...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич. Страница 32
Системы радио- и телевизионного вещания служат для доставки информации от одного ее источника сразу к большому числу потребителей. В системах же связи информацию нужно доставлять от каждого конкретного источника к каждому конкретному потребителю. Подходят ли для этого радиоволны? Ведь их можно принять в любой точке земного шара.
Вывод один: энергия радиоволн не должна рассеиваться в пространстве, ее нужно сконцентрировать в очень узкий луч. Однако хорошо концентрируют энергию только антенны достаточно больших по сравнению с длиной волны размеров. Это напоминает оптику, где размеры зеркал и линз во много раз превышают длину световой волны.
Вот еще одно неоспоримое преимущество ультракоротких волн: для них легко сделать не очень большие и исключительно направленные антенны, которые, условно говоря, фокусируют, "собирают" волну.
О, эти удивительные ультракороткие волны! В конце XIX в. английский физик Д.У. Релей (1842–1919) математически доказал, что их можно передать… по полым металлическим трубам. В 1936 г. американскому ученому Саутсворту удалось передать волны длиной 9 см по трубе на расстояние 260 м. Не правда ли, такая линия передачи больше похожа на… водопровод, чем на электрическую линию?
Сейчас эти трубы — их называют волноводами — можно встретить повсюду, где нужно подвести к антенне ультракороткие волны или передать их от одного узла радиоаппаратуры к другому. Чем меньше длина волны, тем меньше и диаметр трубы. Часто эти грубы делают не круглого, а прямоугольного сечения. Внутренние стенки волноводов полируют до зеркального блеска, иначе часть энергии волны будет поглощаться в них. Если сделать в стенке такой трубы щель и припаять к ней в этом месте другую трубу, то часть волны побежит по второй трубе. Чтобы вывести волну из трубы, ее конец делают расширяющимся, в виде рупора.
Вы обращали внимание. как концентрируется луч света в электрическом фонарике?
Лампочка помещается в фокусе зеркального отражателя. Подобно этому рупор, излучающий электромагнитную волну, помещают в фокусе параболической антенны. Она, как рефлектор, собирает электромагнитные волны в узкий параллельный пучок лучей и направляет его на приемную антенну. Принимаемые волны, в свою очередь, "стягиваются" металлическим зеркалом приемной антенны на рупор и далее через рупор и волновод направляются к приемнику.
Итак, уже не трудно представить себе основные контуры радиолинии, работающей на УКВ. Передатчик — в основе его лежит специальный квантовый генератор, использующий внутреннюю энергию атомов или молекул, — вырабатывает СВЧ-колебания, которые по волноводу передаются в антенну. Посылаемый в эфир радиолуч достигает приемной антенны и по волноводному тракту добирается до приемника.
А не мало ли это — всего один луч между двумя пунктами? Ведь тот же коаксиальный кабель содержит несколько коаксиальных пар, и по каждой из них можно передавать цифровые потоки с огромными скоростями — сотни мегабит в секунду. Следует заметить, что "пропускная способность" у УКВ-луча во много раз больше, чем у коаксиальной пары. Скорость цифрового потока, как вы помните, зависит от частотного диапазона, в котором "работает" линия связи. А у радиолинии на УКВ он значительно шире, в результате эти волны могут перенести, как мощные "тяжеловозы", большее количество бит в одну секунду — свыше тысячи мегабит.
Что же касается увеличения числа лучей, то делают так: несколько передатчиков, генерирующих волны различных длин, заставляют работать на общую антенну. Антенна, таким образом, излучает одновременно несколько лучей с различными длинами волн. В приемной антенне каждая волна отфильтровывается и, не путаясь, точно в соответствии со своей длиной поступает в свой приемник. Говорят, что каждый такой луч образует ствол радиолинии. Обычно число стволов не превышает 4–5.
До сих пор речь шла о волнах, изменяющихся по синусоидальному закону. Такие волны, как и синусоидальный ток, не несут в себе никакой информации. О какой новой информации можно говорить, если она каждый период повторяется?
Электромагнитная волна — это лишь новый вид транспорта. Только более "скоростной", чем электрический ток, так же как самолет или ракета по сравнению с поездом. Как же пересадить биты на этот транспорт?
Представьте, что вы в такт с поступлением битов включаете и выключаете СВЧ-генератор передатчика. Пришла 1 — включили генератор, пришел 0 — выключили. При этом антенна то излучает электромагнитную волну, то нет. Таким образом, в эфир уходят один за другим импульсы электромагнитных колебаний. Такие действия над радиолучом называют амплитудной модуляцией (от латинского modulatio — изменение), так как изменяется амплитуда излучаемой волны. Ясно, что даже при очень низкой скорости передачи вы не будете успевать включать и выключать СВЧ-генератор вручную. Это делается автоматически, "по команде" самих битов, специальным устройством — модулятором.
К сожалению, амплитудная модуляция страдает серьезным недостатком. Если в радиолинии имеют место замирания, вследствие чего амплитуда волны резко уменьшается, то при этом бывает трудно распознать что передавалось в данный момент — 1 или 0. Чтобы избежать этого неприятного явления и нейтрализовать действие замираний, применяют другой прием. В передатчике используют два СВЧ-генератора: один из них генерирует колебания с частотой f1, а другой — с частотой f2. Если на вход модулятора поступает 1, то к антенне подключается первый генератор, если же поступает 0, то — второй генератор. В этом случае антенна вместо электромагнитного колебания с переменной амплитудой излучает два колебания разных частот. Такому радиосигналу замирания не страшны: даже при малой его амплитуде легко разобраться, какая частота излучается — f1, или f2. Этот вид модуляции получил название частотной, поскольку под воздействием цифр 1 или 0 изменяется частота излучаемой электромагнитной волны.
Ну что же, пожалуй, все основные проблемы передачи цифровой информации по радиолиниям мы обсудили. Впрочем, нет! Осталась без внимания еще одна проблема — дальность связи. И тут нас ждет разочарование. Оказывается, при установке антенн на мачтах высотой до 100 м расстояние "прямой видимости" между ними составляет чуть более 50 км. Но ведь требуется устанавливать связь на расстоянии тысяч километров. Есть ли выход? Выход есть. Здесь нам хочется провести любопытные исторические параллели. Вернемся в XIX в.
…Изнуренные, покрытые пеной кони подтащили к почтовой станции кибитку. Послышались крики: "Перепрягайте лошадей!"… Во Франции XIX в. замена уставших лошадей свежими называлась "реле", а почтовые станции — "релейными"…
А теперь Америка начала XX в. В 1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией вступила в строй радиолиния на ультракоротких волнах. Она имела протяженность 150 км. Чтобы перекрыть это расстояние, через 50 и 100 км были построены две промежуточные "релейные" станции, которые принимали ослабленные радиоволны, "заменяли" их новыми и посылали дальше. Сама радиолиния была названа "радиорелейной" линией. Опыт человечества — великое дело, и, поистине, ничто на земле не происходит бесследно.
Мы не знаем, что подсказало конструкторам первой в мире радиорелейной линии дать ей такое название. Ностальгия по старине? А может, за основу было взято английское слово relay — эстафета? Или отдана дань заслугам английского физика Релея (помните его трубы — волноводы)?
Да и не в этом дело! Идея "перепрягать радиоволны" оказалась весьма перспективной. Отныне во все концы земного шара потянулись цепочки радиорелейных линий. Строительство первой такой линии в нашей стране было осуществлено в 1953 г. между Москвой и Рязанью. Однако еще в начале 30-х годов советские инженеры М.И. Греков и В.М. Большеверов провели опыты по направленной радиосвязи на дециметровых волнах между Москвой и Люберцами.