...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь
Шрифт:
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
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.
В 30-х годах XIX в. английский физик М. Фарадей (1791–1867) обнаружил, что в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, возникает ток. Так вот, все дело в том, что наш проводник оказался помещенным в собственное магнитное поле и под его воздействием в толще проводника образовалось множество замыкающихся по кольцу вихревых токов. У поверхности проводника эти токи направлены так же, как и основной ток, и поэтому увеличивают его. В толще же проводника вихревые токи оказываются направленными против основного тока и, следовательно, уменьшают его.
Мы рассмотрели один провод, тогда как для передачи сигналов используют два провода — прямой и обратный (нужно, чтобы цепь тока замкнулась). Каждый из проводов образует свое электромагнитное поле. Их взаимодействие дает несколько более сложную картину поля, однако эффект излучения поля вне проводов остается практически неизменным — с ростом частоты излучение увеличивается.
В городских телефонных кабелях под одной "крышей" — оболочкой — собрано большое число нар проводов. Представим себе, что цифровые сигналы (импульсы) передаются только по одной паре проводов (или, еще говорят, по одной цепи), а по другим парам в это время ничего не передается. Тем не менее и в остальных "нерабочих" парах можно зарегистрировать те же самые сигналы, правда очень слабые. И чем дальше "нерабочая" пара расположена от "рабочей", тем слабее в ней сигналы.
Однако чем выше скорость передачи импульсов (помните, это означает, что сигнал состоит из синусоидальных токов более высоких частот), тем увереннее мы будем их регистрировать в "нерабочих" парах. Виной тому — увеличивающееся на высоких частотах электромагнитное излучение. Может оказаться и так: при большой скорости передачи влияние одной цепи на другую будет столь велико, что когда по этой второй цепи будут передаваться "свои" сигналы, их будет очень трудно отделить от "чужих".
Вот эти-то взаимные влияния между цепями и не дают возможности беспредельно увеличивать скорость передачи импульсов по городским телефонным кабелям. Практически она ограничена значением 2 Мбиг/с. Отсюда вывод: такие кабели не позволяют обмениваться видеопрограммами, ведь при передаче подвижного изображения биты "мчатся" со скоростью в 50 раз большей.
Иное дело междугородный коаксиальный кабель! Но, стоп…
Сначала нужно сказать об особенностях его конструкции. Один проводник коаксиальной пары является обычным сплошным проводом, а вот другой (но которому ток "возвращается" обратно) — это полый медный цилиндр. И сплошной проводник помещен внутрь полого. Отсюда и название — коаксиальная пара, что означает "имеющая общую ось" (coaxis — соосный). Чтобы строго выдержать соосность проводников, пространство между ними заполняют изолирующим материалом (сплошным полиэтиленом, полиэтиленовыми шайбами и т. п.). Придумал такую конструкцию нары проводников еще в 1912 г. профессор Петербургского электротехнического института П.Д. Войнаровский (1886–1913), а использовать ее в кабелях связи предложил в 1934 г. американский изобретатель С.А. Щелкунов.
Коаксиальная пара — это поистине замечательное изобретение! Она не излучает электромагнитную энергию в пространство, а следовательно, не будет оказывать влияние на соседние цепи связи. Такое "тихое" соседство имеет, как мы знаем, принципиально важное значение, поскольку позволяет повысить скорость передачи цифр.
Ток во внутреннем проводнике с ростом частоты также вытесняется на его поверхность. Этот процесс не отличается от описанного выше. Но вот внешний проводник… Магнитное поле внутреннего проводника наводит в его металлической толще вихревые токи. На наружной стороне полого проводника они направлены против основного тока ("срабатывает" знакомое из школьного курса физики правило буравчика) и тем самым уменьшают, ослабляют его. На внутренней поверхности полого проводника вихревые токи совпадают с основным и, естественно, увеличивают его. Таким образом, ток в полом цилиндре вытесняется не наружу, а вовнутрь коаксиальной пары. Этот эффект ученые назвали эффект близости. Он-то и является причиной, по которой электромагнитное поле концентрируется внутри коаксиальной пары и не излучается вне ее.