера. Отображение принимаемых буквенно-цифровых символов осуществляется на маленьком экране (индикаторе) приемника. Текст таких сообщений с указанием номера абонента передавался сначала по телефонной линии на базовую станцию, а оттуда уже оператор передавал его на пейджер получателя. В то время это было большим достижением. В дальнейшем появилась возможность не только получать сообщения, но и отвечать на них несколькими стандартными фразами, зашитыми в память пейджера.
Так зарождались системы сотовой подвижной радиосвязи, основной принцип которых – сотовое построение и распределение частот. Территория обслуживания делится на большое количество небольших ячеек («сот» – шестиугольников) радиусом R от 1,5 до 3 км, обслуживаемых отдельной базовой радиостанцией малой мощности. Совокупность, например, семи ячеек образует кластер с соответствующими номерами используемых частот. В расположенных рядом кластерах применяются те же частоты, но присвоенные сотам так, что расстояние между центрами сот (разных кластеров) с одинаковыми частотами равно 4,5R – достаточное для исключения взаимного влияния.
Первые СПР были аналоговыми, затем повсеместно – цифровыми. Постепенно расширялись и их функциональные возможности – от двухсторонней передачи только речи до передачи данных, неподвижных и подвижных изображений (пока среднего качества). Зона обслуживания также увеличивалась – от небольшой территории города до государства в целом, а при наличии международных соглашений – и на территории других стран. К концу 1996 г. (10 лет назад) количество абонентов СПР в мире составляло чуть более 15 млн. Сегодня только в нашей стране более 4 млн. абонентов, в мире их стало более 2 млрд.
Необходимо отметить еще одно достижение конца ХХ века – создание семейства стандартов xDSL (Digital Subscribez Line – цифровая абонентская линия), разработанных для существенного повышения пропускной способности витой медной пары, используемой на абонентском участке до АТС (получившим поэтому название «последняя миля»). Применение новых видов многопозиционной модуляции позволяет по узкополосной медной паре передавать большие объемы информации: в варианте ADSL – от абонента до АТС – со скоростью 16 – 640 кбит/с, к абоненту – 6 Мбит/с на расстояние 2,7 км, а в варианте VDSL – обеспечивается передача со скоростью 52 Мбит/с (АТС – абонент) на расстояние до 300 м. Еще не так давно считалось, что по такому каналу вообще нельзя передавать ТВ сигнал. Таким образом, с
помощью технологии VDSL можно передавать до 10 цифровых ТВ программ (по 5 Мбит/с на программу) вещательного качества, что является колоссальным достижением.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
1. Краткий обзор развития линий связи
Линии связи возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первые линии связи были кабельными. Однако вследствие несовершенства конструкции кабелей подземные кабельные линии связи вскоре уступили место воздушным. Первая воздушная линия большой протяженности была построена в 1854 г. между Петербургом и Варшавой. В начале 70-х годов прошлого столетия была построена воздушная телеграфная линия от Петербурга до Владивостока длиной около 10 тыс. км. В 1939 г. была пущена в эксплуатацию величайшая в мире по протяженности высокочастотная телефонная магистраль Москва--Хабаровск длиной 8300 км.
Создание первых кабельных линий связано с именем русского ученого П.Л. Шиллинга. Еще в 1812 г. Шиллинг в Петербурге демонстрировал взрывы морских мин, использовав для этой цели созданный им изолированный проводник.
В 1851 г. одновременно с постройкой железной дороги между Москвой и Петербургом был проложен телеграфный кабель, изолированный гуттаперчей. Первые подводные кабели были проложены в 1852 г. через Северную Двину и в 1879 г. через Каспийское море между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в строй кабельная трансатлантическая магистраль телеграфной связи между Францией и США.
В 1882--1884 гг. в Москве, Петрограде, Риге, Одессе были построены первые в России городские телефонные сети. В 90-х годах прошлого столетия на городских телефонных сетях Москвы и Петрограда были подвешены первые кабели, насчитывающие до 54 жил. В 1901 г. началась постройка подземной городской телефонной сети.
Первые конструкции кабелей связи, относящиеся к началу XX века, позволили осуществлять телефонную передачу на небольшие расстояния. Это были так называемые городские телефонные кабели с воздушно-бумажной изоляцией жил и парной их скруткой. В 1900--1902 гг. была сделана успешная попытка повысить дальность передачи методами искусственного увеличения индуктивности кабелей путем включения в цепь катушек индуктивности (предложение Пупина), а также применения токопроводящих жил с ферромагнитной обмоткой (предложение Крарупа). Такие способы на том этапе позволили увеличить дальность телеграфной и телефонной связи в несколько раз.
Важным этапом в развитии техники связи явилось изобретение, а начиная с 1912--1913 гг. освоение производства электронных ламп. В 1917 г. В.И. Коваленковым был разработан и испытан на линии телефонный усилитель на электронных лампах. В 1923 г. была осуществлена телефонная связь с усилителями на линии Харьков--Москва--Петроград.
В 30-х годах началось развитие многоканальных систем передачи. В последующем стремление расширить спектр передаваемых частот и увеличить пропускную способность линий привело к созданию новых типов кабелей, так называемых коаксиальных. Но массовое изготовление их относится лишь к 1935 г., к моменту появления новых высококачественных диэлектриков типа эскапона, высокочастотной керамики, полистирола, стирофлекса и т.д. Эти кабели допускают передачу энергии при частоте токов до нескольких миллионов герц и позволяют производить по ним передачу телевизионных программ на большие расстояния. Первая коаксиальная линия на 240 каналов ВЧ телефонирования была проложена в 1936 г. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь. И только через 100 лет, в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальной телефонной связи.
В 1965--1967 гг. появились опытные волноводные линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные сверхпроводящие кабельные линии с весьма малым затуханием. С 1970 г. активно развернулись работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн.
Создание волоконного световода и получение непрерывной генерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно-оптической связи. К началу 80-х годов были разработаны и испытаны в реальных условиях волоконно-оптические системы связи. Основные сферы применения таких систем -- телефонная сеть, кабельное телевидение, внутриобъектовая связь, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т.д.
В Украине и других странах проложены городские и междугородные волоконно-оптические линии связи. Им отводится ведущее место в научно-техническом прогрессе отрасли связи.
2. Линии связи и основные свойства ВОЛС
На современном этапе развития общества в условиях научно-технического прогресса непрерывно возрастает объем информации. Как показывают теоретические и экспериментальные (статистические) исследования, продукция отрасли связи, выражающаяся в объеме передаваемой информации, возрастает пропорционально квадрату прироста валового продукта народного хозяйства. Это определяется необходимостью расширения взаимосвязи между различными звеньями народного хозяйства, а также увеличением объема информации в технической, научной, политической и культурной жизни общества. Повышаются требования к скорости и качеству передачи разнообразной информации, увеличиваются расстояния между абонентами. Связь необходима для оперативного управления экономикой и работы государственных органов, для повышения обороноспособности страны и удовлетворения культурно-бытовых потребностей населения.
В эпоху научно-технической революции связь стала составным звеном производственного процесса. Она используется для управления технологическими процессами, электронно-вычислительными машинами, роботами, промышленными предприятиями т.д. Непременным и одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементов связи являются линии связи (ЛС), по которым передаются информационные электромагнитные сигналы от одного абонента (станции, передатчика, регенератора и т.д.) к другому (станции, регенератору, приемнику и т.д.) и обратно. Очевидно, что эффективность работы систем связи во многом предопределяется качеством ЛС, их свойствами и параметрами, а также зависимостью этих величин от частоты и воздействия различных факторов, включая мешающие влияния сторонних электромагнитных полей.
Различают два основных типа ЛС: линии в атмосфере (радиолинии РЛ) и направляющие линии передачи (линии связи).
Отличительной особенностью направляющих линий связи является то, что распространение сигналов в них от одного абонента (станции, устройства, элемента схемы и т.д.) к другому осуществляется только по специально созданным цепям и трактам ЛС, образующим направляющие системы, предназначенные для передачи электромагнитных сигналов в заданном направлении с должными качеством и надежностью.
В настоящее время по линиям связи передаются сигналы от постоянного тока до оптического диапазона частот, а рабочий диапазон длин волн простирается от 0,85 мкм до сотен километров.
Различают три основных типа ЛС: кабельные (КЛ), воздушные (ВЛ), волоконно-оптические (ВОЛС). Кабельные и воздушные линии относятся к проводным линиям, у которых направляющие системы образуются системами “проводник--диэлектрик”, а волоконно-оптические линии представляют собой диэлектрические волноводы, направляющая система которых состоит из диэлектриков с различными показателями преломления.
Волоконно-оптические линии связи представляют собой системы для передачи световых сигналов микроволнового диапазона волн от 0,8 до 1,6 мкм по оптическим кабелям. Этот вид линий связи рассматривается как наиболее перспективный. Достоинствами ВОЛС являются низкие потери, большая пропускная способность, малые масса и габаритные размеры, экономия цветных металлов, высокая степень защищенности от внешних и взаимных помех.
3. Основные требования к линиям связи
кабельный оптический телефонный микроволновой
В общем виде требования, предъявляемые высокоразвитой современной техникой электросвязи к междугородным линиям связи, могут быть сформулированы следующим образом:
· осуществление связи на расстояния до 12500 км в пределах страны и до 25 000 для международной связи;
· широкополосность и пригодность для передачи различных видов современной информации (телевидение, телефонирование, передача данных, вещание, передача полос газет и т. д.);
· защищенность цепей от взаимных и внешних помех, а также от грозы и коррозии;
· стабильность электрических параметров линии, устойчивость и надежность связи;
· экономичность системы связи в целом.
Кабельная линия междугородной связи представляет собой сложное техническое сооружение, состоящее из огромного числа элементов. Так как линия предназначена для длительной работы (десятки лет) и на ней должна быть обеспечена бесперебойная работа сотен и тысяч каналов связи, то ко всем элементам линейно-кабельного оборудования, и в первую очередь к кабелям и кабельной арматуре, входящим в линейный тракт передачи сигналов, предъявляются высокие требования. Выбор типа и конструкции линии связи определяется не только процессом распространения энергии вдоль линии, но и необходимостью защитить расположенные рядом ВЧ цепи от взаимных мешающих влияний. Кабельные диэлектрики выбирают исходя из требования обеспечения наибольшей дальности связи в каналах ВЧ при минимальных потерях.
В соответствии с этим кабельная техника развивается в следующих направлениях:
1. Преимущественное развитие коаксиальных систем, позволяющих организовать мощные пучки связи и передачу программ телевидения на большие расстояния по однокабельной системе связи.
2. Создание и внедрение перспективных ОК связи, обеспечивающих получение большого числа каналов и не требующих для своего производства дефицитных металлов (медь, свинец).
3. Широкое внедрение в кабельную технику пластмасс (полиэтилена, полистирола, полипропилена и др.), обладающих хорошими электрическими и механическими характеристиками и позволяющих автоматизировать производство.
4. Внедрение алюминиевых, стальных и пластмассовых оболочек вместо свинцовых. Оболочки должны обладать герметичностью и обеспечивать стабильность электрических параметров кабеля в течение всего срока службы.
5. Разработка и внедрение в производство экономичных конструкций кабелей внутризоновой связи (однокоаксиальных, одночетверочных, безбронных).
6. Создание экранированных кабелей, надежно защищающих передаваемую по ним информацию от внешних электромагнитных влияний и грозы, в частности кабелей в двухслойных оболочках типа алюминий -- сталь и алюминий -- свинец.
7. Повышение электрической прочности изоляции кабелей связи. Современный кабель должен обладать одновременно свойствами как высокочастотного кабеля, так и силового электрического кабеля, и обеспечивать передачу токов высокого напряжения для дистанционного электропитания необслуживаемых усилительных пунктов на большие расстояния.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Тенденция развития оптических сетей связи. Анализ состояния внутризоновой связи Республики Башкортостан. Принципы передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи. Выбор оборудования, оптического кабеля, организация работ по строительству.
дипломная работа , добавлен 20.10.2011
Общая характеристика волоконно-оптической связи, ее свойства и области применения. Проектирование кабельной волоконно-оптической линии передач (ВОЛП) способом подвески на опорах высоковольтной линии передачи. Организация управления данной сетью связи.
курсовая работа , добавлен 23.01.2011
Этапы развития различных средств связи: радио, телефонной, телевизионной, сотовой, космической, видеотелефонной связи, интернета, фототелеграфа (факса). Виды линии передачи сигналов. Устройства волоконно-оптических линий связи. Лазерная система связи.
презентация , добавлен 10.02.2014
Основная задача развития электрической связи. Расчет характеристик передачи по оптическим волокнам. Строительство волоконно-оптической линии связи, монтаж оптического кабеля и работа с измерительными приборами. Охрана труда и техника безопасности.
дипломная работа , добавлен 24.04.2012
История развития линий связи. Разновидности оптических кабелей связи. Оптические волокна и особенности их изготовления. Конструкции оптических кабелей. Основные требования к линиям связи. Направления развития и особенности применения волоконной оптики.
контрольная работа , добавлен 18.02.2012
Волоконно-оптические линии связи как понятие, их физические и технические особенности и недостатки. Оптическое волокно и его виды. Волоконно-оптический кабель. Электронные компоненты систем оптической связи. Лазерные и фотоприемные модули для ВОЛС.
реферат , добавлен 19.03.2009
Структура оптического волокна. Виды оптоволоконных кабелей. Преимущества и недостатки волоконно-оптической линии связи. Области ее применения. Компоненты тракта передачи видеонаблюдения. Мультиплексирование видеосигналов. Инфраструктура кабельной сети.
курсовая работа , добавлен 01.06.2014
Волоконно-оптическая линия связи как вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, знакомство с особенностями проектирования. Анализ этапов расчета параметров кабеля и длины регенерационного участка.
курсовая работа , добавлен 28.04.2015
История разработки световодных систем и их опытной эксплуатация на железнодорожном транспорте. Рассмотрение возможности создания высокоскоростной волоконно-оптической линии внутризоновой связи, которая соединяет по кольцевой схеме районные центры.
курсовая работа , добавлен 05.04.2011
Характеристика проводных (воздушных) линий связи как проводов без изолирующих или экранирующих оплеток, проложенных между столбами в воздухе. Конструкция кабельных линий и применение волоконной оптики. Инфракрасные беспроводные сети для передачи данных.
Вся история развития кабельных систем связи связана с проблемой увеличения объема информации передаваемой по проводному каналу связи.
В свою очередь объем передаваемой информации определяется полосой пропускания. Установлено, что достижимая скорость передачи информации тем выше, чем выше частота колебаний электрического тока или радиоволны. Для того, чтобы передать в закодированном виде любую букву алфавита, необходимо использовать 7–8 битов. Таким образом, если для передачи текста применять проводную связь с частотой 20 кГц, то стандартную книгу в 400–500 страниц можно будет передать примерно за 1,5–2 часа. При передаче по линии с частотой 32 МГц та же процедура потребует лишь 2–3 секунды.
Рассмотрим как с развитием проводной связи, т.е. с освоением новых частот изменялась пропускная способность канала связи.
Как отмечалось выше, развитие электрических систем передачи информации началось с изобретения П. Л. Шиллингом в 1832 году телеграфной линии с использованием иголок. В качестве линии связи использовался медный провод. Эта линия обеспечивала скорость передачи информации – 3 бит/с (1/3 буквы). Первая телеграфная линия Морзе (1844 г) обеспечивала скорость 5 бит/с (0,5 буквы). Изобретение в 1860 г. печатающей телеграфной системы обеспечивало скорость – 10 бит/с (1 буква). В 1874 г. система шестикратного телеграфного аппарата Бодо уже обеспечивала скорость передачи – 100 бит/с (10 букв). Первые телефонные линии, построенные на основе изобретенного в 1876 году Беллом телефона, обеспечивали скорость передачи информации 1000 бит/с (1кбит/с –100 букв).
Первая практическая телефонная цепь была однопроводной с телефонными аппаратами, включенными на ее концах. Данный принцип требовал большого количества не только соединительных линий, но и самих телефонных аппаратов. Это простое устройство в 1878 году было заменено первым коммутатором, который позволил осуществить соединение нескольких телефонных аппаратов через единое коммутационное поле.
До 1900 года первоначально используемые однопроводные цепи с заземленным проводом были заменены двухпроводными линиями передачи. Несмотря на то, что к этому времени уже был изобретен коммутатор, каждый абонент имел свою линию связи. Необходим был способ, позволяющий увеличить количество каналов без прокладки дополнительных тысяч километров проводов. Однако появление этого способа (системы уплотнения) задержалось до возникновения электроники в начале 1900 года. Первая коммерческая система уплотнения была создана в США, где в 1918 году между Балтиморой и Питсбуром начала работать четырехканальная система с частотным разделением каналов. До второй мировой войны большинство разработок было направлено на увеличение эффективности систем уплотнения воздушных линий и многопарных кабелей, поскольку по этим двум средам передачи были организованы почти все телефонные цепи.
Изобретение в 1920 году шести-двенадцати канальных систем передачи позволили увеличить скорость передачи информации в заданной полосе частот до 10 000бит/с, (10кбит/с – 1000 букв). Верхние граничные частоты воздушных и многопарных кабельных линий составляли соответственно 150 и 600 кГц. Потребности передачи больших объемов информации требовали создания широкополосных систем передачи.
В 30-40 годах ХХ века были внедрены коаксиальные кабели. В 1948 году между городами, находящимися на атлантическом и тихоокеанском побережьях США, фирмой «Bell System» была введена в эксплуатацию коаксиально-кабельная система L1. Эта коаксиально-кабельная система позволила увеличить полосу пропускания частот линейного тракта до 1,3 МГц, что обеспечивало передачу информации по 600 каналам .
После второй мировой войны велись активные разработки по совершенствованию коаксиально-кабельных систем. Если первоначально коаксиальные цепи прокладывались отдельно, то затем начали объединять несколько коаксиальных кабелей в общей защитной оболочке. Например, американская фирма Белл разработала в 60-е годы ХХ века межконтинентальную систему с шириной полосы 17,5 МГц (3600 каналов по коаксиальной цепи или «трубке»). Для этой системы был разработан кабель, в котором 20 «трубок» объединялись в одной оболочке. Общая емкость кабеля составила 32 400 каналов в каждом направлении, а две «трубки» оставались в резерве .
В СССР, примерно в это же время была разработана система К–3600 на отечественном кабеле КМБ 8/6, имеющем 14 коаксиальных цепей в одной оболочке. Затем появляется коаксиальная система с большей шириной полосы пропускания 60 МГц. Она обеспечивала емкость 9000 каналов в каждой паре. В общей оболочке объединены 22 пары.
Коаксиальные кабельные системы большой емкости в конце ХХ века обычно применялись для связи между близко расположенными центрами с высокой плотностью населения. Однако стоимость монтажа таких систем была высока из-за незначительного расстояния между промежуточными усилителями и вследствие большой стоимости кабеля и его прокладки.
6.4.2. История волоконно-оптических систем связи
По современным воззрениям, все электромагнитные излучения, в том числе радиоволны и видимый свет, имеют двойственную структуру и ведут себя то как волнообразный процесс в непрерывной среде то как поток частиц, получивших название фотонов, или квантов. Каждый квант обладает определенной энергией.
Представление о свете как о потоке частиц впервые ввел Ньютон. В 1905 году А. Эйнштейн на основе теории Планка возродил в новой форме корпускулярную теорию света, которая сейчас называется квантовой теорией света. В 1917 году он теоретически предсказал явление вынужденного или индуцированного излучения, на базе использования которого впоследствии и были созданы квантовые усилители. В 1951 году советские ученые В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский и Ф. А. Бутаева получили авторское свидетельство на открытие принципа действия оптического усилителя. Несколько позднее, в 1953 году предложение о квантовом усилителе было сделано Вебером. В 1954 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили конкретный проект молекулярного газового генератора и усилителя с теоретическим обоснованием. Независимо к идее аналогичного генератора пришли Гордон, Цейгер и Таунс, опубликовавшие в 1954 году сообщение о создании действующего квантового генератора на пучке молекул аммиака. Несколько позднее в 1956 г. Бломберген установил возможность построения квантового усилителя на твердом парамагнитном веществе, а в 1957 году такой усилитель был построен Сковелем, Фехером и Зайделем. Все квантовые генераторы и усилители, построенные до 1960 г., работали в СВЧ диапазоне и получили название мазеров. Это название происходит от первых букв английских слов «Microwave amplification by stimulated emission of radiation», что означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения».
Следующий этап развития связан с перенесением известных методов в оптический диапазон. В 1958 году Таунс и Шавлов теоретически обосновали возможность создания оптического квантового генератора (ОКГ) на твердом теле. В 1960 году Мейман построил первый импульсный ОКГ на твердом теле – рубине. В этом же году вопрос об ОКГ и квантовых усилителях независимо был проанализирован Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным и Ю. М. Поповым.
В 1961 году Джанаваном, Беннетом и Эрриотом был создан первый газовый (гелий-неоновый) генератор. В 1962 г. был создан первый полупроводниковый ОКГ. Оптические квантовые генераторы (ОКГ) получили название лазеров. Термин «Лазер» образовался в результате замены буквы «м» в слове мазер на букву «л» (от английского слова «light – свет»).
После создания первых мазеров и лазеров начались работы, направленные на их использование в системах связи.
Волоконная оптика, как оригинальное направление техники, возникла в начале 50-х годов. В это время научились делать тонкие двухслойные волокна из различных прозрачных материалов (стекло, кварц и др.). Еще раньше было предсказано, что если соответствующим образом выбрать оптические свойства внутренней («сердечника») и наружной («оболочки») частей такого волокна, то луч света, введенный через торец в сердечник, будет только по нему и распространяться, отражаясь от оболочки. Даже если волокно изогнуть (но не слишком резко), луч будет послушно удерживаться внутри сердечника. Таким образом, световой луч – этот синоним прямой линии, – попадая в оптическое волокно, оказывается способным распространяться по любой криволинейной траектории. Налицо полная аналогия с электрическим током, текущим по металлическому проводу, поэтому двухслойное оптическое волокно часто называют светопроводом или световодом. Стеклянные или кварцевые волокна, толщиной в 2–3 раза больше человеческого волоса, очень гибки (их можно наматывать на катушку) и прочны (прочнее стальных нитей того же диаметра). Однако световоды 50-х годов были недостаточно прозрачны, и при длине 5–10 м свет в них полностью поглощался.
В 1966 г. была высказана идея о принципиальной возможности использования волоконных световодов для целей связи. Технологический поиск завершился успехом в 1970 г. – сверхчистое кварцевое волокно смогло пропустить световой луч на расстояние до 2 км. По сути дела, в том же году идеи лазерной связи и возможности волоконной оптики «нашли друг друга», началось стремительное развитие волоконно-оптической связи: появление новых методов изготовления волокон; создание других необходимых элементов, таких как миниатюрные лазеры, фотоприемники, оптические разъемные соединители и т. п.
Уже в 1973–1974 гг. расстояние, которое луч мог пройти по волокну, достигло 20 км, а к началу 80-х годов превысило 200 км. К этому же времени скорость передачи информации по ВОЛС возросла до невиданных ранее значений – в несколько миллиардов бит/с. Дополнительно выяснилось, что ВОЛС имеют не только сверхвысокую скорость передачи информации, но и обладают целым рядом других достоинств.
Световой сигнал не подвержен действию внешних электромагнитных помех. Более того, его невозможно подслушать т. е. перехватить. Волоконные световоды имеют отличные массогабаритные показатели: применяемые материалы имеют малую удельную массу, нет нужды в тяжелых металлических оболочках; простота прокладки, монтажа, эксплуатации. Волоконные световоды можно закладывать в обычную подземную кабельную канализацию, можно монтировать на высоковольтных ЛЭП или силовых сетях электропоездов и вообще совмещать их с любыми другими коммуникациями. Характеристики ВОЛС не зависят от их длины, от включения или отключения дополнительных линий – в электрических же цепях все это не так, и каждое подобное изменение требует кропотливых настроечных работ. В волоконных световодах в принципе невозможно искрение, и это открывает перспективу использования их во взрывоопасных и подобных им производствах.
Очень важен и стоимостной фактор. В конце прошлого века волоконные линии связи, как правило, по стоимости были соизмеримы с проводными линиями, но с течением времени, учитывая дефицит меди, положение непременно изменится. Эта убежденность основана на том, что материал световода – кварц – имеет неограниченный сырьевой ресурс, тогда как основу проводных линий составляют такие теперь уже редкие металлы, как медь и свинец. И дело даже не только в стоимости. Если связь будет развиваться на традиционной основе, то к концу века вся добываемая медь и весь свинец буду расходоваться на изготовление телефонных кабелей – а как развиваться дальше?
В настоящее время оптические линии связи занимают доминирующее положение во всех телекоммуникационных системах, начиная от магистральных сетей до домовой распределительной сети. Благодаря развитию оптико-волоконных линий связи активно внедряются мультисервисные системы, позволяющие довести до конечного потребителя в одном кабеле телефонию, телевидение и Интернет.
Аннотация: К современным средствам связи относятся электрические и оптические средства – проводная – факсимильная, волоконно-оптическая, беспроводная – радиотелеграф, радиорелейная, спутниковая, пейджинговая, сотовая мобильная связь, Интернет-телефония, спутниковое цифровое телевидение
Линии (каналы) связи обеспечивают передачу и распространение сигналов от передатчика к приемнику. По физической природе передаваемых сигналов различают электрические (проводные и радио), акустические и оптические каналы связи.
Древнейшими каналами связи являются акустические и оптические.
Для передачи информации использовался звук - барабанов и колоколов. Человеческая речь также передается по акустическому каналу связи, ограниченному пределом слышимости. Принцип передачи информации голосом на большие расстояния использовался еще до новой эры.
У персидского царя Кира (VI век до н. э.) состояло для этой цели на службе 30000 человек, именуемых "царскими ушами". Они располагались на вершинах холмов и сторожевых башен в пределах слышимости друг друга и передавали сообщения, предназначенные царю, и его приказания. За один день известия по такому акустическому "телефону" проходили расстояние тридцатидневного перехода.
Сигнальные костры - это древнейший оптический канал связи .
В наше время наибольшее распространение получили электрические каналы связи. Это совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сообщений любого вида от отправителя к получателю. Она осуществляется с помощью электрических сигналов, распространяющихся по проводам, или радиосигналов. Различают каналы электросвязи: телефонные, телеграфные, факсимильные, телевизионные, проводного и радиовещания, телемеханические, передачи данных и т. д. Составной частью каналов связи являются линии связи - проводные и беспроводные (радиосвязь). В свою очередь проводная связь может осуществляться по электрическому кабелю и по оптоволоконной линии. А радиосвязь осуществляется по ДВ-, СВ-, КВ- и УКВ-диапазонам без применения ретрансляторов, по спутниковым каналам с применением космических ретрансляторов, по радиорелейным линиям с применением наземных ретрансляторов и по сотовой связи с использованием сети наземных базовых радиостанций.
Проводные линии связи
Проводные линии электросвязи делятся на кабельные, воздушные и оптоволоконные.
Линии электросвязи возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первые линии связи были кабельными. Они прокладывались под землей. Однако вследствие несовершенства конструкции подземные кабельные линии связи вскоре уступили место воздушным. Первая воздушная линия большой протяженности в России была построена в 1854 году между Санкт-Петербургом и Варшавой. В начале 70-х годов прошлого столетия заработала воздушная телеграфная линия от Санкт-Петербурга до Владивостока длиной около 10 тыс. км. В 1939 году была пущена в эксплуатацию величайшая в мире по протяженности высокочастотная телефонная магистраль Москва-Хабаровск длиной 8300 км. Обычный городской телефонный кабель состоит из пучка тонких медных или алюминиевых проводов, изолированных друг от друга и заключенных в общую оболочку. Кабели состоят из разного числа пар проводов, каждая из которых используется для передачи телефонных сигналов.
В 1851 г. одновременно с постройкой железной дороги между Москвой и Санкт-Петербургом был проложен телеграфный кабель, изолированный резиной. Первые подводные кабели были проложены в 1852 г. через Северную Двину и в 1879 г. через Каспийское море между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в строй подводная кабельная трансатлантическая магистраль телеграфной связи между Францией и США.
В 1882-1884 гг. в Москве, Санкт-Петербурге, Риге, Одессе были построены первые в России городские телефонные сети. В 90-х годах прошлого столетия на городских телефонных сетях Москвы и Петрограда были подвешены первые кабели, насчитывающие до 54 жил. В 1901 г. началась постройка подземной городской телефонной сети.
Первые конструкции кабелей связи, относящиеся к началу XX века, позволили осуществлять телефонную передачу на небольшие расстояния. Это были так называемые городские телефонные кабели с воздушно-бумажной изоляцией жил и парной скруткой. В 1900-1902 гг. дальность передачи телеграфной и телефонной связи была увеличена в несколько раз.
Важным этапом в развитии техники связи явилось изобретение, а начиная с 1912-1913 гг. - освоение производства электронных ламп.
В 1917 г. В.И. Коваленковым был разработан и испытан на линии телефонный усилитель на электронных лампах. В 1923 г. была осуществлена телефонная связь с усилителями на линии Харьков-Москва-Петроград.
В 1930-х годах началось развитие многоканальных систем передачи. Стремление расширить спектр передаваемых частот и увеличить пропускную способность линий привело к созданию новых типов кабелей, так называемых коаксиальных. Они используются для передачи телевизионных сигналов высокой частоты, а также для междугородней и международной телефонной связи. Одним проводом в коаксиальном кабеле служит медная или алюминиевая трубка (или оплетка), а другим - вложенная в нее центральная медная жила. Они изолированы друг от друга и имеют одну общую ось. Такой кабель имеет малые потери, почти не излучает электромагнитных волн и поэтому не создает помех. Изобретателем коаксиального кабеля является сотрудник всемирно известной фирмы Bell Telephone Laboratories Cергей Aлександрович Щелкунов - эмигрант из Советской России. Первый в мире коаксиальный кабель был проложен в 1936 г. на экспериментальной линии Нью-Йорк-Филадельфия. По кабелю одновременно передавались 224 телефонных разговора.
Эти кабели допускают передачу энергии при частоте токов до нескольких миллионов герц и позволяют производить по ним передачу телевизионных программ на большие расстояния. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь, и только через 100 лет, в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальной телефонной связи.
Факсимильная связь
Факсимильная (или фототелеграфная) связь - это электрический способ передачи графической информации - неподвижного изображения текста или таблиц, чертежей, схем, графиков, фотографий и т.п. Осуществляется при помощи факсимильных аппаратов: телефаксов и каналов электросвязи (главным образом телефонных).
Первый телефакс был запатентован в 1843 году шотландским изобретателем Александром Бэйном. Его "записывающий телеграф" работал на телеграфных линиях и был способен передавать только черно-белые изображения, без полутонов.
Джованни Касселли в 1855 году изобрел аппарат пантелеграф (Pantelegraph), который обеспечивал передачу документов по линии, соединяющей Париж с Лионом. Позднее к ним присоединились и многие другие города. К 30-м гг. XX века системы на основных принципах Александра Бэйна и Джованни Касселли уже широко использовались в офисах издательств (для передачи свежих выпусков газет), государственных служб (для передачи срочных документов), служб защиты правопорядка (для передачи фотографий и других графических материалов). Для передачи документов применялись аналоговые технологии, которые не могли обеспечить высокого качества графических изображений. И только внедрение цифровых технологий в начале 80-х годов XX века позволило обеспечить высокое качество не только текстовых материалов, но и графических изображений при передаче по телефонным каналам связи.
Оптоволоконные линии связи
В качестве проводных линий связи используются в основном телефонные линии и телевизионные кабели. Наиболее развитой является телефонная проводная связь. Но ей присущи серьезные недостатки: подверженность помехам, затухание сигналов при передаче их на значительные расстояния и низкая пропускная способность. Всех этих недостатков лишены оптоволоконные линии - вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам ("оптическому волокну").
Оптическое волокно считается самой совершенной средой для передачи больших потоков информации на большие расстояния. Оно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния - широко распространенного и недорогого материала, в отличие от меди. Оптическое волокно очень компактное и легкое, оно имеет диаметр всего около 100 мкм.
История развития оптоволоконных линий связи началась в 1965-1967 гг., когда появились опытные волноводные линии связи для передачи информации. С 1970 г. активно проводились работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн. Создание волоконного световода и полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии оптоволоконной связи. К началу 1980-х годов такие системы связи были разработаны и испытаны. Основными сферами применения таких систем стали телефонная сеть, кабельное телевидение, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т. д.
Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено в 1975 году. В начале XXI века внедряется уже 4-е поколение этой аппаратуры. В настоящее время быстрыми темпами развиваются системы дальней оптической связи на расстояния в многие тысячи километров. Успешно эксплуатируются трансатлантические линии связи США-Eвропа, Тихоокеанская линия США-Гавайские острова-Япония. Ведутся работы по завершению строительства глобального оптоволоконного кольца связи Япония-Сингапур-Индия-Саудовская Аравия-Египет-Италия.
В России компания "ТрансТелеКом" создала оптоволоконную сеть связи протяженностью более 50000 км (рис. 4.1) . Она проложена вдоль железных дорог страны, имеет более 900 узлов доступа в 71 из 89 регионов России и дублирована спутниковыми каналами связи. В результате к концу 2001 года вступила в строй единая магистральная цифровая сеть связи. Она обеспечивает услуги междугородней и международной телефонной связи, Интернет, видеоконференции, видео, кабельное телевидение в 71 из 89 регионов России, где проживает 85-90% населения. Диапазон ее услуг: от простейшего речевого обмена и электронной почты до комбинированных (видео + голос + данные).
Оптоволоконные линии отличают от традиционных проводных линий:
В настоящее время обмен информацией между континентами осуществляется главным образом через подводные оптоволоконные кабели, а не через спутниковую связь. При этом главной движущей силой развития подводных оптоволоконных линий связи является Интернет.
Подводные кабели связи существуют уже более 150 лет. В 1851 году инженер Брет проложил первый подводный кабель через Ла-Манш, соединив таким образом телеграфной связью Англию с континентальной Европой. Это стало возможным благодаря применению гуттаперчи - вещества, которое способно изолировать в воде провода, несущие ток.
В 1857-1858 гг. американский бизнесмен Сайрус Филд разработал проект сообщения Европы с Северной Америкой с помощью телеграфного кабеля и осуществил его прокладку по дну Атлантического океана. Несмотря на огромные технические и финансовые трудности, после ряда неудач телеграфная линия с 1866 г. начала устойчиво работать. Скорость передачи информации составляла всего 17 слов в минуту. В 1956 году был проложен первый телефонный коаксиальный кабель, а в последующие годы - еще несколько, с большей пропускной емкостью, чтобы удовлетворить потребности в передаче информации между Европой и Америкой.
Наконец в 1988-1989 гг. были установлены первые оптоволоконные системы - трансатлантическая и транстихоокеанская, со скоростью передачи информации по паре световодов 280 Мбит/с; при этом в качестве ретрансляторов использовались электронные усилители. Постепенно скорость увеличилась до 2,5 Гбит/с, а вместо электронных ретрансляторов стали применяться более совершенные эрбиевые волоконные усилители (эрбий - редкоземельный химический элемент). В 1990-е годы проложено более 350 000 км оптического кабеля, он связывает более 70 стран мира.