...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Попов Георгий Леонтьевич

Если в факельном телеграфе в качестве материального носителя используется свет горящих факелов (т. е. электромагнитное излучение с длиной волны в несколько микрон), то в электрическом телеграфе материальным носителем сообщений стал электрический ток.

Самюэл Морзе публично продемонстрировал свою конструкцию электрического телеграфа 4 сентября 1837 г. в здании Нью-Йоркского университета. Принцип действия этого аппарата теперь знает, наверное, каждый школьник. На передающей стороне Морзе использовал телеграфный ключ, изобретенный ранее русским ученым, академиком Петербургской академии наук Б.С. Якоби, а на приемной стороне — электромагнит. При нажатии на ключ замыкалась электрическая цепь,

соединенная с приемной станцией, и в цепи начинал протекать ток. В приемнике под его действием срабатывал электромагнит: он притягивал якорь с пишущим механизмом (карандашом или красящим колесиком) к равномерно протягиваемой бумажной ленте. Если ключ нажимали в течение короткого времени, то на ленте появлялась точка, если немного дольше — тире.

Обратите внимание на то, что ток в цепи (или в линии связи) имел в результате форму импульсов: коротких — при передаче точки, длинных — при передаче тире. Таким образом совершилось чудесное превращение: двоичные цифры 0 и 1 превратились в импульсы электрического тока, причем наличию импульса определенной длительности соответствует цифра 1, а отсутствию импульса — цифра 0. Такая материализация сообщения позволяет использовать для его хранения, передачи и обработки мощнейший арсенал средств электроники и радиотехники.

Неравномерный код Морзе очень трудно было использовать для создания буквопечатающих телеграфных аппаратов. Поэтому французский механик Жан М.Э. Бодо предложил в 1874 г. равномерный код, в котором каждая буква и знак представлялись 5-разрядным двоичным кодом (подобным тому, какой мы с вами применили в факельном телеграфе). Напомним, что 5-разрядный двоичный код позволяет перевести в набор цифр 0 и 1 только 2⁵ = 32 буквы или знака. В русском алфавите как раз 33 буквы, но ведь надо еще обеспечить передачу десяти цифр, а также знаков препинания.

В 1855 г. американский физик Дейвид Юз предложил оригинальную идею, позволяющую оставить число разрядов в кодовой комбинации равным пяти и в то же время значительно увеличить число кодируемых знаков.

Он разделил все знаки сообщения на группы — регистры — подобно тому, как это сделано в современных пишущих машинках. Чтобы напечатать, например, заглавную букву, нужно предварительно нажать на соответствующую клавишу — каретка приподнимется и отпечатает заглавную букву, расположенную на литере выше строчной.

Код Бодо с введением регистров был положен в основу всех кодов, принятых в дальнейшем в качестве международных. На приведенном рисунке показан вариант 5-разрядного двоичного международного кода МТК-2, введенного в действие с 1932 г.

В этом коде знакомое нам слово ОМЕГА будет выглядеть так:

Однако при обмене сообщениями между ЭВМ 5-разрядного двоичного кода даже с тремя регистрами оказалось недостаточно, поскольку он позволяет перевести в двоичные цифры 0 и 1 около 90 букв, цифр и знаков, в то время как требуется более 200 знаков и символов (в их числе и специальных математических знаков и символов, понятных ЭВМ). В результате в 1966 г. был разработан 7-разрядный двоичный международный код МТК-5, позволяющий перевести в цифры 0 и 1 размещенные в двух регистрах 256 прописных и строчных букв русского и латинского алфавитов, цифры, знаки препинания и специальные символы. Вот как в этом коде записывается слово ОМЕГА:

Три последних разряда, одинаковые для всех букв, означают код регистра, который в данном случае показывает, что все буквы расположены в русском регистре. По коду регистра каретка печатающей машинки на приемной стороне устанавливается в соответствующее положение, при котором бумаги коснется литера нужной буквы.

Современный телеграфный аппарат, предназначенный для перевода букв, цифр и знаков сначала в последовательность цифр 0 и 1, а затем в последовательность импульсов электрического тока, конечно, значительно отличается от аппарата Морзе. Он имеет клавиатуру типа пишущей машинки и может печатать буквы на бумажной ленте или непосредственно на листе бумаги, намотанной на рулон.

Чтобы понять, каким образом буква или знак в современном аппарате преобразуется в 5-разрядный двоичный код, нужно представить себе пять таких же ключей, как в аппарате Морзе. Замкнутому положению ключа соответствует 1, разомкнутому — 0. Нажатие клавиши, скажем, с буквой М приводит к замыканию одних ключей и размыканию других в соответствии с двоичным кодом этой буквы: 00111. Специальный распределительный механизм поочередно подключает ключи к линии, и в ней либо появляется импульс тока, если ключ был замкнут (передача цифры 1), либо он отсутствует, если ключ был разомкнут (передача цифры 0).

Для декодирования приходящей с линии двоичной комбинации нужен электромагнит, который притянет якорь (т. е. зарегистрирует 1), если из линии поступил импульс, или оставит якорь в прежнем положении (т. е. зарегистрирует 0), если импульс в линии отсутствует. С помощью специального сложного электромеханического устройства каждые пять колебаний якоря (по числу цифр 0 и 1 в 5-разрядном двоичном кодовом слове) фиксируются и на основании набранной комбинации печатается та или иная буква.

У читателя могут возникнуть вопросы: как ориентироваться в таком многообразии двоичных кодов и какой из них выбрать?

Частично мы затрагивали этот вопрос, когда обсуждали проекты факельного телеграфа. В теории кодирования, а это сравнительно новый и достаточно сложный раздел математики, разработано множество двоичных кодов, выполняющих различные функции. Так, существуют коды, которые дают возможность обнаружить ошибку, возникшую в принятой комбинации из-за воздействия в линии связи помех, а также коды, позволяющие не только обнаружить, но даже исправить ошибочно принятый символ. Разработчик сложной аппаратуры цифровой связи должен знать возможности кодов и уметь выбирать нужный код.

Мы не будем останавливаться подробно на этих кодах и выяснять, каким образом удается обнаруживать и даже исправлять ошибку без участия человека. Об этом пойдет разговор позже. Сейчас же мы задержимся на одном весьма любопытном способе кодирования сообщений.

Предположим, вам необходимо зашифровать особо секретный текст. Покажем, как выбрать код, чтобы сообщение стало недоступным для расшифровки. Примем, что особо секретным текстом является слово ОМЕГА. Мы уже знаем, как оно представляется 5-разрядным двоичным международным кодом МТК-2 (см. с. 40). Выберем теперь совершенно произвольную (случайную) комбинацию 0 и 1 (назовем ее ключом) и сложим эту двоичную комбинацию с двоичным кодом слова ОМЕГА. Но сложение будем производить не по обычным правилам двоичной арифметики, когда сумма двух единиц дает единицу следующего разряда (см. с. 26), а по правилам: