Радиотехника. В. И. Левченко Минобрнауки России, Омгту. Омск Издво Омгту
 Скачать 4.77 Mb.
|
|
2.1.1. Передача дискретных сообщений с помощью звука Примером звукового телеграфа, известным с древних времен, является барабанный телеграф»африканских племен. Барабаны издавал два тона – высокий и низкий. Это позволяло осуществлять своеобразное тональное кодирование и по тональному рисунку фразы можно было судить о переданной информации. В России известноиспользованиевыстрелов вкачестве звуковых сигналов для передачи информации. В 1796 г. информация о начале коронации Павла I в Москве была передана в Петербург на расстояние 600 км 3000 солдатами, расставленными на расстоянии 200 мдруг от друга. У каждого солдата на реакцию на выстрел соседа и производство очередного выстрела 30 уходило в среднем по 4 секунды. Таким образом, информация была доставлена за 3 часа, те. со скоростью распространения 166 м в секунду. 2.1.2. Передача дискретных сообщений оптическими способами Еще 450 лет дон. э.древнегреческим мыслителем Демокритом был изобретен способ передачи информации с помощью горящих факелов. Он предложил разбить греческий алфавит на группы по пять букв и передавать с помощью факелов номер группы и номер буквы в группе. Греческий факельный телеграф рис. 2.1) можно считать одним из первых оптических телеграфов. В 1684 г. английский ученый Роберт Гук предложил «безфакельный» способ оптической телеграфии. Предложенная им конструкция состояла из деревянной рамы, один угол закрывался досками и служил загородкой. За загородкой находились предметы различной формы, обозначавшие буквы или целые фразы. Для передачи сообщений каждый такой предмет перемещался в пустой угол рамы и его было видно на другой станции (рис. 2.2). Для увеличения дальности Гук предложил использовать зрительные трубы. Телеграф Гука использовался в английском флоте почти до конца XVIII в. Дальнейшим шагом в развитии безфакельных способов оптического телеграфирования явилось изобретение семафорного телеграфа риса, изобретенного французским механиком Клодом Шаппом в 1780 г. В 1794 г. под его руководством была построена первая семафорная линия передачи длиной 225 кммежду Парижем и Лиллем (рис. 2.3, б, которая состояла из 22 станций. Всю линию сигнал проходил за 2 минуты (1875 мс. Каждая Рис. Факельный телеграф Рис. 2.2. Схема безфакельного оптического телеграфа Гука 31 станция представляла собой башню, на которую устанавливалась мачта с подвижными рейками, с помощью которых можно было создавать 196 различных фигур. Ночью на сигнальных рейках зажигались огни. а б Рис. 2.3. Семафорный телеграф К. Шаппа: а – устройство б – линия ретрансляции В развитие семафорного телеграфирования весомый вклад внеси знаменитый русский изобретатель Иван Петрович Кулибин,который в 1794 г. дал своему варианту семафорного телеграфа название «дальноиз- вещающяя машина В этом телеграфе он применил изобретенный им фонарь сотражающим зеркалом.Это позволяло строить промежуточные станции на больших расстояниях и использовать телеграф даже в небольшой туман. Он также применил упрощенный код передачи сигналов, который позволял передавать не только знаки, но также слоги и даже небольшие словочетания, что существенно ускоряло процесс передачи информации. Семафорный телеграф Кулибина был использован для связи Севастополя с другими пунктами побережья Чёрного моря, но несмотря на отличное качество он не получил достаточно широкого применения, видимо из-за слабого рекламного сопровождения продукта. Просуществовал семафорный телеграф около 50 лет вплоть до появления электрического телеграфа. Вытесненный сведущей роли при осуществлении дальней связи, оптический телеграф до сих пор применяется, например, на флоте для передачи сигналов с помощью флажков (рис. 2.4). 32 Рис. 2.4. Семафорная азбука Для регулирования автомобильного движения широко применяется упрощенная разновидность оптического семафора – светофор рис. 2.5). Недостатки оптических методов передачи информации в открытом пространстве обусловлены зависимостью расстояния связи от расстояния прямой видимости (высоты башен или мачт, яркости или контрастности источника, силы посторонней засветки, метеоусловий. Новый виток развития оптической связи начался во второй половине ХХ в. с изобретением оптоволокна. Технология волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) обеспечивает в настоящее время передачу самых больших потоков информации. 2.1.3. Передача дискретных сообщений с помощью электрических сигналов В 1753 г. шотландский учёный Шарль Мориссон предложил идею проводного телеграфа с использованием электростатической машины рис. 2.6). Однако практического значения такого рода телеграф не смог получить из-на неустойчивой работы, обусловленной сверхвысокими требованиями к изолирующим свойствам окружающей среды, препятствующим стеканию зарядов. Рис. 2.5. Светофор 33 Рис. 2.6. Схема первого электростатического телеграфа Электрическая телеграфия стала давать хорошие результаты только тогда, когда в ней стали применять не статическое электричество, а электрический ток. Первый телеграф, основанный на химическом действии тока, изобрел в 1809 г. немецкий ученый Самуил фон Земмеринг. Телеграф состоял из батареи и подключаемых к ней 35 проволок. Их концы на другой стороне линии связи были погружены в слабый раствор серной кислоты. При прохождении тока на одной из проволок выделялся водород в форме наблюдаемых пузырьков газа. Каждой проволоке соответствовал определенный знак, буква или цифра. Этим способом Земме- ринг достиг дальности передачи информации до 3 км. Однако из-за неудобства эксплуатации электролитический (пузырьковый) телеграф Зем- меринга не нашел широкого практического применения. В 1820 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед открыл воздействие электрического тока на магнитную стрелку, а в 1832 г. русский инженер Павел Львович Шиллинг на основе эффекта Эрстеда и телеграфа Земме- ринга изобрел электромагнитный телеграфный аппарат. В отличие от аппарата Земмеринга каждый из шести проводов в этом аппарате заканчивался катушкой индуктивности, внутри которой на нити была подвешена магнитная стрелка, имеющая три положения (0, 90 и 180 градусов. На тех же нитях были закреплены кружки, у которых одна сторона была окрашена в черный цвета другая была белой. Аппарат имел шесть пар черных и белых клавиш, с помощью которых в каждый провод можно было подать ток положительной или отрицательной полярности. Если никакая клавиша не нажималась, то кружки были повернуты к оператору ребром. Если нажималась черная клавиша, то соответствующий кружок поворачивался к оператору черной стороной. Если же нажималась белая клавиша, то кружок поворачивался белой стороной. Передача сообщения шла кодированием каждой буквы положениями магнитных стрелок, а визуально сочетаниями черно-белых кружков (рис. 2.7) Рис. 2.7. Пример кодовой комбинации в телеграфе ПЛ. Шиллинга Таким образом, по сути ПЛ. Шиллинг разработали использовал равномерный шестиразрядный двоичный код. 21 октября 1832 г. ПЛ. Шиллинг продемонстрировал работу изобретения в своей петербургской квартире на Царицыном лугу.Этот день вошел в историю мировой техники как начало развитияэлектромагнитной телеграфии. Впоследствии Шиллинг пришел к современному методу передачи сообщений по двум проводам двоичным кодом. Двоичный неравномерный код лег в основу всего дальнейшего развития телеграфии вплоть до изобретения буквопечатающих телеграфных аппаратов. В 1837 г. английские физики Уинстон и Кукпредложили стрелочный телеграфный аппарат с автоматической регистрацией принимаемого сообщения, состоящий из круга, по краю которого были нанесены обозначения букв и цифр (рис. 2.8). На передающей и приемной сторонах круги телеграфных аппаратов вращались синхронно посредством электрических импульсов, каждый из которых поворачивал одновременно на один шаг оба круга на передающей и приемной сторонах. Рис. 2.8. Стрелочный телеграф Уинстона 35 Со временем стрелочные аппараты стали постепенно вытесняться пишущими аппаратами. Один из первых пишущих телеграфов был создан академиком Российской Императорской академии наук Борисом Семеновичем Якоби. Условные знаки в этом приборе записывались на движущейся фарфоровой доске карандашом, прикреплённым к якорю электромагнита (рис. 2.9). Рис. 2.9. Схема пишущего аппарата Б. С. Якоби Академик Б. С. Якоби создал также первый в мире буквопечатающий телеграфный аппарат На приемной и передающей сторонах синхронно вращались типовые колеса, на внешних ободах которых были выгравированы буквы и цифры (рис. 2.10). Когда нужная буква на передающей стороне оказывалась внизу, то вырабатывался импульс, который на приемной стороне прижимал такое же типовое колесо к пишущей ленте, иона отпечатывала эту букву. Рис. 2.10. Схема буквопечатающего аппарата Б. С. Якоби 36 В 1837 г. американец Сэмюэл Морзе изобрел электромагнитный телеграфный аппарат с автоматической регистрацией сообщения рис. 2.11). В этом аппарате с помощью электромагнита пишущее перо прижималось к двигающейся бумажной ленте. Морзе предложили особый метод кодирования, который получил название азбука Морзе, используемая ив наше время (рис. 2.12). Рис. 2.11. Телеграфный аппарат Морзе Рис. 2.12. Пример текста на телеграфной ленте, переданного кодом Морзе, с расшифровкой (буквы вверху) Код Морзе состоит из двух элементов «1» – воспроизводится гармонический сигнал, «0» – сигнал отсутствует, что соответствует паузе. Если передается один элемент «1», то это точка. Если элемент «1» повторяется непрерывно трижды «111», то это тире. Один элемент «0» – пауза между точками и тире Три элемента «0», те пауза между знаками. 37 Передаваться и приниматься азбука Морзе может с различной скоростью это зависит от возможностей и опыта радистов. Обычно средней квалификации радист работает в диапазоне скоростей 60–100 знаков в минуту. Достижения по скоростным приёму-передаче находятся в диапазоне скоростей 220–260 знаков в минуту. В мае 1844 г. под руководством Морзе была построена телеграфная линия между Вашингтоном и Балтимором общей протяженностью 65 км. По этой линии С. Морзе публично продемонстрировал передачу кодового сообщения (О, Господи, что ты сотворил. Эта первая телеграфная линия Морзе обеспечивала скорость 5 бит/с (0,5 буквы. K нaчaлy 60-x гг. XIX в. в России работала широкaя телеграфная сeть: построены линии Пeтepбург – Москва, Пeтepбург – Bapшaвa, кв – ив, Москва – Кaзaнь и д. C конца 60-x годов XIX в. в России широкое распространение получил телеграфный аппарат другого американского конструктора Дэвида Эдуарда Хъюза. Передатчик этого аппарата имел клавиатуру типа рояля, с 28 белыми и черными клавишами, на которые были нанесены буквы и цифры рис. 2.13). В 1865 г. аппараты Хъюза были установлены для организации телеграфной связи между Петербургом и Москвой, затем распространились по всей России. Данные устройства широко применялись вплоть дох гг. XX в. Рис. 2.13. Телеграфный аппарат Д. Хъюза В 1874 г. французский изобретатель Жан Морис Эмиль Бодо создал равномерный телеграфный код код Бодо). В нем использовались два вида сигнала – «0» и «1». Длина кодовых последовательностей всех символов 38 была одинаковая и равна пяти. Каждая пятерка сигналов соответствовала одной букве (знаку) текста. Благодаря этой идее удалось создать буквопечатающий телеграфный аппарат, имеющий вид пишущей машинки. Нажатие на клавишу с определенной буквой приводило к формированию одной пяти- элементной кодовой комбинации, которая передавалась по линии связи. В честь Бодо была названа единица скорости передачи информации – бод бит/с – 1 двоичный символ «0» или «1» в секунду. Впоследствии код Бодо был воспринят повсеместно и получил наименование Международный телеграфный код № 1 (МТК № Модифицированная версия кода МТК № 1 получила название МТК № 2. Телеграфный трёхрегистровый код МТК-2 был принят в СССР в 1963 г. Поскольку битовый код позволял передать всего 32 разные комбинации, тов коде МТК-2 был использован регистровый принцип, состоявший в том, что одними и теми же комбинациями, в зависимости от используемого регистра, передавались либо русские, либо латинские буквы, либо цифры и знаки препинания. Буквы Ъ, «Ё» были исключены, а вместо цифры «4» использовали букву Ч (рис. 2.14). Для переключения между регистрами использовались три кодовые комбинации. На перфоленте (рис. 2.15) значению «1» соответствовало наличие отверстия, а значению «0» – отсутствие отверстия. Рис. 2.14. Телеграфный код МТК № 2 39 Рис. 2.15. Телеграфный код МТК № 2 на перфоленте Существенным недостатком кода МТК-2 являлось то, что возникновение ошибки при приеме регистровой комбинации приводило к ошибочному приему всех последующих знаков вплоть до очередной смены регистра. Этот недостаток был уменьшен в международном коде МТК-5, принятом в 1966 г, в котором использовались элементные последовательности, позволявшие создавать 2 7 = 128 знаков, а при введении одного регистра увеличить это число до 256. Примеры кодовых комбинаций МТК-5: 1100001 – А, 1000001 – а, 1100010 – Б, 1000010 – бит. д, 0001110 – латинский регистр, 0001111 – русский регистр. Совершенствование аппаратов Бодо привело впоследствии к созданию телепринтеров (телетайпов. С 1935 г. в России широко использовались отечественные телеграфные аппараты СТ, ас г. – СТАМ рис. 2.16). Рис. 2.16. Телеграфный аппарат СТАМ В наше время телеграфная связь осуществляется по каналам частотного телеграфирования, организованного преимущественно по кабельным, радио- и радиорелейным линиям связи (рис. 2.17). 40 Рис. 2.17. Принцип частотной модуляции телеграфных сигналов Основным преимуществом частотного телеграфирования явилось то, что оно позволяет водном стандартном телефонном канале с полосой около 3 кГц организовать от 17 до 44 телеграфных каналов. Частотное телеграфирование оказалось настолько удобным, экономичными надежным, что в настоящее время телеграфные каналы постоянного тока применяются все реже. Тенденция развития электрической телеграфии характеризуется все большим переходом к передаче данных на основе компьютерных информационных технологий. ИСТОРИЯ ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ. Первый телефон А. Белла Потребность в непосредственном живом человеческом общении на большом расстоянии в режиме реального времени привели к созданию телефонной связи. В 1876 г. американский ученый, изобретатель и бизнесмен Aлександр Грэхем Бeлл запатентовал телефон, названный им говорящий телеграф рис. 2.18). Рис. 2.18. Телефон Белла 41 2.2.2. Принципы действия телефонных микрофонов В телефоне Белла использовался принцип изменения магнитного потока постоянного магнита в соответствии с колебаниями гибкой металлической мембраны микрофона (рис. 2.19). Этот магнитный поток вырабатывал электрический ток в катушке индуктивности, который по проводам передавался по линии связи и, проходя через аналогичную катушку на приемном конце, создавал переменный магнитный поток, вызывающий колебания мембраны слуховой трубки. Эффект был слабый, а поскольку усилителей тогда еще не было, дальность связи была небольшой, не болеем. Рис. 2.19. Принцип действия телефона Белла В1877г. Белл открыл первую в мире телефонную компанию Белл Телефон Компании начал упорную работу по усовершенствованию своего детища. Он применил для увеличения расстояния передачи угольный микрофони питание от батарей. В таком виде телефон благополучно просуществовал более ста лет. Идея использования прессованного угля для получения микрофонного эффекта принадлежала американскому изобретателю Д. Юзу, доложившему о своем изобретении 9 мая 1878 г. рис. 2.20). Большой вклад в развитие телефонной связи внёс американский изобретатель Томас Эдисон. В 1878 гон усовершенствовал телефонный ап- Рис. 2.20. Принцип действия угольного микрофона Юза 42 парат, в котором применил микрофон на основе угольного порошка и ввел в схему телефона индукционную катушку (рис. 2.21). Благодаря этому громкость и качество звука в тогдашних телефонных аппаратах были улучшены на порядок. Его изобретение использовалось вплоть дог. Кстати, именно Т. Эдисон впервые предложил использовать для обращения по телефону слово “Hello” (Алло. Рис. 2.21. Принцип действия угольного микрофона Эдисона Кг. число патентов различных изобретателей, связанных стеле- фоном, достигло 3000. В настоящее время, кроме угольных микрофонов, уходящих в прошлое, в телефонной связи применяются электродинамические, электромагнитные, электростатические (конденсаторные и электретные) и пьезоэлектрические. Микрофоны характеризуются следующими параметрами 1) чувствительностью 2) номинальным диапазоном рабочих частот 3) неравномерностью частотной характеристики 4) характеристикой направленности 5) уровнем собственного шума микрофона Как правило, в 95 % современных телефонных аппаратов применяются электретные микрофоны, являющиеся разновидностью конденсаторных микрофонов, которые имеют повышенные электроакустические и технические характеристики (рис. 2.22). 43 Рис. 2.22. Внешний вид и схема включения конденсаторного микрофона На рис. 2.22 приведена схема, объясняющая принцип работы конденсаторного микрофона. Выполненные из электропроводного материала подвижная пластина (мембрана) и неподвижная пластина изолированы друг от друга и представляют собой конденсатор. Мембрана под воздействием звукового давления совершает колебательные движения относительно неподвижного электрода. Конденсатор включен в электрическую цепь последовательно с источником напряжения постоянного тока и сопротивлением R. Приколе- баниях мембраны ёмкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления. В электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает переменное напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона. В электретных микрофонах постоянное напряжение обеспечивается зарядом электрета, тонким слоем нанесённого на мембрану и сохраняющего этот заряд продолжительное время (свыше 30 лет. Пьезоэлектрические микрофоны основаны на пьезоэффекте, заключающемся в том, что при механическом, в том числе акустическом, воздействии на пластине сегнетоэлектрика возникает электрическое напряжение (рис. 2.23). Рис. 2.23. Устройство пьезоэлектрического микрофона 1 – пьезоэлектрическая пластина 2 – металлическое покрытие 3 – изолирующие прокладки 44 |