Эволюция проводной связи как история освоения частотного диапазона

Эволюционное освоение частотного диапазона и проблемы

Радиочастотного обеспечения современных инфокоммуникационных технологий

2.1. Теоретические сведения и контрольные вопросы

Эволюция проводной связи как история освоения частотного диапазона

На первом практическом занятии эволюция телекоммуникационных систем была рассмотрена в контексте их развития в течение более полутора веков от простейших структур «передатчик, канал связи, приемник» (идивидуальных для каждого вида связи) до глобальных инфокоммуникационных сетей в виде «облака», мультисервисной «трубы», универсальных «терминалов». Основной акцент в этом укрупненном представлении был сделан на стремлении создателей сетей к повышению эффективности за счет универсализации и интеграции. За строкой такого рассмотрения остались многие параллельно протекавшие, более глубинные процессы, благодаря которым удалось добиться больших успехов в многовековой погоне за скоростью, объемом и доступностью передаваемой информации – движением, преобразующим не только технику, быт, но и экономику, политику, философию, образ жизни и мышления людей. Известный специалист в области проводной связи и историк техники Д.Л.Шарле называл эти глубинные процессы покорением страны «Эль-эф», которая является не страной добрых духов-эльфов, а конкретных физических понятий – длины, обозначаемой латинской буквой l (эль), и частоты, обозначаемой буквой f (эф). Вся история электрической связи, по мнению Шарле, - «не что иное, как стремление человечества к покорению страны «Эль-эф», т.е. к преодолению пространства (увеличению дальности l ) и к максимально эффективному использованию линий связи».

Эволюционное освоение частотного диапазона соответствует движению вверх по шкале «эф», или движению вперед по классической шкале электромагнитных волн. Особо следует отметить, чтов школьной физике, упомянутая шкала, как правило, изучается в контексте распространения электромагнитных волн в атмосфере, т.е. беспроводных видов связи. Не всегда обращается внимание, на то, что переменный электрический ток, передаваемый по проводам, является проявлением действия электромагнитного поля и также занимает соответствующее своей частоте место на шкале.

На первом практическом занятии в процессе рассмотрения обобщенной схемы передачи сообщений было раскрыто содержание устройств преобразования сообщений разного вида в электрические сигналы. Полученные на выходе таких устройств электрические сигналы должны быть переданы телекоммуникационной системой. Что же это за сигналы? Раньше их называли первичными, подчеркивая, что они являются результатом преобразования исходного сообщения в телекоммуникационной системе. С появлением понятий первичной и вторичной сети, чтобы не вносить путаницы, такое название в технике электросвязи, практически, перестали использовать. Сигнал на выходе устройства преобразования сообщения часто называют информационным электрическим, отражая тем самым его сущность по отношению к сообщению (звуковому, оптическому, в виде знаков) или низкочастотным (на контрасте с высокочастотным переносчиком). На последнее название сигналов («низкочастотные») следует обратить особое внимание, так как оно важно с точки зрения понимания принципов построения телекоммуникационных систем, основанных на спектральном представлении сигналов.

Из теории электрических сигналов известно, что все сигналы имеют бесконечно широкий спектр частот, и, чтобы форма сигнала на приеме точно совпала с формой сигнала на передаче, необходимо с помощью телекоммуникационной системы передать весь бесконечный спектр. Сделать это нереально, но самое главное, что в этом нет необходимости. Спектральная плотность сигналов распределена по шкале частот неравномерно, так что основная часть спектра сосредоточена в конечном интервале частот. Поэтому на практике спектр сигнала ограничивают до такой степени, при которой еще возможно восстановление исходного сообщения. Ограничение спектра колебаний, передаваемых по линиям связи, дает возможность экономично строить и обсллуживать телекоммуникационные системы. Та часть спектра, которую необходимо передать по системе электросвязи для уверенного восстановления на приеме называется «шириной спектра». Рассмотрим, какова эта величина для сообщений различной физической природы.

Полоса частот, воспринимаемая человеческим слухом, находится между 16 Гц и 20 кГц. Звуковые частоты от 16 Гц до 20 кГц называются слышимым звуком. Частотный спектр человеческой речи занимает меньшую полосу от 50 - 100 Гц до 8 – 10 кГц. При телефонной связи разборчивость речи и узнаваемость абонентов удовлетворительная, если ширина спектра находится в диапазоне 300 – 3400 кГц. Именно эти частоты были приняты Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (МККТ, ныне МСЭ - Т) в качестве границ эффективного спектра речи, а типовой канал шириной 300 – 3400 кГц, названный стандартным телефонным каналом, стал основой создания не одного поколения связного оборудования. Как уже отмечалось на предыдущем практическом занятии, формирование сигналов звукового вещания и их прием осуществляется так же, как и телефонных сигналов, но на приеме вместо телефона используются разные типы громкоговорителей, а на передаче - другие типы микрофонов. Главное отличие в том, что ширина спектра сигналов звукового вещания, соответствующих не только голосу человека, но и звучанию музыкальных инструментов, шире. Рекомендованная Международным консультативным комитетом по радиосвязи (МККР, ныне МСЭ – Р) ширина спектра для монофонического вещания около 10 кГц (от 50 Гц до 10 кГц), для появившегося позднее стереофонического вещания – около 15 кГц. В телевидении для передачи движущегося изображения используется формирование электрического сигнала посредством разложения изображения на элементы, построчного их считывания и формирования кадра. Передача движущихся изображений сводится к передаче кадров. Ширина спектра телевизионного электрического сигнала для обеспечения четкого изображения должна быть около 6 МГц (от 50 Гц до 6 МГц). Факсимильные сигналы, поддерживающие передачу неподвижных сигналов, требуют меньшей ширины спектра, например при передаче газет – около 180 кГц. Наименьшей шириной спектра характеризуются телеграфные сигналы (0 – 100 Гц), передающие информацию посредством комбинаций импульсов и пауз различной длительности. Ширина спектра при передаче данных, связанная со скоростью передачи прямо-пропорциональной зависимостью, варьируется в широких пределах.

Таким образом, полоса пропускания канала связи должна быть не менее ширины спектра электрического информационного (низкочастотного) сигнала. Важными с точки зрения передачи являются также и другие параметры, такие как, например, «динамический диапазон», «пропускная способность». Но «ширина спектра» представляется наиболее значимой с точки зрения понимания принципов построения телекоммуникационных систем, основанных на спектральном представлении сигналов. Низкочастотный электрический сигнал в телекоммуникационной системе является объектом транспортировки, а в качестве транспорта (переносчика информации) используется электромагнитное поле в проводах (проводная связь), в открытом пространстве (радиосвязь), в виде светового луча (оптическая связь), а высокочастотное электромагнитное колебание при этом называется несущим. Процесс преобразования исходного низкочастотного информационного сигнала в изменение одного или нескольких параметров высокочастотного несущего сигнала, по которым на приеме можно восстановить отправленный информационный сигнал, называется модуляцией.

Процессы частотных преобразований спектра сигнала, к которым относится и модуляция, позволили освоить высокочастотные участки частотного спектра, и увеличить дальность связи проводных систем, которые появились примерно на полвека раньше, чем беспроводные.

К проводным линиям связи относятся воздушные (первыми нашли широкое применение при строительстве телеграфных и телефонных линий), подводные, подземные.

Воздушные линии сейчас практически не используются. От них стали отказываться еще в середине 1950-х гг., когда появилась необходимость передавать сигналы многоканальных систем передачи и телевизионные сигналы, и стало очевидно, что возможности воздушных линий исчерпаны, так как их частотный диапазон не превышал 150 кГц.

Первые попытки применения подземных кабелей связи в середине XIX века оказались неудачными. Технология изготовления подземных кабелей, несколько усовершенствованная, оказалась воплощенной сначала не в подземных, а в подводных телеграфных линиях связи. С изобретением телефона в 1876 г. началось производство подземных (симметричных) кабелейдля городских телефонных сетей. В отличие от телеграфных кабелей, в них с целью уменьшения емкостных и электромагнитных помех стали применять двухпроводные скрученные цепи (пары). Для улучшения характеристик передачи сигналов хлопчатобумажная изоляция постепенно была заменена сухой воздушно-бумажной. В 1882 г. появились первые сооружения городской кабельной канализации из стальных, покрытых бетоном труб, в которых прокладывали освинцованные кабели. Число цепей (пар) в телефонных кабелях в XIX в. не превышало 200, но по мере телефонизации городов быстро возрастало: в 1901 был изготовлен 400-парный кабель, в 1910 — 900-парный, в 1932 — 2400-парный. Полоса пропускания таких кабелей обычно составляла величину порядка 4 кГц при длине 2-10 км. Эта полоса, соответствующая стандартному телефонному каналу (0,3 – 3,4 кГц), диктовалась нуждами аналогового голосового обмена в рамках коммутируемой телефонной сети. С появлением аналоговых многоканальных систем передачи требования к ширине пропускания симметричных кабелей увеличились. Например, для передачи многоканального сигнала 60-канальной системы «К-60», симметричный кабель должен был обеспечивать полосу пропускания не менее 252 кГц, с учетом того, что в диапазоне 212-252 кГц должны разместиться 60 стандартных телефонных каналов, занимающих полосу 4х60=240 (кГц). Возрастание емкости систем передачи потребовало применения впоследствии на магистральных, городских и местных телефонных линиях симметричных кабелей с шириной полосы пропускания до 1,0 МГц. Добиться увеличения ширины полосы вплоть до 200-350 МГц удалось только в симметричных электрических кабелях на небольших расстояниях (до 100 м). Речь идет о кабелях, входящих в состав так называемой структурированной кабельной системы (СКС), которая используется при прокладке ЛВС в зданиях. Здесь следует отметить, что в зарубежных источниках симметричный кабель часто называют «витой парой» (TP - twisted pair), независимо от того, для прокладки многокилометровых магистральных линий связи или локальных компьютерных сетей, он используется. В отечественных телекоммуникациях термин «витая пара» ассоциируется с СКС, а, например, магистральные «витые пары» предпочитают называть симметричными магистральными кабелями.

Симметричный кабель долгие годы был самой дешёвой и широко используемой направляющей средой, как в аналоговых системах передачи, так и в цифровых. Но для передачи больших объемов информации (многоканальных сигналов, телевизионных сигналов) требовался кабель, поддерживающий передачу с наименьшим затуханием на больших расстояниях. Такой кабель появился в середине 1930-х гг. Свое название (коаксиальный) кабель получил благодаря оригинальной конструкции, позволившей минимизировать затухание на линии. Коаксиальный кабель представляет собой два цилиндра с совмещенной осью, причем один цилиндр (сплошной внутренний проводник) концентрически располагается внутри другого полого цилиндра (внешнего проводника); проводники изолированы друг от друга диэлектрическим материалом. Благодаря конструкции (экранированию и концентрической структуре) электромагнитная энергия в коаксиальном кабеле не может излучаться в пространство и создавать, таким образом, взаимовлияние цепей. Как следствие – меньшая чувствительность к перекрёстным помехам и интерференции, соответственно, меньше затухание сигнала. Частотные характеристики коаксиального кабеля намного лучше, чем витой пары (в начальный период полоса от 100 до 500 МГц, в последующем – до 2 ГГц). Поэтому его можно использовать на более высоких частотах и при большей скорости передачи данных. C годами возрастали требования по широкополосности телекоммуникационных систем, и витые пары проводов заменялись коаксиальными кабелями. Именно коаксиальные кабели стали транспортной средой для появившихся в середине 1960-х гг. первых телевизионных сетей и локальных сетей ЭВМ. Сфера применения коаксиальных кабелей в наши дни – телевещание, международная телефонная связь, каналы компьютерных сетей, локальные сети. Частотные характеристики современных коаксиальных кабелей стали еще лучше (появились кабели, поддерживающие передачу электрических сигналов вплоть до 30 ГГц).

Что касается цифр, характеризующих частотные свойства симметричных и коаксиальных кабелей, то необходимо понимать, что они усредненные. Бессмысленно говорить о полосе частот, которую тот или иной кабель предоставляет для передачи сигнала, не указывая соответствующей величины затухания, которая зависит от многих причин, в том числе от материала кабеля. Поэтому разные марки электрического кабеля могут иметь совершенно разные полосы пропускания.

К наиболее перспективным кабелям связи, превосходящим по своим частотным характеристикам и ряду других свойств коаксиальные кабели, относятся волоконно-оптические кабели (ВОК), использующие в качестве среды распространения диэлектрические материалы (пластмассу, полупроводники, стекло), в частности тонкие стеклянные (так называемые, оптические) волокна или световоды. Оптическое волокно играет ту же роль, что и медный провод, используемый для передачи телефонных разговоров или компьютерных данных. Но в отличие от медного провода по волокну переносится свет, а не электрический сигнал, и что важно, с меньшим количеством потерь и отсутствием реакции на внешние электромагнитные излучения. Существует простая закономерность: чем выше несущая частота (меньше длина волны) канала связи, тем больше его пропускная способность. Свет – такая же электромагнитная волна, как и переменный электрический ток, с помощью которого осуществляется передача по кабелям связи, и радиоволны, только в десятки тысяч раз короче и с огромной шириной пропускания, поэтому по лазерному лучу можно передавать в десятки тысяч раз больше информации.

Распространение оптических (световых) электромагнитных волн может происходить в различных физических средах (не только в волоконно-оптических кабелях). Примером беспроводных систем являются, например, устройства так называемой лазерной связи, работающие только на небольших расстояниях и в хороших погодных условиях. Наиболее перспективной средой, нашедшей широкое применение, стали волоконные световоды, в которых свет за счет полного внутреннего отражения распространяется практически без потерь на многие сотни километров. Принцип передачи информации с помощью световых лучей, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован в XIX в., но повсеместное применение оптической связи было затруднено отсутствием соответствующих технологий. В 1930-х гг. появилась идея передавать сигналы при помощи света по стержням чистого стекла. В начале 1960-х гг. были созданы передатчик оптического сигнала (полупроводниковый лазер, способный излучать когерентные и монохроматические электромагнитные волны) и приемник (фотодиод). Повсеместный переход на волоконно-оптические технологии состоялся только к 1970-м – 1980-м гг., когда удалось наладить коммерческое производство волокна с низким затуханием и решить множество проблем эксплуатационного характера, в частности разработать контрольно-измерительную аппаратуру для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). В нашей стране масштабный переход к строительству ВОЛС состоялся позднее – в начале XXI в. Электромагнитные излучения, используемые в ВОК, размещаются на границе диапазонов инфракрасного излучения и видимого света

В настоящее время телекоммуникации располагают целой гаммой различных кабелей связи, по которым можно передавать одновременно сотни и тысячи сигналов с различной шириной спектра, соответствующих разным видам передаваемых сообщений. Линии связи сегодня – это не только среда распространения сигналов, но и комплекс сложных и дорогостоящих сооружений, содержащих современную электронную аппаратуру.