...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич - Страница 54

Между тем к середине XVII в. возникла острая необходимость в более точном измерении времени. Это было связано в первую очередь с нуждами мореплавания. Завершилась эпоха великих географических открытий. Новые земли, открытые в Вест-Индии, Ост-Индии, многочисленные острова в южных морях и океанах усиленно колонизировались. Тысячи и тысячи судов - галеонов, бригов, баркентин - бороздили моря, пересекали огромные океаны, денно и нощно обогащая европейские метрополии. Для успешного завершения дальних морских переходов на кораблях необходимо было точно определять координаты. При этом оказывалось важно, чтобы часы долго сохраняли правильный ход в условиях морской качки. Вот этого-то условия и не могли обеспечить гиревые механические часы. Нужно было найти принципиально новый путь создания механических часов.

И этот путь отыскали. Великий Галилео Галилей, наблюдая за колебаниями маятника, обнаружил, что они изохронны, т. е. частота колебаний не меняется даже при их затухании. В письме от 5 июня 1636 г. голландскому адмиралу Л. Реалю он сообщал, что хочет приступить к созданию часов, в которых маятник будет соединен со счетчиком колебаний. Однако свой замысел он начал осуществлять лишь в 1641 г., за год до смерти. Работа не была завершена.

Автором маятниковых часов стал в 1657 г. 27-летний голландец Христиан Гюйгенс. Первый экземпляр этих часов изготовил часовщик из голландского города Гаага Соломон Костер. В том же году Генеральные штаты Голландии выдали патент, закрепляющий авторство Гюйгенса. По тем временам это были очень точные, почти совершенные часы. В январе 1657 г. Гюйгенс писал: "На этих днях я нашел новую конструкцию часов, при помощи которой время измеряется так точно, что появляется немалая надежда на возможность измерения при ее помощи долготы, даже если придется везти их по морю".

Так были созданы часы, в принципе не отличающиеся от любых современных часов: электронных (кварцевых), молекулярных, атомных, квантовых и т.д. Общим для всех них является то, что измерение, или счет, времени производится с помощью стабильного периодического процесса, в частности колебания маятника, кристалла кварца, молекул, атомов. Однако стабильность разных процессов, естественно, различна.

В самом деле, задумайтесь: все имеющиеся на Земле часы идут "неточно"! Конечно, неточность эта разная у различных часов. Например, у атомных или квантовых часов, роль "маятника" в которых выполняют колебания атомов водорода или молекул аммиака, ошибка в измерении времени в 1 с набегает за 300000 лет. С помощью этих часов время измеряется точнее, чем астрономическими методами. Такая точность вполне удовлетворяет современную науку, технику, и именно квантовые часы служат эталоном в службе времени и навигации. Все остальные часы имеют гораздо меньшую точность хода, что обусловлено меньшей стабильностью периодических процессов, получаемых, например, с помощью кварцевого или механического резонатора. Чтобы измерять время с заданной точностью, которая зависит от качества часов и вида резонатора, все мы (одни реже, у кого часы получше, другие чаще, у кого часы похуже) вынуждены сравнивать показания своих времяхранящих механизмов и приборов с эталоном времени.

В старину передача сигналов точного времени производилась механическими, звуковыми или световыми устройствами. В Петербурге ровно в полдень стреляла пушка. В морских портах строго в определенное время с мачты падал шар. В городах для сверки часов служили башенные часы. Сейчас сигналы точного времени передаются по радио, телевидению.

Безусловно, высокая точность хранения и передачи меток времени, достигнутая в наши дни (погрешность не более 1 мкс), позволяет решать сложнейшие научные задачи, в том числе и такие новые, как дальняя космическая навигация. Но в идеале хотелось бы иметь единую систему "всемирного" времени, состоящую из первичных часов и большого числа связанных с ними вторичных часов. Ясно, что высокой точностью должны обладать лишь первичные часы, и они будут синхронизировать работу всей сети вторичных часов. Главные первичные атомно-цезиевые часы этой системы расположены в Риме, но вовсе не в Италии, а в американском штате Нью-Йорк. Они связаны с сетью вторичных часов, расположенных в других странах. Погрешность отсчета времени в этой системе не превышает одной стомиллиардной доли секунды. Вдумайтесь, читатель, в эту цифру. Она, поистине, фантастична!

Однако в повседневной жизни не требуется столь высокая точность, как при астрономических работах, но необходимо, чтобы с точностью хотя бы до секунды во всех частях города, во всех концах нашей страны все часы показывали одинаковое время. Пусть даже не абсолютное время, но одинаковое! Увы, оказывается, сделать это не так просто.

Надеемся, что уважаемый читатель после столь пространного вступления лучше представит, почему создание полностью синхронных цифровых систем передачи - задача достаточно дорогостоящая и трудная. Ведь в них нужно с помощью одного очень высокостабильиого генератора тактовых импульсов, своего рода первичных часов, управлять работой множества других генераторов, так сказать, вторичных часов. В настоящее время такие цифровые системы передачи созданы и получили название систем синхронной цифровой иерархии. Эти цифровые системы передачи объединяются в сети на сравнительно небольших территориях: в пределах одного "среднеевропейского" государства или, как, к примеру, в России, в пределах нескольких областей. В этом случае можно с успехом применить синхронное объединение потоков. А если нужно связать воедино цифровые потоки, начала которых обнаруживаются в Киншасе и Ванкувере, Гонолулу и Москве или других точках планеты? Как тогда быть? Даже в одной стране, такой, как наша, основу единой сети будет составлять великое множество самых разных но числу каналов, а значит, и скоростям передачи, цифровых систем. Как обеспечить их синхронизацию от одного общего генератора?

Может быть и не нужно стремиться к этому? Помните, как мы поступаем с часами? Мы сверяем их с эталонным временем (скажем, с сигналами точного времени, передаваемыми по радио, или с часами, показываемыми на экране телевизора перед информационной программой) и, если наши часы спешат, переводим их стрелки назад, т.е. убираем несколько секундных или минутных интервалов из пройденного стрелками пути по циферблату. В этом случае можно говорить об отрицательном согласовании времени наших часов с эталонным. Когда же наши часы отстают, мы переводим стрелки вперед и добавляем тем самым несколько секундных или минутных интервалов к пути, пройденному стрелкой. Так мы осуществляем положительное согласование хода времени наших часов с ходом времени эталонных. Заметьте, что при этом мы рассчитываем на определенную стабильность наших часов, на то, что в ближайшие сутки они не подведут нас больше чем на 1-2 с или на 1-2 мин - в зависимости от технических данных. В противном случае часы нужно отдавать в ремонт, либо вообще выбрасывать.

А нельзя ли так же, как мы подводим свои часы, "подводить" и другие, пусть своеобразные, но все же часы - генераторы тактовых импульсов? Именно так и делают в цифровых системах передачи при асинхронном объединении потоков. Помните, как происходит объединение четырех потоков, например, в системе ИКМ-120? Тактовые импульсы, выделенные из каждого цифрового потока, записывают информационные биты в ячейки памяти, а другие тактовые импульсы (от местного генератора), которые следуют, как вы знаете, чуть быстрее, считывают биты из ячеек памяти. И если импульсы считывания не "отстают" и не "убегают вперед", а "идут" весьма стабильно, то в каждом потоке регулярно появляются "пустые" интервалы (наподобие пустых кадров в истории с учебным кинофильмом). В системе передачи ИКМ-120 таким "пустым" интервалом, не несущим никакой информации, является во всех потоках каждый 33-й интервал. При объединении потоков в линию поочередно посылаются импульсы каждого из них, а так как на указанных "пустых" интервалах ни в одном из потоков никаких информационных импульсов нет, то в общем потоке периодически образуются "дырки" шириной в четыре интервала. В них-то и "вставляют" синхроимпульсы, а также другую служебную информацию. Напомним, что строгая периодичность синхросигнала - это одно из важнейших свойств, используемое для его распознавания.