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

Вернемся все же к цифровой системе передачи. Итак, совершенно ясно, что такие устройства, как АЦП и ЦАП, должны работать, как говорится, в такт, синхронно. Если, скажем, АЦП выдает 8-разрядные кодовые слова:

где каждый бит появляется через строго определенные интервалы времени - такты, то, чтобы ЦАП расшифровывал именно эти кодовые комбинации, он должен "выбирать" биты из последовательности точно через те же интервалы, в те же такты. Думаем, вы не забыли, что в цифровой системе передачи такты отбивают специальные микросхемы - генераторы тактовых импульсов (ГТИ), которые имеются как на передающей, так и на приемной сторонах. Это они дают "указания", когда АЦП выдавать, а ЦАПу соответственно принимать очередной бит. Но как согласовать действия этих генераторов, если передающая и приемная станции разделены порой тысячами верст земной тверди или холодным безмолвием космического пространства?

Древние говорили: "Нельзя дважды войти в одну и ту же реку". Можно перефразировать эту древнюю мудрость: "Нельзя изготовить два абсолютно одинаковых генератора". Кроме того, на работу микросхем влияют температура окружающего воздуха, его влажность, изменение напряжения питания и другие факторы. В результате интервалы между управляющими (тактовыми) импульсами на передающей и приемной станциях могут существенно отличаться друг от друга.

Посмотрим, что будет, если тактовые импульсы при приеме информации подаются на микросхемы в 2 раза реже, чем при ее передаче. Разумеется, такой большой разницы на практике не бывает, но это предположение позволит лучше понять, что произойдет. Поскольку ЦАП получает "разрешение" в 2 раза реже, чем это необходимо, он и работает в 2 раза медленнее. Поэтому он примет в свое "чрево" для расшифровки не каждый бит, а лишь через один:

10110010 | 10000010...,

и, следовательно, декодирует совсем не ту последовательность, которая передана. Какие эмоции это вызовет у потребителя информации, догадаться нетрудно. К сожалению, искажение информации случается даже при очень небольших расхождениях длин тактовых интервалов, так как с течением времени все равно наступит момент, когда ЦАП начнет "ошибаться" в выборе битов.

Несинхронность генераторов тактовых импульсов передающей и приемной станций скажется также и на том, что "двери" мультиплексора будут открываться не в такт друг с другом. Как в случае несовпадения скоростей вращения щеток в распределителях Бодо, информация из одного канала передающей станции будет попадать совсем в другой канал приемной станции.

Ну как тут пользователям цифровой связью удержаться от вопросов, которые, по образному выражению поэта, "вылязгивала" в оркестре глупая тарелка: "Что это? Как это?"

Вывод из всего сказанного один: нужно синхронизировать работу генераторов передающей и приемной станций на каждом такте. Для этого достаточно иметь на приемной стороне сведения о том, сколько импульсов в секунду вырабатывает генератор противоположной стороны, т. е. частоту следования импульсов, и управлять генератором приемной станции так, чтобы он выдавал импульсы с той же частотой (такое же количество в секунду). И, конечно же, управление генератором должно производиться автоматически, без участия человека. Но как на приемной стороне узнать, с какой частотой отбиваются такты за тысячи верст от нее? Вот в чем вопрос.

Во время путешествия на яхте по рекам Европы летом 1905 г. великий французский композитор Морис Равель посетил крупный завод, расположенный на берегу Рейна. Увиденное там буквально потрясло композитора. В одном из своих писем он рассказывает: "То, что я видел вчера, врезалось мне в память и сохранится навсегда... Это гигантский литейный завод, на котором круглые сутки работает 24000 человек... Как передать вам впечатление от этого царства металла, этих пылающих храмов огня, от этой чудесной симфонии свистков, шума приводных ремней, грохота молота, которые обрушиваются на вас со всех сторон. Как это музыкально! Непременно использую...". Свой замысел композитор воплотил в жизнь лишь спустя почти четверть века. В 1928 г. была написана музыка для небольшого балета "Болеро", ставшего самым значительным произведением Равеля. В музыке явственно слышатся индустриальные ритмы - более 4000 ударов барабана за 17 минут звучания. Поистине симфония ритма. В "Болеро" Равеля барабан является солистом оркестра, он не умолкает на протяжении всего произведения, четко отбивая ритм испанского танца.

Есть такой замечательный прибор - камертон. Его можно встретить у настройщиков музыкальных инструментов. Камертон способен откликнуться на звук определенной частоты, той, на которую он настроен. Раздался среди многоголосья инструментов звук басовой струны гитары - и камертон, если он настроен именно на такую частоту колебаний, начнет совершать механические колебания, как бы подавая сигнал: "вот моя частота".

А нельзя ли с помощью камертона уловить частоту ритмичных ударов барабана в музыке Равеля? Очевидно, можно. Нужно только воспользоваться соответствующим камертоном, реагирующим лишь на эту частоту.

Идею использования камертона можно применить и для того, чтобы узнать, с какой частотой отбиваются такты генератором передатчика. Ведь, по сути, информация об этом уже заложена в передаваемом цифровом потоке: двоичные импульсы появляются из линии как раз через эти такты.

- Позвольте, - воскликнет читатель, - импульсы в цифровом потоке следуют совершенно случайным образом, и мы заранее не можем угадать, какой бит будет в данный момент принят: 1 или 0. Где же здесь информация о тактовых импульсах?

Посмотрите внимательно на рисунок (см. с. 202). Если представить (разумеется, чисто условно) цифровой поток в виде суммы двух последовательностей, то можно увидеть тактовые импульсы в явном виде. Значит, есть в цифровом потоке такая информация! Только она завуалирована.

Применим для выделения тактовых импульсов идею камертона. Конечно, механический камертон для этих целей не подходит, но находчивые инженеры придумали "электрический" камертон, который, как и механический, откликается на колебание определенной частоты, только не звуковое, а электрическое. Назвали его электрическим фильтром: он "фильтрует" электрические колебания, пропуская только те из них, на которые настроен.

Электрический фильтр подключают на приемной станции к линии связи параллельно с приемником с тем, чтобы он не мешал цифровому потоку попадать в приемник и в то же время сам мог анализировать частотное "содержание" этого потока.

Поскольку фильтр изготавливается заранее настроенным на частоту тактовых колебаний, он и выделяет из поступающего на его вход цифрового потока колебание именно данной частоты. Но колебание одной частоты - это всегда синусоидальное колебание. Однако с помощью специальных устройств - усилителя и ограничителя (есть и такие микросхемы!) - из него легко "изготовить" колебания в виде последовательности тактовых импульсов. Они-то и будут управлять генератором приемной станции, заставляя его выдавать импульсы с точно таким же интервалом. Синхронизация по тактам действует!