История развития проводной многоканальной электросвязи

РЕФЕРАТ

по истории техники

История развития проводной многоканальной электросвязи

Содержание

Введение

С изобретением в 1835 году электрического телеграфа в истории человечества началась новая эпоха – эпоха электросвязи. Менее чем за 200 лет телекоммуникационные технологии прошли огромный путь – от громоздких и неуклюжих устройств, которыми могли пользоваться лишь государственные организации и немногие наиболее обеспеченные частные лица, до глобальной инфраструктуры, обеспечивающей связь на всем земном шаре между самыми отдаленными его уголками. Огромная скорость, с которой распространяются электромагнитные волны, позволяет за ничтожные доли секунды преодолевать расстояния в десятки тысяч километров, передавая все виды информации: звук, неподвижные и подвижные изображения, компьютерные данные и т. д.

Изначально электрическая связь была проводной. Лишь в конце XIX века была открыта и использована возможность связи без проводов, посредством электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве. К настоящему времени беспроводные технологии получили исключительно широкое распространение. Однако, несмотря на использование самых современных средств и методов обработки сигналов, беспроводные средства связи проигрывают по пропускной способности кабельным линиям и вряд ли когда-нибудь их превзойдут. Это связано с тем, что электромагнитный сигнал, распространяющийся в закрытой направляющей системе (в кабеле), находится в гораздо более выгодных условиях, чем радиосигнал в открытом пространстве. На него практически не оказывают воздействия сигналы других линий, он не подвержен влиянию погодных условий, искажениям за счет многолучевого распространения и т. д.

Вместе с тем, оборудование кабельной линии связи – чрезвычайно трудоемкое и дорогостоящее мероприятие. Многие километры кабеля необходимо закопать в землю либо проложить по каналам кабельной канализации. Дополнительные трудности возникают при преодолении водных преград, автомобильных и железных дорог. Также следует учесть, что на протяжении большей части истории электросвязи использовались исключительно металлические кабели, для изготовления которых применялись такие дорогостоящие металлы, как медь и свинец.

Все эти проблемы уже на самых ранних этапах развития средств проводной связи привели к необходимости повышать эффективность использования линейно-кабельных сооружений за счет передачи одновременно нескольких сигналов по одной паре проводов. Разработка таких способов положила начало созданию аппаратуры уплотнения, или мультиплексирования. Технологии уплотнения в ходе своего развития прошли несколько этапов и к настоящему времени обеспечили создание мощной глобальной сети типовых каналов и трактов, то есть так называемой первичной, или транспортной, сети. Истории развития этих технологий и посвящена настоящая работа.

1. Зарождение техники многоканальной электросвязи. Простейшие методы разделения сигналов

Первые попытки повышения эффективности использования линий связи относятся к первой половине XIX века. Единственным существовавшим тогда видом электрической связи была телеграфия. В 1838 г. немецкий ученый Карл Штейнгель предложил для коротких линий в качестве второго провода цепи использовать землю или воду. Пять лет спустя Б. С. Якоби показал, что этот метод пригоден и для длинных линий. Это решение позволило вдвое повысить пропускную способность металлических проводников [1].

В 1860–1870 гг. применялись системы дуплексного, диплексного и квадруплексного телеграфирования. При дуплексном телеграфировании по одному проводу во встречных направлениях посылались две телеграммы. Разделение направлений приема и передачи осуществлялось при помощи развязывающих устройств (дифференциальных схем). Наиболее совершенная схема дуплексного телеграфирования была предложена американским инженером Дж. Стирнсом в 1871 г. При диплексном способе обе телеграммы посылались в одном направлении. В 1858–1859 гг. известный российский математик З. Я. Слонимский предложил схему квадруплексного телеграфирования – самый эффективный, хотя и самым сложный из подобных методов. В этом случае по одному проводу передавались четыре телеграммы – по две во встречных направлениях. Практически эта схема была реализована лишь в 1874 г. Т. А. Эдисоном [1].

В 1876 г. французский изобретатель Ж. Бодо предложил способ многократного телеграфирования, позволявший работать по одной линии сразу нескольким телеграфным аппаратам. На передающей и приемной станциях устанавливались абсолютно одинаковые устройства – распределители, которые представляли собой круглые диски с укрепленными на них неподвижными контактами – ламелями. К каждой ламели подключался свой телеграфный аппарат. Кроме того, на диске имелся один подвижный контакт – щетка. Этот контакт был связан с телеграфным проводом и приводился в движение мотором. Вращаясь вокруг своей оси, щетка поочередно касалась каждой ламели и таким образом соединяла телеграфные аппараты с проводом [2].

В своей системе Бодо реализовал принцип временного разделения каналов, который лежит в основе практически всей современной цифровой связи.

В XIX веке предпринимались также попытки использовать явление механического резонанса для избирательного приема токов различных частот. В 1860 г. французский учитель физики Эдмонд Лаборд подобрал несколько пар гибких металлических пластинок и настроил передающую и приемную пластинки каждой пары в резонанс на собственную частоту.

Более совершенную схему предложил в 1869 г. профессор физики Харьковского университета Григорий Иванович Морозов. В его схеме предусматривались жидкостный передатчик и электромагнитный приемник. В сосуд с жидкостью опускались две металлические пластинки – подвижная и неподвижная. Ток от батареи подводился к подвижной пластинке. При ее колебаниях изменялись сопротивление слоя жидкости и, соответственно, сила тока, идущего в линию от неподвижной пластинки. Постоянный ток превращался в пульсирующий соответственно частоте колебаний пластинки. Приемник состоял из двух стержневых электромагнитов, над которыми располагался якорь в виде железной пластинки, настроенной в резонанс с подвижной пластинкой передатчика. Если по линии посылать одновременно сигналы от нескольких передатчиков, то каждый приемник реагирует на сигналы только своего передатчика и воспроизводит исходный сигнал. Ни схема Лаборда, ни схема Морозова так и не были реализованы [1].

Первые телефонные линии, также как и телеграфные, были воздушными и работали по однопроводной системе. По причине взаимных и внешних влияний пришлось отказаться от несимметричных однопроводных цепей и перейти на симметричные – двухпроводные цепи. Скрутка изолированных жил в пары начала применяться в 1882 г. Законодательно решение о переходе на двухпроводные телефонные цепи было принято на втором Международном электротехническом конгрессе, состоявшемся в Париже в 1889 г.

В 1882 г. инженер фирмы Siemens Brothers в Лондоне Франк Джекоб показал, что на каждых двух парах жил в кабеле можно получить, кроме двух физических цепей, еще одну – третью цепь путем включения на концах линии специальных дифференциальных трансформаторов. Эта третья цепь была названа фантомной, или призрачной. Физически она не существует: ее прямым проводом служат обе жилы первой пары, а обратным проводом – обе жилы второй пары. В отечественной послевоенной литературе фантомные цепи были переименованы в искусственные. Благодаря дифференциальным трансформаторам, разговоры по искусственной цепи не оказывают влияния на разговоры по основным цепям. В результате, вместо двух по линии можно было одновременно вести три телефонных разговора; следовательно, эффективность ее использования возросла на 50 %. Это был исторически первый шаг на пути уплотнения физических цепей.

Идею использования дифференциальных трансформаторов применил в одно время с Джекобом и Пикар в своей схеме одновременного телефонирования и телеграфирования по одной двухпроводной цепи. К средним точкам вторичных обмоток дифференциальных трансформаторов подводились провода от двух телеграфных аппаратов. При работе телеграфных аппаратов через дифференциальные обмотки трансформаторов проходят токи разных направлений, и влияние их на вторичные (линейные) обмотки трансформаторов будут взаимно уничтожаться. Благодаря этому телеграфная передача не создает помех ни в одной ни в другой телефонной цепи. В тот же период – в начале 1880-х гг. – были разработаны схемы одновременного телефонирования и телеграфирования бельгийским инженером Риссельберге и независимо от него капитаном русской армии Григорием Григорьевичем Игнатьевым.

В 1886 г. Сидней Шелбурн в Нью-Йорке предложил скручивать одновременно четыре жилы, но составлять цепи не из рядом лежащих, а из противолежащих жил, расположенных по диагонали образованного в поперечном сечении квадрата. Такая четверка напоминает четырехлучевую звезду и называется звездной. Она обеспечивает более устойчивую цилиндрическую форму кабеля, а также удобство формирования искусственных цепей. Но главное достоинство звездной четверки в том, что расстояние между диагонально расположенными жилами в 1,4 раза больше, чем между рядом лежащими. Следовательно, несколько уменьшается электрическая емкость цепи, а значит, и ее коэффициент затухания. В результате незначительно, но все же возрастает дальность связи.

Решающего влияния на эффективность использования телефонных линий эти полезные усовершенствования не оказали. Успех был достигнут в XX веке на базе достижений радиотехники и электроники [1].

2. Аналоговые системы передачи

Простейшие методы разделения сигналов позволили до определенных пределов повысить эффективность использования линейных сооружений связи. Однако к началу XX века эти методы себя исчерпали. Требовалось увеличить число каналов, одновременно передаваемых по одной паре проводов, а также дальность связи. Так как дальность проводной связи ограничена из-за затухания в кабеле, необходимо было периодически усиливать сигнал по мере его ослабления.

Предпосылкой к созданию промежуточных усилителей стало изобретение в 1904 г. английским физиком и радиотехником Джоном Флемингом первой двухэлектродной электронной лампы – диода. Первая практически пригодная схема промежуточного телефонного лампового электронного усилителя была предложена в 1912 г. американцами А. Кэмпбелом и К. Вагнером. В 1913–1914 гг. в США была сооружена первая междугородная кабельная магистраль длиной 730 км с применением промежуточных усилителей [1].

В России большие заслуги в создании и совершенствовании промежуточных усилителей («телефонных трансляций», как они тогда назывались по аналогии с телеграфными трансляциями) принадлежат Валентину Ивановичу Коваленкову (1884–1960) – одному из крупнейших советских специалистов в области проводной электросвязи, члену-корреспонденту АН СССР, генерал-майору инженерно-технической службы, лауреату Государственной премии СССР. В 1915 г. он продемонстрировал макеты ламповых телефонных трансляторов на Всероссийском съезде инженеров-электриков. Свои первые патенты на телефонные трансляции, разработанные в период 1915–1918 гг. он получил в августе 1919 г. Предложенная Коваленковым идея усилителя двухстороннего действия с дифференциальной системой до настоящего времени остаётся основой построения дуплексных усилителей каналов тональной частоты [1, 3].

Первый телефонный транслятор системы Коваленкова (1922) был установлен в Бологом и обеспечивал уверенную связь Петрограда с Москвой. В 1924 г. трансляции, изготовленные в Петроградской научно-испытательной станции, были установлены на линии Петроград–Харьков. В этом же году завод «Красная заря» начал промышленный выпуск телефонных трансляций. К 1927 г. на междугородных телефонных линиях связи их действовало свыше пятидесяти. Использование трансляций позволило организовать магистрали связи весьма большой протяженности (Москва – Тбилиси, Москва – Магнитогорск и др.)

Телефонные трансляции двустороннего действия обеспечили увеличение дальности связи до 2500–3000 км по медным цепям, до 500–600 км – по стальным и до 1000 км – по кабельным пупинизированным цепям [4].

Расширение междугородных телефонных магистралей поставило на очередь вопрос об улучшении техники передачи междугородных разговоров. Важнейшее значение имело внедрение аппаратуры высокочастотного телефонирования (уплотнения) по воздушным линиям связи. Это позволило по одной паре медных проводов передавать одновременно несколько телефонных разговоров, что повысило эффективность использования дорогостоящих линейных сооружений.

Наиболее ранние образцы аппаратуры высокочастотного телефонирования представляли собой фактически радиоаппаратуру, приспособленную для работы по кабелям. Первые опыты передачи разговорных сигналов по проводам методом радиосвязи были осуществлены в нашей стране проф. П. В. Шмаковым совместно с инженером Г. А. Куприяновым в 1922 году. В 1922–1923 гг. в Нижегородской лаборатории инженером А. Ф. Шориным проводились первые опыты в деле применения методов радиосвязи для передачи телеграфных сигналов.

Первая отечественная одноканальная аппаратура высокочастотного телефонирования для медных цепей была разработана и изготовлена в 1926 г. сотрудниками Ленинградской научно-испытательной станции под руководством П. А. Азбукина и установлена на линии Ленинград – Бологое На этой же линии были осуществлены первые опыты, связанные с получением нескольких телеграфных связей вместо одной телефонной. Для этого была применена так называемая система тонального частотного телеграфирования [4].

В 1927 г. была создана аппаратура высокочастотного телефонирования (типа ОСА-406), позволившая осуществлять по одной медной цепи три телефонных разговора.

Широкое промышленное производство аппаратуры уплотнения в СССР началось с разработки в 1934 г. трехканальной аппаратуры СМТ-34. Эта аппаратура двухполосной системы с передачей в линию несущей частоты работала в полосе частот 10,4–40 кГц. В 1935 г. отечественная промышленность начала выпускать трехканальную аппаратуру уплотнения цепей типа ОСМТ-35, работающую в спектре 6–30 кГц без передачи в линию несущей частоты. В аппаратуре были установлены автоматическая регулировка усиления. Аппаратура обеспечивала более высокое качество передачи и большую дальность действия [5].

К концу 30-х годов аппаратурой уплотнения было оборудовано большинство междугородных телефонных линий. В этот же период высокочастотные каналы начинают использоваться для передачи нетелефонной информации, прежде всего, для многократного телеграфирования и фототелеграфирования [6].

В 1939 г. вступила в эксплуатацию самая длинная в мире междугородная телефонная линия Москва–Хабаровск протяженностью около 9 тыс. км, продолженная затем до Владивостока. С вводом в строй этой магистрали была установлена связь с крупными промышленными центрами Востока: Хабаровском, Владивостоком, а в дальнейшем с Магаданом, Южно-Сахалинском и другими городами.