История средств связи

4. Распространение телеграфии

Даже после появления гальванической батареи было много скептиков, которые продолжали считать, что возможности практического использования электрического телеграфа невелики. Так, в 1824 г. английский физик П. Барлоу (1776-1862) заявил, что гальваническая батарея позволяет передавать ток лишь на расстояние около 200 футов, т.е. около 60 м. Дальше ток ослабевает настолько, что его дальнейшее использование становится невозможно, а увеличение размеров батареи делает электрическое телеграфирование слишком дорогостоящим.

Положение дел изменилось, когда был найден более дешевый способ генерирования электрического тока. Этим мы обязаны английскому физику Майклу Фарадею (1791-1867), который в 1831 г. открыл явление электромагнитной индукции.

Индукция - это «процесс возбуждения электродвижущей силы в проводнике при его движении в магнитном поле или при изменении окружающего его магнитного поля (электромагнитная индукция)», «процесс наведения электрических зарядов в проводниках и диэлектриках под действием электрического поля (электростатическая или статическая индукция) и намагниченности под действием магнитного поля в телах, способных намагничиваться (магнитная индукция)».

После того, как было установлено, что электрический ток создает электромагнитное поле, под влиянием которого попадающие в него металлические предметы приобретают магнитные свойства, М. Фарадей, поместил между двумя проводниками магнит и обнаружил, что если привести его в движение, в проводниках возникнет электрический ток.

Сделанное таким образом открытие позволило создать генератор переменного электрического тока.

Когда в 1837 г. английский изобретатель В. Александер предложил правительству сооружения телеграфной линии протяженностью в 4 мили, или около 6 км, это казалось огромным достижением. Через 18 лет, в 1855 г., общая протяженность телеграфных линий достигла 40 тыс. км. (длина экватора). Из них 6 тыс. км приходились на Россию.

Распространение телеграфии поставило перед учеными две важные проблемы.

Первая из них заключалась в выборе материала для телеграфных проводов. После ряда экспериментов было установлено, что лучшим проводником электрического тока является медь.

Оголенные провода можно подвешивать на столбах. Но воздушная проводка не застрахована от гроз, ураганов и других природных явлений, а прокладка кабеля в земле или же через водоемы требует изоляции.

Первоначально для изоляции использовали каучук, пеньку и шелк. В 1839 г. американский изобретатель Чарльз Гудьир (1800-1860) создал, а в 1844 г. запатентовал технологию вулканизации каучука, которая открыла возможность для производства более дешевого изоляционного материала - резины.

В 1843 г. в Европе появилась гуттаперча. Гуттаперча «изготавливалась из латекса - млечного сока некоторых растений, распространенных в основном на островах Юго-Восточной Азии (Суматра, Ява, Калимантан и др.). Достаточно малоэластичный кожеподобный материал сероватого или коричневатого цвета оказался устойчивым к воздействию морской и грунтовой воды, причем будучи нагретым, становился пластичным и легко наносился на медный провод».

Резину стали использоваться для изоляции наземного кабеля, гуттаперчу - для подземных и подводных линий. Использование этих изоляционных материалов получило широкое распространение после того, как удалось найти способ бесшовного покрытия кабеля гуттаперчевой или резиновой изоляцией.

В 1850 г. медный кабель в гуттаперчевой изоляции был использован при прокладке телеграфной линии через пролив Па-де-Кале. Тогда же была сделана первая, неудачная попытка проложить кабель через Ла Манш. В следующем году кабель все-таки соединил Англию с континентом и в ноябре 1852 г. начала действовать телеграфная связь между Лондоном и Парижем.

Вслед за этим возникла идея связать телеграфом Европу и Америку. Штурм Атлантического океана начался в августе 1857 г. Первая попытка проложить кабель между двумя материками потерпела неудачу, неудачной была и вторая попытка в июне 1858 г. Только с третьей попытки в июле - августе 1858 г. удалось проложить 3800 - км кабель, который соединил между собою Ирландию и Ньюфаундленд. Однако уже в сентябре эта линия вышла из строя.

23 июля 1865 г. начался четвертый штурм Атлантического океана. Для этого был использован самый крупный пароход того времени легендарный «Грейт Истерн», т.е. «Великий Восток», названной Жюль Верном «плавучим городом». Эта попытка тоже завершилась неудачей, кабель порвался и ушел на дно. И только после пятой попытки 27 июля 1866 г. между Старым и Новым светом была установлена постоянная телеграфная связь.

С самого начала этой работой занимался американский предприниматель Сайрус Уэст Филд. Видную роль играл также английский ученый Уильям Томсон, который получил за это дворянское звание, а затем и титул лорда Кельвина.

Соединение двух материков вызвало у современников такую реакцию, которую можно сравнить с полетом первого человека в космос. Позднее Стефан Цвейг посвятил этому целую книгу «Первое слово через океан» Яркое описание этого штурма можно найти в книге Артура Кларка «Голос через океан».

В 1869 г. телеграфная линия связала США и Францию, в 1870 г. Британию с Индией. В 1871 г. начала действовать самая длинная телеграфная линия в мире: Москва - Владивосток - 12000 км. В 1871 г. телеграф соединил Британию с Сингапуром и Австралией, в 1874 г. Европу - с Бразилией. В 1902 г. телеграфная линия пересекла Тихий океан от Канады до Австралии.

В 1908 г. общая протяженность телеграфных линий превысила 460 тыс. км, а общая протяженность телеграфных проводов - 6 млн. км. Ежедневно по ним передавалось более одного миллиона телеграмм.

Еще совсем недавно для путешествия из Европы в Америку требовалось несколько месяцев. Пароход позволил сократить это время до двух недель. Теперь оба материка получили возможность обмениваться информацией в течение нескольких минут. За час телеграмма могла обойти вокруг земного шара.

5. Совершенствование телеграфа

Когда прокладывали первые телеграфные линии, главной задачей было соединить телеграфом один пункт с другим. Когда эта задача была решена, возник другой вопрос - об эффективности использования кабеля.

Первоначально эта задача решалась за счет повышения интенсивности работы телеграфиста. Скорость работы на аппарате С. Морзе составляла около 100 знаков в минуту, на аппарате Д. Юза до 200 знаков. Очень опытные телеграфистам удавалось повысить скорость до 240-300 знаков.

Когда возможности повышения интенсивности работы телеграфиста были исчерпаны, начались поиски по другим направлениям.

В связи с этим было обращено внимание, что рука обычного телеграфиста тратила на передачу знака 0,3 секунды, замыкание контакта составляло менее 0,1 секунды, скорость передачи электрического сигнала является почти мгновенной. Это означает, что большую часть времени телеграфный кабель был свободным.

Стремясь устранить этот недостаток, английский изобретатель Г. Фармор предложил в 1853 г. включать в «провод не один, а два или больше передатчиков, предоставляя этот единственный провод каждому передатчику по очереди при помощи специального устройства - распорядителя».

И хотя это позволило более полно использовать телеграфный кабель, однако подключенный к определенной линии к телеграфист прежде чем начать передачу телеграммы, должен ждать, когда до него дойдет очередь.

«Это обстоятельство, - пишет А.В. Яроцкий, - породило идею отделить ручную работу телеграфиста от непосредственного процесса передачи сигналов в линию. Многочисленные попытки осуществить эту идею свелись к разработке двух типов устройств: 1) передатчиков с механизмом для предварительного накопления кодовых комбинаций; 2) передатчиков, работа которых управлялась не рукой телеграфиста, а заранее подготовленной им перфорированной ленты».

Одну из первых попыток решить эту проблему сделал в 1858 г.Ч. Уитстон. Созданный им аппарат использовал код Морзе, но телеграмма первоначально пробивалась на перфорированной ленте в виде отверстий. В таком виде она сохранялась до тех пор, пока до нее не доходила очередь. После этого специальное устройство преобразовывало комбинацию отверстий на перфоленте в электрические сигналы, которые записывались на приемной станции в виде точек и тире.

Телеграфисты получили возможность отбивать телеграммы одна за другой, а в очередь теперь выстраивались отправленные ими телеграммы.

Позднее, после того, как Ф. Крид (Creed) (1871--1957) создал «ленточный рекордер», скорость передачи телеграмм увеличилась до 1500 знаков в минуту. Появилось понятие «машинное телеграфирование».

Следующий важный шаг в этом же направлении сделал французский изобретатель Жан Морис Эмиль Бодо (1845-1903). В 1874 и 1876 г он получил два патента на многократное телеграфирование. В 1877 г. его телеграфные аппараты были установлены на линии Париж-Бордо», а затем получили распространение в других странах.

Передающий аппарат Э. Бодо состоял из пяти клавиш, с помощью которых замыкание и размыкание цепи производилось не одной, а двумя руками. Вначале передаваемая таким образом информация поступала на распределитель, который представлял собою диск с двумя закрепленными на нем металлическими кольцами. Внешнее кольцо было разрезано на десять изолированных друг от друга контактов, разделенных на две группы. Первые пять контактов были соединены с клавишами, пять вторых подключены к электромагнитам. На приемной станции находился такой же распределитель с той лишь разницей, что первые пять контактов были подключены к электромагнитам, а пять вторых к клавишам. Через внутренне кольцо оба распределителя были присоединены к линии связи.

На передающей и приемной станциях синхронно и синфазно с скоростью 200 оборотов в минуту вращались специальные «щетки», которые скользили по контактам внешнего кольца распределителя. Когда они делали первые полоборота и таким образом замыкали первые пять контактов, происходила передача информации, когда «щетки» делали вторые полоборота и замыкали пять других контактов, производился прием информации.

Запись информации производилась с помощью буквопечатающего «колеса Юза».

Если разделить распределительное кольцо на 20 контактов, то к телеграфной линии можно было подключить четыре телеграфных аппарата: два с одной стороны, два с другой стороны.

Первоначально пропускная способность двукратного аппарата Бодо составляла 400 букв в минуту (200 с одной стороны и 200 с другой). Обращаю ваше внимание - букв, а не знаков. Увеличение количества контактов до 20 позволило увеличить пропускную способность до 800 букв.

«Усовершенствованные многократные телефонные аппараты Бодо, - отмечается в Большой советской энциклопедии, - применялись до середины 20 в. В 30-х гг. 20 в. были разработаны трёх-, шести-, девятикратные аппараты, что значительно увеличило пропускную способность телеграфных связей: до 20 000 слов в 1 час» или же 600 слов в минуту. Обратите внимание: слов, а не букв и знаков

В честь Ж.М.Э. Бодо названа единица скорости телеграфирования «бод». Один бод - один элементарный электрический импульс в секунду.

В XIX. в. наметился еще один важный подход к проблеме уплотнения телеграфных каналов.

Еще в 1811 г. немецкий физик И.Х. Швейгер предложил использовать для передачи информации не размыкание и замыкание электрической цепи, а изменение электрических колебаний, различающихся «направлением тока, продолжительностью и применяемым напряжением», т.е. использовать для передачи информации изменение частоты электрических колебаний.

В качестве примера подобного телеграфирования можно привести проект харьковского профессора Г. Морозова. В 1869 г. он сконструировал устройство, которое представляло собою небольшой сосуд, наполненный водой. В него были опущены два электрода, один из которых можно было приводить в движение (вверх, вниз). Изменение положения этого электрода имело своим следствием изменение объема воды между электродами, а значит изменение сопротивление в электрической цепи и силы тока.

Закодировав эти изменения, можно было с их помощью передавать информацию, не размыкая электрическую цепь.

«Из всех технических идей, относящихся к задаче повышения степени использования дорогостоящей телеграфной линии, - отмечал А.В. Яроцкий, - безусловно самой важной явилась идея телеграфирования токами разной частоты».

«Частота - это число полных циклов колебаний некоторых величин (например, напряжения) за секунду, иными словами, частота показывает, сколько раз в секунду величина достигает своего максимального значения. Полный цикл или период образуется тогда, когда колебательное движение начинается с нулевой величины напряжения, достигает его максимально положительного значения, затем снижается до наименьшего отрицательного значения и возвращается к исходной величине. Эта скорость или частота измеряется в герцах (Гц)».

«Герц - единица частоты колебаний, равная частоте такого колебания, период которого равен 1 сек., т.е. герц равен одному циклу с секунду». 1000 колебаний в секунду составляют 1 килогерц, кГц, 1 миллион колебаний - 1 мегагерц, МГц, 1 миллиард - 1 гигагерц, ГГц.

Однако главное в идее частотного телеграфирования заключалось не в том, что оно позволило экономить время, уходящее на замыкание и размыкание электрической цепи, а в том, что открыло возможность, используя электромагнитные колебания разной частоты, передавать одновременно по одному и тому же проводу несколько сообщений.

Представим, что по двум каналам в одном направлении движутся шарики, имеющие два разных диаметра, причем каждый шарик обозначает одну букву, например 1а - в, 2а - о , 3а - д , 4а - а и 1б -х , 2б - л, 3б - е, 4б - б. Затем шарики беспорядочно сливаются в общий поток и в этом потоке движутся до тех пор, пока в конце канала не появляется фильтр в виде отверстия (больше диаметра маленьких, но меньше диаметра больших шариков). Маленькие шарики опустятся в нижний канал, большие покатятся дальше. В результате этого будет восстановлен тот порядок, в котором шарики находились первоначально. А поскольку каждый из них обозначал определенную букву, мы можем прочитать переданную таким образом информацию: «в-о-д-а» и «х-л-е-б».

Именно такой принцип был положен в основу частного телеграфирования, которое определяется как «телеграфирование, осуществляемое посылкой в линию связи несущих токов нескольких частот, промодулированных телеграфными сигналами от различных передатчиков…На приемной станции линейные фильтры, пропускающие только определенные полосы частот, разделяют телеграфные сигналы по приемникам и расшифровывают демодуляторами».

Одним из первых практический способ реализации этой идеи уже в 1880 г. нашел русский физик Григорий Григорьевич Игнатьев (1846-1898). Военное ведомство, с которым он сотрудничал, сразу же засекретило его работу. Поэтому первый патент на изобретение «частотного уплотнения» получил в 1883 г. бельгийский инженер Ф. ван Риссельберг (Rysselberghe) (1846-1893).

Несмотря на то, что идея частотного уплотнения каналов связи была сформулирована в XIX в., возможность ее практической реализации открылась только в 1920-е гг., «когда появились ламповые генераторы незатухающих электрических колебаний» (подробнее об этом см. далее).

В зависимости от частоты телеграфирование разделяют на три вида: подтональное, тональное и надтональное. Критерием этого деления стал международный стандарт для телефонной связи: 300-3400 гц. Если используется этот стандарт, телеграфирование называется тональным, если выше - подтональным, если ниже - надтональным.

Наиболее распространенным является тональное телеграфирование, при котором по одному проводу только в одну сторону сразу можно передавать до 24 сообщений.

Переход к частотному многоканальному телеграфированию открыл перспективу расширения возможностей телеграфа не за счет строительства новых линий, а за счет повышения пропускной способности уже имеющихся.

«В 1977 г., - писал М. С. Самарин, - протяженность линий только тонального телеграфирования в мире составляла 10 в седьмой степени канало-километров. Если бы такая линия существовала, то она могла бы опоясать землю по экватору 250 раз. Для изготовления проводов в диаметре 3-3,5 мм необходимо израсходовать около 1600 тысяч тонн меди» - это годовое производство меди США.

ЛЕКЦИЯ 4. ТЕЛЕФОН

План

1. Изобретение телефона

2. Усовершенствование телефона

3. Проблемы коммутации

4. У истоков цифровой революции

5. Оптико-волоконная связь

ЛИТЕРАТУРА

А) Обязательная

Островский А.В. История средств связи. Учебное пособие. СПб., 2009. С.63-84.

Б) Дополнительная

Ватсон Т.А. Как родился телефон // Электросвязь. 1995. №2. С.43-44.

Медведев Д.Л. Развитие техники коммутации каналов связи // Электросвязь. 2005. №4. Приложение. Электросвязь: история и современность

Яроцкий А.В. Павел Михайлович Голубицкий. М., 1976.

1. Изобретение телефона

Как уже отмечалось, человеческий голос слышен на расстоянии нескольких десятков, в лучшем случае сотен метров. Поэтому еще в далеком прошлом для его усиления был изобретен такое устройство как рупор.

Однако даже шестиметровый рупор англичанина Самюэля Морленда (1625-1695), созданный около 1670 г., позволял увеличить слышимость голоса лишь до полутора километров.

В XVI-XVII вв. появилась идея использовать для передачи звука на расстояние трубопровод. Позднее эта идея получила применение во флоте для передачи команд с капитанского мостика, например, в машинное отделение. Такую же систему передачи звука пытались создать на железных дорогах, чтобы соединить вагон начальника поезда с другими вагонами и паровозом.

«Первым акустическим индикатором электрических сигналов» стал электрический звонок, который был изобретен в середине XVIII в.. Первоначально его использовали как вызывающее устройство. Такую роль он стал играть в телеграфных аппаратах.

Первым, кто попытался использовать электричество для передачи звука, был американский изобретатель Чарльз Пейдж. В 1837 г. он сумел вызвать эффект, который назвал «гальванической музыкой». Взяв два камертона, Ч. Пейдж поместил между ними два электрода: один оставил без изоляции и подвел к первому камертону, другой присоединил в электромагниту и разместил рядом со вторым камертоном. Когда изобретатель приводил в движение первый камертон, он начинал вибрировать, то замыкая, то размыкая электрическую цепь, в результате электрический магнит соответствующим образом воздействовал на второй камертон, заставляя его вибрировать и звучать.

Это вдохновило некоторых изобретателей на создание поющего телеграфа, способного передавать музыку.

Наибольших успехов в этом отношении добился немецкий изобретатель Иоганн Филипп Рейс (1834-1874), работавший учителем в школе для глухонемых. 26 октября 1861 г. он выступил во Франкфурте-на-Майне с докладом «О телефоне посредством гальванического тока» и продемонстрировал свое изобретение.

В литературе можно встретить разные описания сконструированного им аппарата. Причина этого, по всей видимости, заключается в том, что он создал несколько его образцов.

Один из аппаратов И.Ф. Рейса представлял собою полый ящик с двумя отверстиями, перекрытыми тонкими перепонками. К первой перепонке изнутри была прикреплена металлическая пластинка, соприкасавшаяся с острием установленной рядом металлической иглы, которая была подсоединена к электрической цепи. Под влиянием колебаний упомянутая пластинка касалась острия иглы, в результате чего происходило замыкание и размыкание цепи. На другом конце этой цепи находилось приемное устройство. Оно состояло из резонансной доски, на которой была установлена проволочная спираль, а внутри нее металлическая спица. Под влиянием изменений в электрической цепи, резонансная доска вибрировала. В такт с нею вибрировали спираль и спица. При этом они издавали звук, который воспроизводила вторая перепонка.

Другая конструкция аппарата Ф. Рейса отличалась тем, что на первой перепонке вместе металлической пластинки находилась гибкая ленточка фольги, а вместо резонансной доски с проволочной спиралью и спицей использовался соленоид с сердечником, который издавал звук при перемагничивании.

Созданный И.Ф. Рейсом аппарат был способен передавать по проводам отдельные звуки и даже мелодии, но он не мог воспроизводить членораздельную человеческую речь.

Европейская научная общественность не проявила интереса к этому изобретению. Но когда его продемонстрировали в США, здесь начались поиски путей усовершенствования аппарата И.Ф. Рейса. Через несколько лет, уже после смерти изобретателя, они привели к созданию телефона.

Чтобы поющий «аппарат Рейса» «заговорил», необходимо было решить проблему, на которую обратил внимание известный немецкий ученый Герман Гельмгольц. Он пришел к выводу, что для передачи звука необходимо воспроизведение «не только его частоты, но и тембра», который «в момент полного перерыва цепи» искажается или же вообще утрачивается.

Если при телеграфировании можно было использовать прерывистые электрические сигналы, для передачи звука нужен был непрерывный электрический ток.

В связи с этим следует вспомнить, что к тому времени уже был найден способ передачи телеграфных сообщений не только с помощью замыкания и размыкания электрической цепи, но и с помощью электромагнитных колебаний. Вспомним хотя бы изобретение Г.И. Морозова.

«Первым кто, при экспериментах обнаружил способность гармонического телеграфа воспроизводить звук с сохранением тембра, - пишет А. В. Яроцкий, - был американский физик Эллайша Грей. О своем изобретении он сообщил в печати в августе 1874 г. Однако закончил разработку изобретения и подал заявку на патент лишь 14 февраля 1876 г., назвав изобретение «Устройство для передачи и приема вокальных звуков телеграфным способом».

Мы не знаем, был ли Э. Грей знаком с изобретением Г.И. Морозова, но , как и Г.И. Морозов, он использовал для преобразования звуковых колебаний в электрические жидкость.

В тот же день, но на два часа раньше заявку на изобретение телефона подал другой изобретатель Александр Белл (1847-1922).

Александр Белл (1847-1922) являлся специалистом по акустике и ораторскому искусству. Его дед был основателем ораторской школы в Лондоне, а отец профессором риторики в Лондонском университете. В 1870 г. его семья переселилась в Канаду, затем А.Белл переехал в США и в 1873 г. стал профессором вокальной физиологии в школе ораторского искусства Бостонского университета. Здесь он открыл собственную школу и стал заниматься с глухонемыми детьми.

В 1875 г. Александр Белл и его помощник Томас Ватсон производили опыты, пытаясь создать «поющий телеграф». Во время одного из таких опытов, когда они находились в разных комнатах, Т. Ватсон нажал кнопку, чтобы привести в действие звонок, однако магнит притянул к себе молоточек звонка и не отпустил его. Когда Т. Ватсон оттянул молоточек от магнита рукой, в другой комнате на приемном аппарате раздался какой-то звук.

А. Белла заинтересовал этот эффект. И вскоре он понял, что совершенно случайно сделал открытие. Оказывается, чтобы превратить звуковые колебания в электрические, необязательно, чтобы мембрана замыкала и размыкала электрическую цепь. Для этого достаточно, чтобы она меняла существующее вокруг цепи электромагнитное поле.

«Понять суть открытого Белом принципа, - пишут авторы книги «История вещей», - можно, если представить постоянный магнит, в поле которого находится гибкая пластина, способная колебаться под действием звуковых волн. При приближении пластины к полюсу магнита его поле будет усиливаться, а при движении в обратном направлении - ослабевать. Это происходит вследствие электромагнитной индукции: в металлической пластине, движущейся в магнитном поле, возникает ток, создающий вокруг пластины собственное поле. Оно накладывается на поле магнита и при колебании пластины усиливает его или ослабляет».

И далее: «Поместив такой магнит в катушку с проволокой, можно обнаружить, что при колебаниях магнитного поля в нем возникает переменный электрический ток. Если его направить на обмотку другого магнита, ток будет вызывать колебания магнитного поля, полностью повторяющие колебания первого магнита. Стоит поместить у полюса принимающего магнита металлическую пластину, аналогичную той, что находится в поле передающего магнита, поле придет в движение, воспроизводя звуковые колебания».

14 февраля 1876 г. А.Г. Белл подал в Вашингтонское патентное бюро заявку на изобретение «Телеграф, при помощи которого можно передавать человеческую речь». 7 марта он получил патент, а 10 марта передал на расстояние 12 метров (по проводу, который соединял его квартиру с лабораторией на чердаке) распоряжение своему помощнику Томасу Ватсону: «Идите сюда. Мистер Ватсон. Вы мне нужны». И услышал в ответ: «Мистер Белл, я отчетливо слышу каждое произнесенное Вами слово».

2. Усовершенствование телефона

Когда Томас Ватсон говорил о том, что от «отчетливо» слышит каждое слово своего наставника, он немного лукавил, так как первый телефонный аппарат был очень несовершенен, и качество воспроизводимого им голоса оставляло желать лучшего.

Именно это было главной причиной того, почему летом 1876 г. в Филадельфии на Всемирной Выставке Столетия, которая была посвящена столетию со дня образования США, телефон А. Белла не привлек к себе особого внимания.

Но тут изобретателю помог случай. Его узнал посетивший выставку император Бразилии Педро II, незадолго перед тем побывавший в той самой школе для глухонемых, в которой преподавал А. Белл. Император не только пришел сам, чтобы познакомиться с изобретением, но и привел с собою члена жюри выставки уже упоминавшегося английского ученого Уияльяма Томсона (1824-1907), который участвовал в прокладке трансатлантического телеграфного кабеля. У. Томсон был восхищен изобретением, пригласил А. Белла в Европу и сделал ему широкую рекламу.

Авторы «Истории вещей» так описывают созданный А. Беллом телефон: «Первые аппараты, запущенные в серийное производство были устроены довольно просто. Они включали в себя постоянный магнит в форме стержня, один полюс которого окружала индукционная спираль из медной проволоки. У полюса магнита была расположена пластина из мягкого железа, служившая мембраной и соединенная с индукционной спиралью. Устройство помещалось в деревянную оправу, имевшую со стороны мембраны воронкообразное отверстие для приема звука. Индукционные спирали приемного и передаточного аппаратов были соединены в одну цепь. Такая трубка использовалась одновременно и для приема и для передачи: в нее можно было говорить и, приложив воронку к уху, слышать речь собеседника».

Если первоначально изобретение А. Белла вызвало интерес, то когда дело перешло в практическую плоскость, оказалось, что созданный аппарат настолько несовершенен, что возник даже вопрос о возможности его практического использования.

Однако значение этого средства связи было настолько велико, что десятки, если не сотни изобретателей направили свои усилия на его совершенствование. К 1900 г. было запатентовано около трех тысяч предложений.

Как отмечают специалисты, «телеграфный аппарат Белла довольно хорошо справлялся с задачей преобразования электрических сигналов в звуковые, но не мог надлежащим образом превращать звуковые волны в электрические сигналы». В связи с этим в совершенствовании прежде всего нуждался микрофон.

Одним из первых со своими предложениями на этот счет выступил Дэвид Юз (1845-1900), тот самый английский изобретатель, который в 1855 г. сконструировал буквопечатающий телеграф.

«В мае 1878 г., - пишет А.В. Яроцкий, - Д.Е. Юз доложил Лондонской королевской академии, членом которой состоял, об открытии им микрофонного эффекта. Исследуя плохие электрические контакты при помощи телефона, Юз обнаружил, что колебания плохого контакта прослушиваются в телефон [как в медицинскую трубку]. Испробовав контакты, изготовленные из разных материалов, он убедился, что эффект с наибольшей силой проявляется при применении контактов из прессованного древесного угля». Исходя из этого, Д. Юз в 1877 г. сконструировал угольный микрофон.

Он представлял собою горизонтальную пластинку, на которой вертикально были закреплены два угольных стержня, имеющие сверху желобообразные углубления. В эти углубления как перекладина помещался третий угольный стержень. Под влиянием колебаний мембраны происходило колебание горизонтальной пластины, а значит дрожание угольной перекладины. В результате она то сильнее, то слабее прикасалась к двум другим стержням. А поскольку они были включены в электрическую цепь, в местах касания происходило соответствующее изменение сопротивления, а значит, силы тока, под влиянием которой приводилась в движение мембрана в приемном устройстве.

Однако при всех достоинствах микрофон Д. Юза имел, по крайней мере, два недостатка: во-первых, вибрация угольных контактов вызывала искрение, которое отдавалось в телефоне потрескиванием, и чем сильнее был звук, тем сильнее были помехи, во-вторых, угольные стержни очень быстро перегорали.

Поэтому совершенствование микрофона продолжалось. Очень плодотворной оказалась идея использовать в микрофоне не угольные стержни, а угольный порошок. Представьте коробочку, которую Г. Морозов и Э. Грей наполняли водой, заполненную мелко истолченным угольным порошком. В таком микрофоне под влиянием колебаний мембраны будет происходить изменение плотности порошкового слоя, а значит, сопротивления и силы проходящего через него тока.

Вокруг вопроса о том, кто изобрел первый порошковый микрофон, до сих пор идут споры. По всей видимости, пальма первенства принадлежит известному американскому изобретателю Т. Эдисону. За свои 84 года жизни он зарегистрировал 1300 патентов. Получается, около 20 изобретений в год или два изобретения в месяц. Это наводит на мысль, что под именем Т. Эдисона творил научный коллектив.

Усовершенствованный им телефонный аппарат, кроме порошкового микрофона, имел еще несколько достоинств. Для усиления электрических колебаний в передающем устройстве была использована индукционная катушка - трансформатор. Кроме того, микрофон и принимающая телефонная трубка были включена в две разные параллельные цепи.

В отличие от Т. Эдисона русские инженеры П.М. Голубицкий (1880 г.) и Е.И. Гвоздев (1889 г.) направили свои усилия на то, чтобы усовершенствовать микрофон за счет использования электромагнитной индукции и в этом отношении добились значительных результатов.

Однако порошковый микрофон оказался дешевле и проще. С конца XIX в. он получил самое широкое распространение и использовался на протяжении почти целого столетия.

3. Проблема коммутации

Первоначально многие смотрели на телефон лишь как на дорогую игрушку. Даже Т. Эдисон не смог сразу оценить те перспективы, которые открывало это изобретение. Дело в том, что первые телефоны могли соединять между собою только двух абонентов.

Едва ли не первым, кто поднял вопрос о необходимости сделать телефон общедоступным и предложил способ его решения, стал венгерский изобретатель Тивадар Пушкаш (1844-1893).

Его идея была невероятно проста: чтобы телефонная связь могла соединять всех абонентов, имеющих телефоны, необходимо поставить между ними соединительный центр, куда сходились бы и откуда расходились бы все телефонные линии. Такой центр получил название телефонной станции, а устройство для соединения и разъединения отдельных абонентов - коммутатор.

Проект Т. Пушкаша сводился к следующему. Он предложил вывести все телефоны на общую панель так, чтобы один провод каждого телефона шел через нее сверху вниз, другой справа налево, а затем сделать в местах пересечения проводов разных телефонов ячейки, которые можно было закрывать металлическим клинышками и таким образом соединять двух абонентов.

С этой идеей весной 1877 г. Т. Пушкаш прибыл в США. Т. Эдисон взял его к себе в помощники. Началась работа по созданию первой телефонной станции.

В ходе этой работы первоначальный проект претерпел изменения. Конструкция первого коммутатора тоже представляла панель, на которую были выведены контакты телефонов, но в строго определенном порядке. Первоначально их размещали по алфавиту, потом стали нумеровать. Абонент снимал трубку телефона, в результате чего его аппарат соединялся с коммутатором, затем называл необходимый ему телефон. После этого телефонистка брала штекер (гибкий изолированный провод в виде шнура) с двумя обнаженными концами и вставляла их в ячейки двух телефонных линий (вызывающей и вызываемой), замыкая таким образом обе линии между собой.

Считается, что первая коммерческая телефонная станция была открыта 28 января 1878 г. в городе Нью-Хэвен (штат Коннектикут). В начале 80-х годов они имелись почти во всех американских городах США, имевших население более 10 тысяч человек. На рубеже 70-8-х годов телефонные станции в Европе, а затем и в других частях света.

Первоначально даже в крупных городах абонентов было немного. Поэтому вполне достаточно было одной городской телефонной станции. Причем, как было установлено практикой, одна телефонистка, могла обслуживать не более 100 номеров.

Когда этот предел был достигнут, новые телефоны пришлось выводить на новый коммутатор и сажать за него другую телефонистку. По мере увеличения количества абонентов на телефонной станции происходило увеличение количества коммутаторов и телефонисток.

Чем больше становилось коммутаторов, тем острее вставал вопрос: как соединить два телефона, если их ячейки с контактами находятся на разных коммутаторах? Пока коммутаторных панелей было немного, их можно было располагать рядом. До какого-то момента можно было увеличивать длину соединительного штекера. Но когда счет пошел на тысячи абонентов, а значит, на десятки коммутаторов, стало очевидно, что выход из этого положения лежит на пути создания принципиально иной системы коммутации.

В результате этого появился автоматический коммутатор с декадно-шаговым искателем, создателем которого считается американский изобретатель владелец похоронной конторы А.Б. Строутжер.

Свое название этот коммутатор получила от того, что в основу поисковой системы был положен принцип объединения всех абонентов в десятки (декады), десять десятков - в сотню, десять сотен - тысячу и т.д. Этот принцип действует до сих пор. И если мы набираем семизначный петербургский номер, то первая цифра означает номер миллиона, вторая - номер сотни тысяч, третья - десятка тысяч, четвертая - тысячи, пятая - сотни, шестая десятка, седьмая номер в этой десятке.

На телефонной станции сгруппированные таким образом контакты всех телефонов стали выводить на панель (по десять на каждой) и располагать их полукругом. Над первой панелью была установлена вторая, над нею третья, четвертая и так до десяти. В результате получалось что-то вроде десятиэтажного здания. Контакты каждой сотни тоже выводились на панель (по десять на каждой), эти панели тоже размещались в десять «этажей». И так далее.

Поскольку все контакты были объединены в блоки по сто в каждом, рассмотрим, как работала эта система на примере одного из таких блоков. В в центре полукруга находилась ось, на которой параллельно к панелям крепился металлический стержень - «щетка». Над щеткой находился один электромагнит, у основания оси - другой. Когда начинал действовать первый магнит, «щетка» поднималась вверх, когда включался второй магнит, ось, а вместе с нею и щетка начинали вращаться.

Вращение оси осуществлялось с помощью специальной шестеренки, которая находилась на ней. Рядом с шестеренкой были установлены «собачка» и небольшой электромагнит. При замыкании цепи электромагнит притягивал к себе «собачку», она приходила в движение, касалась зубца шестеренку и сдвигала ее на один шаг. При размыкании цепи «собачка» возвращалась в свое прежнее положение.

Сняв трубку и соединившись с АТС, абонент набирал необходимый ему номер и тем самым соответствующее количество раз размыкал и замыкал цепь. Когда абонент набирал первую цифру, то соответствующее количество раз замыкался и размыкался первый магнит, который притягивал к себе «щетку» и на соответствующее количество шагов (этажей) поднимал ее вверх. Когда абонент набирал вторую цифру, подобным же образом включался и выключался второй магниты, который соответствующее количество раз приводил в движение «собачку», она - ось, вместе осью на определенное количество градусов поворачивалась щетка, которая останавливаясь, замыкала необходимый контакт.

Популярное описание этого механизма можно найти в книге Эмила Кондзиерски «Алло! Кто у телефона?».

Первые автоматические телефонные станции, АТС появились в США уже в конце XIX в.

Созданная в конце XIX в. система АТС существует до сих пор. Единственно, что изменилось за это время - механизм автоматической коммутации.

Получивший широкое распространение декадно-шаговый искатель имел три важных недостатка: невысокую скорость действия, низкое качество соединения и быструю изнашиваемость.

Поиски путей усовершенствования автоматической телефонной коммутации начались не позднее 1900 г. и привели к изобретению координатного искателя, который в 1915 г. запатентовал инженер Western Electric Д.Н. Рейнольдс, а в 1919 г. продемонстрировал шведский инженер Готтхильф Бетуландер. В основе этой системы коммутации лежала идея перекрестного соединения абонентов, которая была предложена еще Т. Пушкашом, с той лишь разницей, что роль соединительного клинышка стал играть автоматический искатель.

Первая АТС оснащенная координатными искателями была открыта в 1923 г. в Швеции в городе Готеборг. В 1938 г. первая координатная АТС появилась с США. Однако дальнейшее распространение координатного искателя задержала начавшаяся в 1939 г. Вторая мировая война. Только после ее окончания он постепенно стал оттеснять декадно-шаговый искатель на второй план. В нашей стране первая координатная АТС была пущена в эксплуатацию в 1957 г..

Почти одновременно с созданием координатного искателя появилась электроника, которая открыла возможность создания новой, электронной или безконтактной коммутации.

Электронный коммутатор представляет собою «электровакуумный многоконтактный переключатель, в котором переключение производится сфокусированным потоком электронов (электронным лучом), перемещаемым по контактным электродам электрическим или магнитным полем».

Однако электронные лампы стоили очень дорого. Поэтому не только декадно-шаговый, но и координатный искатель были намного дешевле электронного. В связи с этим первоначально на АТС электронными лампами стали заменять лишь отдельные детали, в результате чего сначала появились «гибридные» и только позднее полностью электронные АТС.

Первая аналоговая электронная АТС была открыта в 1965 г. в штате Нью-Джерси. Таким образом, едва завершился переход от декадно-шагового искателя к координатному, как начался переход от механического коммутирования к электронному.

Совершенствование средств коммутации способствовало постепенному расширению сети абонентов.

В 1876 г., когда телефон еще только-только появился на свет, было выпущено около тысячи телефонных аппаратов. В 1890 их количество превысило 200 тыс., в 1922 г., когда умер А.Г. Белл, их было уже около 25 млн..

Если учесть, что в то время на планете проживало 2 млрд. чел., получится, что один телефон приходился примерно на 80 человек, а если принять среднюю семью в составе 4 человек, на 20 семей.

В действительности картина была еще более скромной, так как к тому времени телефонизация захватила главным образом Америку и Европу, причем на США приходилось 13 млн. телефонов. Поэтому если здесь телефоны имела каждая вторая семья, в остальных странах телефон приходился на 150 человек. За пределами телефонизации в 20-е годы оставались почти вся Азия, Африка, Латинская Америка, Австралия.

В 1928 г. насчитывалось 30 млн. телефонных аппаратов, в 1958 -около 120 млн., в 1974 г. - 330 млн.. К этому времени население планеты увеличилось до 4 млрд. чел., а количество семей примерно до миллиарда. Следовательно, к тому времени телефонизация захватила примерно треть населения планеты.

В России первые опыт использования телефона относится к 1879-1980 гг. Только после этого, в 1881 г. был заключен контракт на телефонизацию Петербурга, Москвы, Варшавы, Одессы, и Риги.

В 1885 г. в России насчитывалось менее 2 тыс. телефонов, к 1 января 1898 г. - 22 тыс., к 1 января 1917 г. - 232 тыс.

А поскольку в 1914 г. численность населения страны (без Финляндии) составляла около 150 млн. чел., очевидно, что к этому времени телефонизация страны находилась еще в самом начале.

Революция 1917 г. и последовавшая за этим гражданская война нанесли серьезный ущерб не только промышленности и сельскому хозяйству, но и средствам коммуникации, в том числе связи. К 1 января 1921 г. количество телефонов сократилось до 127 тыс.

Предпринятые советским правительством меры привели к тому, что в 1940 г. количество телефонов превысило миллион.

Великая Отечественная война снова отбросила нашу страну назад. После ее окончания был не только восстановлен довоенный уровень, но и сделан значительный шаг вперед. В 1965 в СССР насчитывалось 4 млн. телефонов, в 1974 г. - 16 млн., в 1990 г. - 37 млн.. Если в середине 70-х годов телефоны имело около четверти населения страны, то к началу 90-х более половины.

К этому времени в завершающую стадию вступила телефонизация и других стран. В 2000 г. на планете было уже 1,5 млрд. телефонов. Если принять во внимание численность населения к этому времени - около 6 млрд. чел. и взять среднюю семью в размере 4 человек, мы получим около 1,5 млрд. семей. Следовательно, к концу XX века телефонизация была завершена.

4. У истоков цифровой революции

«Во времена Белла и Голубицкого, - пишет М.С. Самарин, - телефон создавался по принципу: чем чувствительнее прибор, чем более естественно воспроизводится голос человека, тем лучше. О каких-либо других критериях тогда просто не думали». И лишь потом стало известно «более десятка параметров», от которых зависит телефонная связь.

По мере развития телефонизации на этом пути возникли те же самые проблемы, как и в телеграфии. Прежде всего, это касалось использования телефонных кабелей. Многое из того, что к этому времени было накоплено в телеграфии, затем использовалось в телефонной связи.

Однако очень быстро обнаружилось, что телефонная и телеграфная связь имеют не только много общего, но и существенные различия.

Для того, чтобы понять это, зададимся вопросом: почему первая телеграфная линия соединила Европу и Америку примерно через 40 лет после изобретения электромагнитного телеграфа, а первая трансатлантическая телефонная линия появилась через 80 лет после создания телефона. И это несмотря на то, что в первом случае все приходилось начинать с чистого листа, а втором случае можно было использовать опыт, накопленный в телеграфии?

Следует обратить внимание на то, что преодолевая сопротивление, электрические сигналы постепенно теряют первоначальную энергию и, если можно так сказать, угасают. Как совершенно верно отмечал Аннабел Додд, передачу электрических сигналов «можно сравнить с пропусканием воды через трубу. По мере того, как водный поток несется по трубе все дальше, он все больше теряет свою силу».

Это касается и телеграфа, и телефона.

Столкнувшийся с этой проблемой при прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля, В. Томсон (Кельвин) вывел формулу, которая гласит: «Скорость телеграфирования по кабелю обратно пропорциональна квадрату его длины. Другими словами, если увеличить длину кабеля, например, в 10 раз, то скорость передачи уменьшится в 100 раз».

Между тем в прохождении телеграфных и телефонных сигналов по кабелю существует принципиальное различие. Если телеграф может работать на частоте в 100-200 гц, то для передачи речи требуется от 300 до 3400 герц, т.е. почти в 20 раз больше.

Между тем «высочастотные сигналы затухают быстрее низкочастотных». Неслучайно, «когда мы слышим духовой оркестр на большом расстоянии, то до нас доносятся прежде всего звуки барабана, а не флейты». Следовательно, скорость затухания телефонных сигналов во много раз выше телеграфных.

А значит, для телефонной связи требуется в несколько раз больше электрической энергии, чем для телеграфной, и осуществление телефонной связи на дальнее расстояние связано с большими трудностями.

В книге уже упоминавшегося Артура Кларка приводится следующий пример: «Если бы для передачи по первому трансатлантическому телефонному кабелю использовали энергию всех существовавших на земле электростанций, то все равно уже через 370 км по длине кабеля, т.е. на расстоянии всего лишь одной десятой пути через Атлантику, передаваемую энергию трудно было бы обнаружить даже с помощью самых чувствительных приборов».

И хотя в данном случае мы, по всей видимости, имеем дело с преувеличением, главное заключается в том, что особенности телефонной связи первоначально делали невозможной прокладку телефонных линий на дальние расстояния.

Выход из этого положения открылся только после того, как в начале 900-х годов американский физик серб по национальности Михаил Пупин и датчанин Э. Краруп предложили использовать для увеличения дальности передачи повышение индуктивности телефонного кабеля и этой целью устанавливать на телефонных линиях специальные индуктивные катушки, способные усиливать проходящие по проводам электрические сигналы. Это позволило увеличить дальность передачи в несколько раз.

Однако, как установил английский физик Оливер Хэвисайд, индуктивность кабеля и его емкость (т.е. пропускная способность) находятся в обратной пропорциональной зависимости. Иначе говоря, повышение индуктивности сопровождается сокращением пропускной способности телефонного кабеля и наоборот.

В связи с этим начались поиски замены индуктивных катушек другими видами усилительных устройств.

Так в поле зрения специалистов по телефонии оказались электронные лампы, на основании которых в 1912-1913 гг. был создан так называемый регенератор (подробнее глава 5). Возможности регенераторных усилителей удалось продемонстрировать в 1915 г., когда с их помощью была установлена трансконтинентальная телефонная связь между Нью-Йорком и Сан-Франциско.

В том же году русский ученый В.И. Коваленков (1884-1960) продемонстрировал возможность использования в качестве усилителей специального устройства - реле.

«Реле (от французского relais) - аппарат, приводимый в действие маломощным импульсом (телеграфный сигнал, параметр контролируемого процесса) и приводящий в действие, за счет энергии местного источника, более мощное устройство (приемник телеграфного аппарата, сигнальное устройство, орган управления, регулятор)».

Несмотря на то, что подобные усилители появились в 1915 г., практическое их использование началось только в 20-е годы после окончания Первой мировой войны. И тогда же появилась идея сооружения телефонной линии между Европой и Америкой. Однако начавшийся в 1929 г. экономический кризис, а затем вспыхнувшая в 1939 г. Вторая мировая война отвлекли внимание от решения этой проблемы.

Между тем в это время произошло еще одно важное событие. Если до 1930-х гг. использовали низкочастотные симметричные кабели, то в 1930-е гг. началось внедрение высокочастотных коаксиальных кабелей.

«Коаксиальный кабель (от лат. «сo» - совместно и «axil» - ось) - кабель, состоящий из двух изолированных между собой концентрических проводников, из которых внешний имеет вид трубки».

Первой страной, которая воспользовалась возможностями, открывшимися в области дальней телефонной связи, стал Советский Союз. В 1939 г. здесь вступила в строй на тот момент самая протяженная телефонная линия Москва - Хабаровск длиной в 8500 км.

Только после этого был возрожден проект создании трансатлантической телефонной линии. В 1952 г. приступили к ее проектированию, в 1954 г. - к изготовлению кабеля. Основная работа по прокладке двух кабельных линий, получивших название ТАТ-1, была выполнена за время навигаций 1955 и 1956 гг. Длина ТАТ-1 превысила 3500 км. Официально трансатлантическая телефонная линия вступила в действие 25 сентября 1956 г.

Вслед за этим был разработан проект создания Глобальной телефонной линии, которая должна была иметь протяженность не менее 50000 км. Цель названного проекта заключалась в том, чтобы объединить телефонные линии отдельных стран и компаний в общую глобальную систему. Его реализация началась в 1961 г. К середине 60-х годов на планете было уже более 80 тысяч км телефонных линий.

Использование усилителей хотя и открыло широкие перспективы для развития телефонной связи, в то же время породило новые проблемы. Дело в том, что усиление затухающих электрических сигналов сопровождалось одновременным усилением возникавших на телефонной линии помех.

Подобные помехи существуют и в телеграфных линиях, но они не влияют на содержание передаваемой информации, т.е. на сам набор электрических импульсов, с помощью которых кодируется телеграмма.

В связи с этим возникла идея после преобразования звуковых сигналов в электрические колебания передавать по телефонным линиям не сами эти колебания, а закодированную определенным образом информацию о них, с тем, чтобы на приемном пункте ее можно было бы раскодировать и преобразовать в первоначальные электрические колебания, а их - в звуковые сигналы.

Первым эту идею сформулировал сотрудник ИТТ Алек Ривс (A. H. Reeves) (1902-1971). В 1938 г. он взял патент на преобразование аналоговых телефонных сигналов в набор цифр, которое получило название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ)

В конце 1940-х - начале 1950- гг. независимо друг от друга во Франции, СССР и США был изобретен другой способ преобразования аналоговых сигналов в цифровые, получивший название дельта - модуляции (ДМ).

Несмотря на то, что идея ИКМ была запатентована в 1938 г., до ее практического осуществления прошло не одно десятилетие. Причина этого заключается в том, что процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровые, а затем цифровых в аналоговые требует особой точности, которой удалось добиться только благодаря математике.

Основу для математического решения данной проблемы заложил американский ученый Гарри Найквист (1889-1976), который в 1924 г. опубликовал статью, посвященную определению ширины частотного диапазона, требуемого для передачи информации, а в 1928 году статью «Определенные проблемы теории телеграфной передачи», в которой математически доказал, что «число независимых пульсов, которые могут быть переданы в единицу времени без искажений, ограничено двойной шириной частотного диапазона канала связи».

Независимо от Г. Найквиста к подобным же выводам пришел советский физик Владимир Александрович Котельников (1908-2005), доказавший, что «любой сигнал может быть восстановлен на приемной стороне, если частота тактовых импульсов вдвое больше превышает высшую частоту передаваемого сигнала». Однако первая его публикация на эту тему появилась лишь в 1933.