...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич - Страница 27

Для связи между городами выпускаются специальные междугородные кабели — симметричные и коаксиальные (об особенностях их конструкций расскажем позже). В отличие от городских кабелей они содержат намного меньше пар проводов: не более одного-двух десятков. Лежат эти кабели прямо в земле. Для повышения механической прочности междугородные кабели "одевают" в броневые покровы (обычно это стальные бронеленты).

Казалось бы, совсем нехитрые эти изделия — кабели связи. Ну в самом деле, что в них такого: пучки изолированных проволок под общей оболочкой! Однако не торопись, читатель. Оказывается, вовсе не так уж и легко путешествовать битам по этим "медным рельсам"…

Можно ли обмениваться по кабельной линии связи видеопрограммами или музыкальными записями? Насколько безграничны такие возможности внутри города? А между городами?

Другими словами, позволяют ли существующие кабели связи передавать все многообразие цифровой информации? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно понять, чем отличается передача битов, несущих информацию о тексте, от передачи битов, несущих информацию, например, о подвижном изображении. Ведь и в том, и в другом случае биты (0 и 1) превращаются в электрические импульсы. Отличие состоит лишь в одном: в количестве битов (или импульсов), передающих за один и тот же промежуток времени (например, за секунду). В самом деле, мы уже знаем, что на протяжении 1 с разговорной речи ЛЦП вырабатывает 64000 бит информации (т. е. двоичных цифр 0 и 1, а точнее, соответствующих им импульсов), а за 1 с передачи подвижного изображения — 104000000 бит. Значит, можно говорить о скорости передачи двоичных цифр. Уточним: скоростью передачи цифровой информации специалисты называют количество битов, переданных в течение 1 с.

Итак, мы можем сказать, что скорость передачи речи в цифровом виде составляет 64000 бит/с = 64 кбит/с, а скорость передачи переведенного в цифры подвижного изображения — 104000000 бит/с = 104 Мбит/с. Текст с помощью цифр передастся обычно со скоростью 100 бит/с (это. пожалуй, самая низкая скорость передачи, исключая, разве что, передачу телеграмм — 50 бит/с); "цифровая" музыка — со скоростью 96 кбит/с; фотография в виде последовательности цифр — 16 кбит/с, а газета — 1,6 Мбит/с.

Как вы думаете, из чего состоят импульсы? Оказывается, из синусоид. Да-да, из тех самых синусоид, которые описывают колебание струны, давление звуковой волны на мембрану, а также образуют основные тоны и обертоны в речи.

Хотите убедиться в этом? Тогда взгляните на рисунок.

В качестве исходной синусоиды выберем такую, у которой период колебаний совпадает с периодом прямоугольных импульсов. Следующая синусоида имеет частоту колебаний в 3 раза большую, а амплитуду — в 3 раза меньшую. Сумма этих двух синусоид пока еще мало похожа на прямоугольные импульсы. Но если мы добавим к ним синусоиды с частотами колебаний в 5, 7, 9 и 11 раз большими, а с амплитудами соответственно в 5, 7, 9 и 11 раз меньшими, чем у основной синусоиды, то сумма всех этих колебаний будет не так уж и сильно отличаться от прямоугольных импульсов. Таким образом, степень "прямоугольности" импульсов определяется тем, сколько синусоид со все более и более высокими частотами колебаний мы будем суммировать.

Тот факт, что сигнал произвольной формы (а не только прямоугольные импульсы) можно "разложить" на сумму обыкновенных синусоид, впервые доказал в 20-х годах XIX в. французский математик Ж. Фурье. Такой набор синусоид получил название спектра сигнала. Каждый сигнал (отличающийся от других по форме) имеет свой сугубо индивидуальный спектр, т. е. может быть получен только из синусоид со строго определенными частотами и амплитудами.

Слово "спектр" нам хорошо знакомо из других областей техники. Если, например, пропустить солнечный свет через призму, то получим цветные полосы (помните, как знакомая со школьной скамьи фраза "каждый охотник желает знать, где сидит фазан" помогала легко запомнить, на какие цвета разлагается белый свет — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый!). Набор цветов, на которые разложили солнечный свет, и называется его спектром. Заметим, что луч какого-либо цвета — это электромагнитное колебание со строго определенной частотой. Другой цвет — другая частота колебания. Таким образом, солнечный свет представляет собой сумму простейших электромагнитных колебаний с различными частотами.

Может показаться, что представление прямоугольных импульсов в виде совокупности синусоид есть не более чем математический прием и не имеет никакого отношения к реальности. Однако это не так. Если бы вам удалось подобрать струны с частотами колебаний, кратными числам 1, 3, 5, 7…., и, расположив их рядом друг с другом, привести в движение так, чтобы амплитуды колебаний соответствующих струн соотносились как 1, 1/3, 1/5, 1/7 то вы бы увидели, что форма кривой звукового давления на мембрану микрофона (а значит, и форма тока в его цепи) была бы прямоугольной. Радиоинженерам хорошо знакомы приборы (они называются анализаторами спектров), которые позволяют выделить каждую входящую в сложный сигнал синусоиду.

Теперь займемся несложными подсчетами. Предположим, со скоростью 100 бит/с передается последовательность импульсов, соответствующая чередованию единиц и нулей: 10101010… Ее спектр будет содержать основную синусоиду с частотой колебаний 50 Гц (поскольку в одном периоде синусоиды укладываются два импульса, ее частота численно равна половине скорости передачи), а также синусоиды с утроенной, упятеренной и т. д. частотами колебаний, т. е. 150, 250, 350 Гц… В то же время для этой же последовательности, но передаваемой со скоростью 64 кбит/с, частота колебании основной синусоиды будет равна 32 кГц, а остальных синусоид — 96, 160, 224 кГц… Для скорости передачи, скажем, 104 Мбит/с картина спектра будет иная: частоты колебаний синусоид составят 52, 156, 260, 354 МГц…. Обратите внимание, они почти в 1 000 раз выше, чем во втором случае, и в 1 млн раз — чем в первом!

Итак, совершенно очевиден вывод: чем выше скорость передачи импульсов, тем более широкую полосу частот занимает их спектр. Можно сказать, что импульсы, передаваемые с большей скоростью, являются более высокочастотными.

Но вернемся к кабелю, а точнее, сначала к одному его проводнику (жиле). Когда по проводнику протекает синусоидальный ток, вокруг движущихся в металле электронов возникают электрическое и магнитное поля. Чтобы убедиться в существовании электрического поля, достаточно поместить вблизи проводника пробный электрический заряд (например, заряженный листок или бусинку). Если поле есть, то заряд сдвинется с места. Обнаружить магнитное поле можно с помощью пробной магнитной стрелки: она будет поворачиваться. Электрическое и магнитное поля часто рассматривают вместе как единое электромагнитное поле.

Попробуем увеличить частоту синусоидального тока в проводнике. Десятки герц… Сотни герц… Килогерцы… Сотни килогерц. Мы вдруг начинаем с удивлением обнаруживать (естественно, с помощью приборов), что ток с ростом частоты все сильнее и сильнее вытесняется из толщи проводника к его поверхности. Электромагнитное поле вне проводника возрастает, и вот на очень высоких частотах (превращающих сотни и даже тысячи мегагерц) ток полностью вытесняется из проводника. Проводник начинает излучать всю электромагнитную энергию в пространство. Передача ее по проводу прекратилась. Провод превратился в антенну! Описанное явление — вытеснение тока к внешней поверхности проводника — получило у специалистов название поверхностный эффект. И оно не столь уж загадочное. Существует довольно простое объяснение поверхностного эффекта.