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

Август 1857 г. Военный американский корабль "Ниагара" с огромным запасом кабеля на борту направился от берегов Англии к Америке: началась прокладка кабеля через Атлантический океан. Возглавлял экспедицию талантливый организатор, торговец по профессии, американец Сайрус Филд. Несколько дней ему сопутствовала удача, но затем — поворот судьбы и… несколько сотен километров оборвавшегося кабеля остались лежать на дне океана.

Июнь 1858 г. Сайрус Филд не собирается предаваться отчаянию. Теперь два корабля — американская "Ниагара" и английский "Агамемнон" — ведут прокладку трансатлантического кабеля с середины океана к берегам. Но и на этот раз экспедицию постигает неудача: кабель лопнул, потеряно около 400 км.

Июль 1858 г. Наконец Европа и Америка связаны телеграфом! Биты информации начали свое беспрерывное путешествие между двумя континентами. Однако уже в августе налаженная связь внезапно прекратилась. На долгие восемь лет.

Июль 1865 г. Красавец-пароход "Грейт Истерн" взял курс от Ирландии к берегам Америки. Вот уже уложено на дно океана около 2400 км. Казалось, успех близок. Но утром 2 августа кабель, не выдержав нагрузки, порвался и утонул.

Июль 1866 г. Наконец-то удача. На этот раз потребовалось всего две недели, чтобы телеграфные линии устойчиво связали Америку и Европу. Новый и Старый Свет стали "ближе" друг к другу.

О "скромной" судьбе кабелей связи, об их прошлом, настоящем и будущем увлекательно рассказывает в своей книге "По всему земному шару" известный советский специалист в области конструирования кабелей Д.Л. Шарле. Прочтите эту книгу, не пожалеете!

Давайте познакомимся поближе с некоторыми современными кабелями связи. Сразу же оговоримся, развитие кабельной техники никак не связано с развитием цифровой связи: ведь кабели существуют более 100 лет, а история "становления на ноги" цифровой связи едва ли насчитывает три десятилетия.

Основным назначением кабелей связи считалась передача обычных телефонных разговоров (не преобразованных в цифровой код). Естественно, что техника передачи двоичных цифр на расстояние вынуждена была "приспосабливаться" к существующим кабельным линиям.

Д.Л. Шарле приводит в своей книге любопытные данные. Число телефонов в мире в 1881 г. составило 60 тыс., а спустя 100 лет, т. е. в 1981 г., - уже 508 млн, т. е. более 12 телефонов на каждые 100 жителей планеты. Ожидается ежегодный прирост числа телефонов почти на 40 млн. Для обеспечения возрастающих потребностей в телефонной связи в ближайшие годы нужно будет изготовить миллионы километров телефонных кабелей.

Ошеломляющие цифры! Пожалуй, можно без преувеличения сказать, что наша Земля опутана густой сетью кабелей связи, причем львиная их доля лежит под землей. Это так называемые подземные кабели. Существуют также подводные и подвесные кабели.

Старейшие среди современных кабелей связи — городские телефонные кабели. Да и самой разветвленной кабельной сетью является городская телефонная сеть (не секрет, что большая часть телефонов находится у жителей городов).

Городские телефонные кабели бывают разные. Они могут содержать от 10 пар проводов (такие кабели заводят в подъезды домов и подключают к распределительным коробкам, откуда телефонные провода тянутся в каждую квартиру) до 500, 1 000 и даже 3000 пар (а такие кабели используют для того, чтобы собрать воедино тянущиеся от жилых массивов к АТС более мелкие кабели).

Каждая жила кабеля изолируется кабельной бумагой или бумажной массой, получаемой из целлюлозы. Жилы скручиваются определенным образом вместе и помещаются в прочную свинцовую оболочку. В последние годы благодаря успехам химии на смену бумажной изоляции и свинцовой оболочке пришли различные пластмассы (полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт). Прокладываются городские телефонные кабели в подземной канализации в асбестоцементных трубах.

Для связи между городами выпускаются специальные междугородные кабели — симметричные и коаксиальные (об особенностях их конструкций расскажем позже). В отличие от городских кабелей они содержат намного меньше пар проводов: не более одного-двух десятков. Лежат эти кабели прямо в земле. Для повышения механической прочности междугородные кабели "одевают" в броневые покровы (обычно это стальные бронеленты).

Казалось бы, совсем нехитрые эти изделия — кабели связи. Ну в самом деле, что в них такого: пучки изолированных проволок под общей оболочкой! Однако не торопись, читатель. Оказывается, вовсе не так уж и легко путешествовать битам по этим "медным рельсам"…

Можно ли обмениваться по кабельной линии связи видеопрограммами или музыкальными записями? Насколько безграничны такие возможности внутри города? А между городами?

Другими словами, позволяют ли существующие кабели связи передавать все многообразие цифровой информации? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно понять, чем отличается передача битов, несущих информацию о тексте, от передачи битов, несущих информацию, например, о подвижном изображении. Ведь и в том, и в другом случае биты (0 и 1) превращаются в электрические импульсы. Отличие состоит лишь в одном: в количестве битов (или импульсов), передающих за один и тот же промежуток времени (например, за секунду). В самом деле, мы уже знаем, что на протяжении 1 с разговорной речи ЛЦП вырабатывает 64000 бит информации (т. е. двоичных цифр 0 и 1, а точнее, соответствующих им импульсов), а за 1 с передачи подвижного изображения — 104000000 бит. Значит, можно говорить о скорости передачи двоичных цифр. Уточним: скоростью передачи цифровой информации специалисты называют количество битов, переданных в течение 1 с.

Итак, мы можем сказать, что скорость передачи речи в цифровом виде составляет 64000 бит/с = 64 кбит/с, а скорость передачи переведенного в цифры подвижного изображения — 104000000 бит/с = 104 Мбит/с. Текст с помощью цифр передастся обычно со скоростью 100 бит/с (это. пожалуй, самая низкая скорость передачи, исключая, разве что, передачу телеграмм — 50 бит/с); "цифровая" музыка — со скоростью 96 кбит/с; фотография в виде последовательности цифр — 16 кбит/с, а газета — 1,6 Мбит/с.

Как вы думаете, из чего состоят импульсы? Оказывается, из синусоид. Да-да, из тех самых синусоид, которые описывают колебание струны, давление звуковой волны на мембрану, а также образуют основные тоны и обертоны в речи.

Хотите убедиться в этом? Тогда взгляните на рисунок.

В качестве исходной синусоиды выберем такую, у которой период колебаний совпадает с периодом прямоугольных импульсов. Следующая синусоида имеет частоту колебаний в 3 раза большую, а амплитуду — в 3 раза меньшую. Сумма этих двух синусоид пока еще мало похожа на прямоугольные импульсы. Но если мы добавим к ним синусоиды с частотами колебаний в 5, 7, 9 и 11 раз большими, а с амплитудами соответственно в 5, 7, 9 и 11 раз меньшими, чем у основной синусоиды, то сумма всех этих колебаний будет не так уж и сильно отличаться от прямоугольных импульсов. Таким образом, степень "прямоугольности" импульсов определяется тем, сколько синусоид со все более и более высокими частотами колебаний мы будем суммировать.