Борис Крук - ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Если в рупор "уха" произносили слова, его мембрана колебалась в такт звуковому давлению. Чтобы преобразовать механические колебания в колебания электрического тока, мембрана жестко соединялась с металлическим сердечником, расположенным внутри катушки. Через катушку пропускался постоянный ток от батареи. Когда мембрана колебалась, сердечник тоже колебался и тем самым изменял магнитное поле катушки. Белл был, безусловно, знаком с явлением электромагнитной индукции, открытым в 1831 г. английским физиком М. Фарадеем, и знал, что любое изменение магнитного поля катушки вызывает такое же изменение тока, протекающего в ней. Именно поэтому колебания электрического тока повторяли колебания мембраны. Таким образом, от "уха" по проводам бежал ток, являющийся электрической копией звукового давления.

В "электрической гортани" была точно такая же катушка. Но в ней протекал процесс прямо противоположный: колебания электрического тока изменяли магнитное поле катушки. Ее сердечник начинал колебаться и толкать в такт мембрану "гортани". В свою очередь, мембрана колебала воздух, а рупор усиливал эти колебания и направлял звуковую волну в настоящее человеческое ухо.

А.Г. Белл изобрел телефон в 1876 г. С тех пор в его конструкцию было внесено много усовершенствований. В частности, в современном телефоне вместо "электрического уха" Белла используется чувствительный угольный микрофон. В нем мембрана соприкасается с угольным порошком. Пока в микрофон не говорят, сопротивление порошка остается неизменным и через него от батареи в линию (провода) протекает постоянный ток. Стоит произнести в микрофон какие-нибудь слова, порошок под действием колеблющейся мембраны будет то спрессовываться, то разрыхляться. Изменение плотности порошка приведет к изменению его электрического сопротивления, а значит, и к изменению тока, текущего через порошок. И снова в проводах, идущих от микрофона, рождается электрическая копия звукового давления.

Принцип действия "электрической гортани" Белла сохранился и поныне. Правда, в современном телефонном аппарате она стала более компактной и умещается в телефонной трубке, однако сейчас встречаются и такие громкоговорители, которые гораздо крупнее своего "прадедушки".

С изобретением Белла, казалось бы, устранились все трудности перевода звукового давления в двоичный цифровой код.

Действительно, чего проще: замыкай и размыкай с помощью ключа цепь тока на выходе микрофона и получай отсчетные значения электрической копии звукового давления. Однако потребовалось еще более 50 лет, чтобы со всей математической строгостью доказать возможность замены любой непрерывной функции ее отсчетными значениями и выяснить, как часто такие значения следует брать. Сделал это в начале 30-х годов XX столетия академик В.А. Котельников. С тех пор все специалисты по передаче информации знают теорему об отсчетах непрерывной функции, носящую его имя.

Но и появление теоремы Котельникова не сразу привело к цифровому кодированию речи. Существовавшие в то время управляемые механические ключи-реле не могли переключаться быстро, скажем 12000 раз в секунду. Только развитие транзисторной техники и интегральной технологии позволило перейти к практическому решению задачи.

На обыкновенном транзисторе (с тремя электродами — базой, коллектором и эмиттером) можно строить простейший электронный ключ. Если на базу транзистора подать управляющий импульс тока так, чтобы полностью открыть его, то на время действия импульса коллектор и эмиттер окажутся как бы замкнутыми и транзистор, включенный этими электродами в цепь тока микрофона, будет подобен замкнутому ключу. В то время когда на базе транзистора управляющего импульса нет, его коллектор и эмиттер оказываются как бы разомкнутыми, транзистор в этом случае подобен разомкнутому ключу. Подавая на базу транзистора каждую секунду 12 000 управляющих импульсов (эта частота не считается высокой, так как современные импульсные генераторы могут вырабатывать в секунду и миллиарды импульсов), мы тем самым заставляем замыкаться электронный ключ через каждую 1/12000 с = 83,3 мкс и пропускать ток от микрофона. Таким образом, на выходе электрического ключа вместо непрерывного тока будут возникать его отсчетные значения.

Промышленностью выпускаются электронные ключи, более сложные по схеме, на нескольких транзисторах, но весьма компактные — в виде миниатюрных микросхем, надежные в работе и способные замыкаться до 1 млрд раз в секунду.

Обратим внимание читателей на одну важную деталь. При передаче звуков речи по телефону главное — отчетливо разбирал, слова говорящего, узнавать собеседника по голосу и улавливать интонации в речи: путаницы же, "испорченного телефона", здесь не должно быть. Оказывается, для этого достаточно в звуках речи сохранять обертоны с частотами не выше 4000 Гц, а это значит, что в секунду достаточно иметь 8 000 отсчетных значений тока, протекающего через микрофон телефонного аппарата. Другими словами, отсчетные значения, формируемые электронным ключом, должны следовать через 125 мкс.

Если же микрофон установлен в концертном зале и транслируется игра симфонического оркестра, то для качественной передачи звуков всех инструментов (вспомните флейту-пикколо, издающую звуки основного тона с частотой 9000 Гц) отсчетные значения нужно брать чаше. Учитывая, что человеческое ухо слышит звуки лишь до 20 000 Гц, фиксировать значения тока быстрее 40 000 раз в секунду не имеет смысла. Значит, самый короткий интервал между отсчетными значениями при передаче звуков равен 25 мкс. Каждое же отсчетное значение тока существует ровно столько, сколько времени замкнут электронный ключ. А замыкают его очень ненадолго — на краткий миг, равный 1 мкс.

Как теперь перевести отсчетные значения тока в цифровой двоичный код?

…XIII век. Знаменитый итальянский математик Леонардо Пизанский (Фибоначчи) бьется над решением сложной задачи: требуется выбрать пять гирь так, чтобы с их помощью можно было взвесить с точностью до 1 кг любой груз до 30 кг при условии, что гири ставятся только на одну чашу весов и масса гирь различна.

…XVIII век. Другой крупнейший математик, член Петербургской и Берлинской академий наук Леонард Эйлер заинтересовался задачей Фибоначчи и блестяще решил ее. Эта древняя задача о взвешивании имеет, оказывается, непосредственное отношение к нашей проблеме двоичного кодирования. Для ее решения достаточно выбрать массы гирь равными степени числа 2, т. е. 1, 2, 4, 8 и 16 кг. Действительно, с помощью такого набора гирь можно взвесить с точностью до 1 кг любой груз до 31 кг.