Радиотехника. В. И. Левченко Минобрнауки России, Омгту. Омск Издво Омгту
 Скачать 4.77 Mb.
|
|
2.2.3. Телефонные сети Огромное значение для развития телефонной связи имела схема телефонной станции, предусматривающая принцип электропитания от центральной батареи, предложенная в 1885 г. русским изобретателем – отцом русского телефона П. М. Голубицким (до этого питание было местным к каждому аппарату присоединялась своя батарея. Эта система позволила создать центральные телефонные станции с десятками тысяч абонентских точек. Система АТС Голубицкого применяется до сих пор. П. М. Голубицкий сконструировал настольный телефонный аппарат с рычагом для автоматического переключения с помощью изменения положения телефонной трубки. В 1915 г. инженер В. И. Коваленков разработали применил в России первую дуплексную телефонную трансляцию на триодах Установка на линии телефонной связи такого промежуточного усилительного пункта позволяла значительно увеличить дальность передачи. Дох гг. XX столетия развитие телефонии носило эволюционный характер. Изменения системы телефонной связи имели характер количественного увеличения емкости и пропускной способности сетей и улучшения показателей качества обслуживания. Второй период развития телефонии, начавшийся в е годы XX в, внес в нее радикальные изменения. Основой телефонии стали новые технологии – электронная технология позволила перевести все аппаратные средства телефонии на электронную элементную и технологическую базы – цифровая технология на основе представления различных видов информации в единой цифровой форме интегрировала обслуживание различных видов связи, а также объединила системы передачи и коммутации – компьютерная технология, которая привела к созданию систем и сетей с интеграцией услуга также к телефонии, обеспечивающей передачу речи по сетям пакетной коммутации через сеть Интернет. В 2003 г. была создана программа Skype (www.s куpe.соm), совершенно бесплатная и не требующая от пользователя практически никаких знаний ни для ее установки, ни для использования. Она позволяет разговаривать в режиме видеосопровождения с собеседниками, находящимися у своих компьютеров в разных концах света. 45 Вот такой длинный путь в развитии средств связи проделало человечество от сигнальных костров и барабанов до сотового мобильного телефона, который позволяет практически мгновенно связаться двум людям, находящимся в любых точках нашей планеты. При этом, несмотря на большие расстояния, у абонентов создается ощущение личного общения. Стремительно развивается такой способ телефонии, как мобильные сотовые сети связи,о которыхречь пойдет в отдельной лекции после того, как мы рассмотрим историю развития радиосвязи. Контрольные вопросы к теме 2 1. Первые неэлектронные способы передачи телеграфной информации. 2. Исторические примеры, особенности и недостатки звуковых методов телеграфирования. 3. Исторические примеры, особенности и недостатки оптических способов телеграфирования. 4. Области использования принципа оптического семафора для передачи информации в настоящее время. 5. На чем основаны современные оптические методы передачи информации. Примеры и принципы действия первых электрических телеграфных аппаратов. 7. Русский инженер-изобретатель телеграфного аппарата с использованием эффекта воздействия электрического тока на магнитную стрелку. 8. Особенности кода Морзе. 9. Изобретатель, именем которого названы единица скорости передачи информации и изобретенный им код. 10. Принцип действия оптического телеграфа Шаппа и недостатки первых оптических телеграфов. 11. Принцип действия электрического телеграфа Шиллинга. 12. Особенности телеграфных кодов МТК-2 и МТК-5. Использование регистрового принципа при кодировании. 13. Принцип частотной телеграфии. 14. Принцип действия первого телефона А. Белла. 15. Принципы действия микрофонов Юза и Эдиссона. 16. Принципы действия конденсаторного, электретного и пьезоэлектрического микрофонов. 46 17. Основные характеристики микрофонов. 18. Новые технологии и тенденции развития телефонии. Список рекомендуемой литературы 1. Штыков, В. В. Введение в радиоэлектронику : учебники практикум для вузов / В. В. Штыков. – е изд, испр. и доп. – М. : Юрайт, 2016. – 271 с. 2. История связи и перспективы развития телекоммуникаций : учеб. пособие Ю. Д. Украинцев, МА. Цветов. – Ульяновск : УлГТУ, 2009. – 128 с. 3. Введение в специальность Радиоэлектронные системы / ИВ. Вознесенский и др ; под ред. В. П. Митрохина. – М. : Изд-во MГТУ им. Н. Э. Бау- мана, 2009. – 64 с. 4. Марченко, МВ. Системы документальной электросвязи : учеб. пособие по дисциплине Системы документальной электросвязи для студентов дневной формы обучения специальности 200900 Телекоммуникации / МВ. Марченко. – Ульяновск : УлГТУ, 2007. – 90 с. Левченко, В. И. Введение в специальность «Инфокоммуникационные технологии и системы связи Электронный ресурс : конспект лекций / В. И. Левченко. – Изд-во ОмГТУ, 2013. – 1 эл. опт. диск (CD-ROM). 6. История связи : информ. дайджест / Архангельский колледж телекоммуникаций (филиал) Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. МА. Бонч-Бруевича. – Архангельск, 2011. – Режим доступа http://do.znate.ru/docs/index-14052.html (дата обращения февраль 2017 г. 7. Цверава, Г. К. Михайло Пупин: к 135-летию со дня рождения и 90- летию изобретения способа дальней телефонной связи / Г. К. Цверава // Электросвязь ежемес. науч.-техн. журн. по проводной и радиосвязи, телевидению, радиовещанию. – 1990. – № 1. – С. 45–47. 8. Васильева, Т. С. Компания Белла в истории телекоммуникаций России / Т. С. Васильева // ЭИС. Электросвязь история и современность. – 2007. – № 2. – С. 4–8. 9. Яроцкий, А. В. Создатель телеграфного кода, основоположник электромагнитной телеграфии к 200-летию со дня рождения ПЛ. Шиллинга / А. В. Яроцкий // Электросвязь : ежемесяч. науч.-техн. журн. по проводной и радиосвязи, телевидению, радиовещанию. – 1986. – № 7. – С. 60–63. 10. Яроцкий, А. В. Россия – родина электромагнитного телеграфа / А. В. Яроцкий // Электросвязь : ежемесяч. науч.-техн. журн. по проводной и радиосвязи, телевидению, радиовещанию. – 1982. – № 10. – С. 2–11. 47 Тема 3 РАДИОСВЯЗЬ ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ РАДИО 3.1.1. Научно-технические предпосылки для изобретения радио Радиосвязь как способ передачи информации на большие расстояния без проводов с помощью радиосигналов имеет огромное значение. Особенно это важно при осуществлении связи с подвижными объектами, когда проводные или оптические каналы вообще не могут быть реализованы. История радио связана с именами многих ученых и инженеров. До начала XX в. термин радио как средство связи еще не применялся. Использовались другие, в частности беспроволочная телеграфия, сигнализация без проводов и т. п. Вцепи основных событий, предшествовавших появлению практически применимых радиоустройств, отметим следующие. Электромагнитная индукция Вначале в. английский физик Майкл Фарадей открыл связь электрических и магнитных явлений – электромагнитную индукцию – и предсказал наличие в природе электромагнитных волн, которые распространяются в пространстве. Однако экспериментально подтвердить наличие электромагнитных волн Фарадей лично не успел. В честь М. Фарадея была названа единица измерения электрической емкости в системе СИ – фарад. Колебательный контур В 1853 г. английский физик Уильям Томсон показал, что электрическая цепь, состоящая из емкости и индуктивности, имеет резонансную частоту F, на которой при параллельном соединении сопротивление переменному току максимально, а при последовательном – минимально. Такая цепь была названа контур Томсона» (рис. 3.1). Резонанс колебаний в этом контуре определяется формулой 𝐹𝐹 1 2𝜋𝜋√𝐿𝐿𝐿𝐿 , где L – индуктивность катушки, Гн; C – емкость конденсатора, Ф. 48 Рис. 3.1. Колебательный контур Впоследствии колебательный контур стал использоваться для настройки радиопередатчиков или радиоприемников на заданную частоту, что позволило исключить взаимные помехи различных радиостанций. Теория электромагнитного поля Английский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1865 г. высказал гипотезу о том, что свет имеет электромагнитную природу. В 1873 г. Максвелл опубликовал Трактат по электричеству и магнетизму, в котором развили дополнил идеи Фарадея и создал законченную теорию электромагнитного поля Он вывел уравнения, описывающие распространение электромагнитного поля в пространстве, его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. Уравнения Максвеллаположены в основу теории распространения электромагнитных волн. Важность уравнений Максвелла неоценима. Спустя полтора века, они сохраняют фундаментальное значение для электродинамики. Причем за эти годы в них не потребовалось ничего изменять или добавлять. На рис. 3.2 показано, что в соответствии с теорией Максвелла электромагнитная волна распространяется в направлении оси z, при этом электрическая составляющая волны E и магнитная составляющая волны B взаимно перпендикулярны ив свою очередь, они же перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны υ. В вакууме скорость этого распространения равна скорости света. Согласно теории Максвелла переменные электрические и магнитные поляне могут существовать по отдельности изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное. 49 Рис. 3.2. Иллюстрация распространения электромагнитного поля Теория Максвелла соединила электрические и магнитные явления со световым водно целое – в понятие электромагнитного поля Машинный радиотелеграф В 1885 г. известный изобретатель Томас Элва Эдисон получил патент США на беспроводной телеграф (радиотелеграф) для связи с кораблями на море. На береговых станциях размещалась вертикальная антенна А, а на кораблях – Г-образная А. Источником переменного тока (несущей частоты) для питания антенны служил генератор в виде вращающегося прерывателя Пс трансформатором Тр. Модуляция несущей частоты осуществлялась телеграфным ключом К рис. 3.3). Сигналы принимались на телефон Т. Это был не телефон Белла, а детектор-телефон специальной конструкции «электромотограф», изобретенный Эдисоном в 1879 г. Рис. 3.3. Схема беспроводного телеграфа Эдисона 50 По сути это было первое официально оформленное изобретение способа и устройства беспроводного телеграфирования, появившееся до опубликования работ Герца и Попова и получившее значительное распространение впервой трети XX в. Из-за ограниченной скорости вращения прерывателя радиосигнал имел низкую частоту, лежащую в звуковом диапазоне (длинные и сверхдлинные радиоволны) с длиной волны десятки км. Тем не менее связь была без проводов, и впоследствии в 1903 г. Г. Маркони был вынужден приобрести патент Эдисона для того, чтобы получить право на деятельность в США его Компании беспроводных телеграфов. Предложенный Эдисоном вариант конструкции генератора переменного тока (прерывателя) не позволял получить большие мощности и освоить достаточно высокие частоты радиодиапазона. Первые генераторы со сравнительно высокими частотами, имевшие роторы с обмотками, разработал Н. Тесла в США в 1889 г. Частота несущей достигла 15 кГц, но все равно была весьма низкой. В России передатчики с машинными генераторами разрабатывались В. П. Вологдиным и СМ. Айзенштейном с 1912 г, гораздо позже изобретения высокочастотного искрового радио АС. Поповым. На основе машинных генераторов высокой частоты, сконструированных В. П. Волог- диным, был построен ряд мощных длинноволновых радиостанций. Машинные передатчики действовали дог. В дальнейшем машины были вытеснены электронными лампами. Вибратор Герца В 1888 г. немецкий физик Генрих Герц экспериментально подтвердил теорию Максвелла и измерил скорость света Он продемонстрировал, что радиоизлучение обладает всеми свойствами волн, которые стали называть радиоволнами Г. Герц впервые использовал отражающие металлические параболические зеркала для концентрации излучения радиоволн в определенном направлении. В качестве антенн Герц использовал рамочный резонатор и линейный вибраторс искровыми промежутками. Демонстрационные опыты проводились Герцем на расстоянии 10 м. Передающий вибратор Герца состоял из двух проводников, расположенных продольно, с шариками на концах (рис. 3.4). Расстояние между ближними шариками составляло 3–7 мм. При подаче со вторичной обмотки трансформатора на проводники импульсного высоковольтного напряжения (несколько десятков киловольт) между ближними шариками возникала электрическая искра. Вовремя действия искры в проводниках протекал высокочастотный ток, частота которого зависела от индуктивности и емкости проводников, и на резонансной частоте происходило излучение электромагнитных волн. В качестве приемника Герц использовал кольцо с разрывом и разрядными шариками на концах разрыва. Расстояние между шариками было очень маленьким – несколько десятых долей миллиметра. При приеме электромагнитного излучения между разрядными шариками приемника возникала слабая искра, которую можно было увидеть только в темноте. Рис. 3.4. Схема опытной установки Герца для подтверждения наличия радиоволн Генрих Герц умер в расцвете творческих сил, в возрасте 37 лет. За свою короткую жизнь он сделал очень много. Ему удалось измерить длины электромагнитных волн, доказать наличие их отражения, преломления, дифракции, интерференции и поляризации. После этого электромагнитные волны стали называть лучами Герца. Работы Г. Герца создали необходимые предпосылки для возникновения радиотехники До сих пор вибратор Герца, или диполь Герца, применяется как простейшая классическая антенна. Его именем названа единица частоты – герц (Гц одно колебание в секунду. Когерер Вначале х годов XIX в. французским физиком Эдуардом Бранли было обнаружено, что электропроводность металлического порошка увеличивается при воздействии электромагнитных волн. Металлическим порошком наполовину заполнялась горизонтальная стеклянная трубочка с двумя электродами на концах. После встряхивания порошка его сопротивление электрическому току было большим. Под действием электромагнитных волн сопротивление порошка резко уменьшалось из-за склеивания (спекания) его частиц. Для восстановления исходного большого сопротивления порошок требовалось встряхнуть вновь. Используя этот эффект, английский физик Оливер Лодж в 1889–1990 гг. создал индикатор электромагнитного излучения, заменив название трубка Бранли» на когерер дословно – сцеплятель, спекатель) (рис. 3.5). Рис. 3.5. Когерер Лоджа С помощью этого индикатора О. Лодж провел ряд экспериментов, подтвердивших и развивших результаты Г. Герца. При этом ему пришлось использовать специальное механическое устройство для непрерывного встряхивания когерера, чтобы он постоянно был готов к регистрации электромагнитного излучения. О. Лодж исследовал физические процессы, возникающие в когерере под воздействием электромагнитного поля и был водном шаге от изобретения радиосвязи. Однако он считал эту идею бесполезной и дальнейших исследований в области ее практического применения проводить не стал. 3.1.2. Изобретение АС. Попова 7 мая 1895 г. русский физики электротехник, профессор Александр Степанович Поповна заседании Русского физико-химического общества продемонстрировал работу устройства, предназначенного для приёма и регистрации электромагнитных волн. Прибор реагировал электрическим звонком на посылки электромагнитных колебаний, которые генерировались вибратором Герца. 53 По сравнению с прибором Лоджа Попов внёс в конструкцию принципиальные усовершенствования. В радиоприёмнике Попова молоточек, встряхивавший когерер (трубку Бранли), работал не от часового механизма, а от принимаемых радиоимпульсов, точнее, это был молоточек электрического звонка. Созданный АС. Поповым прибор был вполне пригоден для использования в качестве радиоприемного устройства для практической беспроводной телеграфии Сам Попов вначале приспособил прибор для улавливания атмосферных электромагнитных волн, назвав его грозоотметчик 7 мая 1895 г. считается в нашей стране днём рождения радио одного из величайших изобретений XIX века. Рассмотрим схему приемника Попова (рис. 3.6). Рис. 3.6. Схема приемника АС. Попова К входу когерера (N) подсоединен кусок проволоки (M), выполняющий функцию приемной антенны. Туда жена вход когерера в точку А присоединяется отрицательный полюс Р батареи Р. Обмотка чувствительного реле одним концом подсоединена к положительному полюсу Q батареи Р, другой конец подсоединен к выходу когерера в точку В. Обмотка реле электрического звонка одним концом подсоединена к клемме Р батареи, другой конец подсоединяется через контакты D, C и якорь чувствительного реле к положительному полюсу Q батареи. Контакт D вис- ходном состоянии при неработающем звонке замкнут на якорь звонка. 54 Работает приемник следующим образом. При отсутствии электромагнитной волны когерер находится в режиме ожидания сигнала, в этом случае когерер имеет большое сопротивление (тысячи Ом, и ток, протекающий через когерер и обмотку чувствительного реле, практически отсутствует. Чувствительное реле не срабатывает, так как якорь не притягивается и контакт С разомкнут. При приходе радиосигнала сопротивление когерера резко падает (до десятков Ом, ток в обмотке чувствительного реле увеличивается, якорь притягивается, и контакт в точке C замыкается. Через замкнутые контакты C и D положительное напряжение батареи PQ подается на обмотку реле звонка. Якорь притягивается, молоточек ударяет по колокольчику, раздается звон, который сигнализирует о наличии электромагнитного сигнала, при этом контакт D разрывается, ток через обмотку прекращается, якорь отходит от реле, а молоточек обратным ходом ударяет по стеклянной трубке когерера, металлический порошок когерера встряхивается и восстанавливается его большое входное сопротивление. Когерер снова становится в режим ожидания электромагнитной волны. Если бы не было встряхивания, когерер все время имел бы низкое входное сопротивление благодаря сигналу, пришедшему первым. Электрический звонок продолжал бы звенеть, несмотря на прекращение электромагнитного излучения. На чертеже видно, что молоточек при движении вверх ударяет позвонку, а при возврате в нижнее положение встряхивает когерер. Для улучшения режима встряхивания когерер подвешивался на пружине. В открытой печати доклад АС. Попова был опубликован в августовском номере журнала Российского физико-химического общества за 1895 г. Полная схема приемника с подробным описанием его работы была опубликована в январском номере этого журнала за 1896 г. В этой статье АС. Попов впервые высказал следующую мысль « … мой прибор, при дальнейшем усовершенствовании его, может быть применен в передаче сигналов на расстояния при помощи быстрых электрических колебаний, как только будет найден источник таких колебаний, обладающий достаточной энергией. Таким образом, АС. Поповне только предложил приемник электромагнитных волн, но и указал, что он может быть применен для радиосвязи. 55 В свое время во Франции делались попытки приписать Э. Бранли изобретение радио. Носам Э. Бранли это отрицали признавал приоритет за АС. Поповым. Он писал «… я не имею никаких посягательств на это изобретение, ибо я никогда не думало передаче сигналов. Телеграфирование без проводов зародилась в действительности из опытов Попова. Русский ученый развил опыт, который я часто осуществлял. О. Лодж, создавший на основе усовершенствования трубки Бранли когерер, тоже вплотную подошёл к изобретению радио, ноне изобрел. Сам он объяснил так У меня не было достаточного понимания того, чтобы почувствовать, насколько это окажется экстраординарно важным для флота, торговли, гражданской и военной связи. Попов первый заставил сам сигнал приводить в исходное (непроводящее) состояние когерер, и я считаю, что этим нововведением мы обязаны именно ему. Так что же нового в приемнике, сконструированном АС. Поповым Он впервые применил два принципиально новых элемента 1) предварительный усилитель-триггер на базе чувствительного реле 2) обратную связь (рис. 3.7). Рис. 3.7. Структурная схема приемника АС. Попова Простое встряхивание когерера молоточком звонка по сути представляло собой полноценную обратную связь. Именно чувствительное реле и обратная связь являются ключевыми элементами приемника АС. Попова. Особенно значимым является применение обратной связи. Введенная обратная связь позволила электрическому звонку на выходе реагировать именно на приход сигнала. Именно пришедший сигнал управлял всеми компонентами приёмника. Очень скоро выяснилось, что звонок реагировал не только на принятый короткий сигнал, но и на продолжительность сигнала. Короткий сигнал – короткий звонок, длинный 56 сигнал – продолжительный звонок. А это уже азбука Морзе, которая состоит из комбинации точек и тире. Тем самым АС. Попов, вольно или невольно, предложил принципиально новый способ приема электромагнитных волн, который в дальнейшем определил развитие радиоэлектроники. В марте 1896 г. впервые в мире АС. Попов осуществил радиопередачу осмысленного текста „HEINRICH HERTZ“. Таким образом, русский изобретатель отдал должное великому ученому-физику Генриху Герцу, впервые исследовавшему электромагнитные волны. После успешной демонстрации приемника Попов приступил к его усовершенствованию. К сожалению, АС. Поповне запатентовалсвое изобретение. Впоследствии он признавал, что не проявил должной настойчивости в продвижении своего изобретения. В 1896 г. в журнале Журнал РФХО», имевший международную рассылку, увидела свет публикация профессора АС. Попова Прибор для обнаружения и регистрации электрических колебаний. Это была первая в мире публикацияпо передаче информации с помощью электромагнитных колебаний. Ближайший помощник АС. Попова П. Н. Рыбкин вспоминает, что Попову было сделано несколько выгодных предложений переехать для работы заграницу. Однако АС. Попов решительно их отверг. Он заявил Я – русский человек, и все свои знания, весь свой труд, все свои достижения я имею право отдавать только моей родине. Я горд тем, что родился русским. И если не современники, то, может быть, потомки наши поймут, сколь велика моя преданность нашей родине и как счастлив я, что не за рубежом, а в России открыто новое средство связи. |