Введение в новейшие телекоммуникационные технологии

1.2. Введение в новейшие технологии

Зависимость пропускной способности канала, обладающего определенной полосой пропускания, от отношения сигнала к шуму исследовал американский инженер и математик Клод Шеннон (1916 г.р.).

Теорема Шеннона (1948-1949) ограничивает предельную пропускную способность канала с заданной полосой пропускания и отношением "сигнал/ шум " в канале (формула получена в предположении белого гауссова шума):

( 1.1)

Для стандартного телефонного канала , следовательно, теоретический предел для публичной коммутируемой телефонной сети равен примерно 30 Кбит/с. Ослабление для телефонных скрученных пар составляет около 15 дБ/км, дополнительные ограничения возникают из-за перекрестных наводок в многожильном кабеле. Стандартные проводные линии связи имеют ослабление 6 дБ/км на частоте 800 Гц, или 10 дБ/км на частоте 1600 Гц. С самого начала развития телефонии проводная система и оборудование проектировалось исходя из возможностей человеческого уха и голосового аппарата. По этой причине все традиционные системы телефонии имели полосу пропускания 3-3,5 КГц.

Из теоремы Шеннона следует, что при нулевом уровне шума можно получить сколь угодно высокую скорость передачи при сколь угодно низкой полосе пропускания канала!

Шеннон, по существу, развил идеи Найквиста. Если используется двоичное представление сигнала, то согласно теореме Найквиста [1924] максимальная скорость передачи данных по каналу без шума составит

( 1.2)

где - полоса пропускания канала в Гц, а - число дискретных уровней сигнала на выходе цифрового преобразователя. Суть теоремы Найквиста-Котельникова заключается в том, что при полосе сигнала частота стробирования должна быть больше , чтобы принимающая сторона могла корректно восстановить форму исходного сигнала. По этой причине для стандартного телефонного канала с полосой , при отсутствии шумов и при нельзя получить скорость передачи более 6 Кбит/с. Здесь нет противоречия с теоремой Шеннона. Ведь в отсутствие шумов значение не будет иметь ограничения сверху! Здесь не имеется в виду, что максимальная амплитуда сигнала может достигнуть напряжения в несколько киловольт. Согласитесь, телефонных абонентов такая перспектива вряд ли бы порадовала. Но в отсутствии шумов можно и в пределах одного вольта представить себе любое число уровней сигнала. Фактически теорема Шеннона проясняет то, как уровень шумов ограничивает предельное значение при заданной максимальной амплитуде сигнала.

По этой причине висящие еще кое-где телеграфные провода обречены. Надо заметить, что и медные телефонные провода, закопанные в землю, ждет та же участь. Предстоит выкопать миллионы тонн медных кабелей (похоже, российские бомжи уже начали эту работу). Медные провода будут заменены оптоволоконными волноводами.

Следует иметь в виду, что реальная пропускная способность для конкретного пользователя определяется не только полосой пропускания канала, но и его загруженностью трафиком других клиентов. Ведь и пропускная способность автомобильной магистрали зависит не только от числа полос, но и от загруженности автомобилями.

В 1876 году Э. Грей и А.Г. Белл одновременно сделали заявку на изобретение телефонного аппарата. Белл откупил у Грея права на это изобретение, усовершенствовал предложенное решение и совместно с Блейком и Эдисоном организовал первые телефонные сети. Вначале телефонная связь использовала электромеханические схемы преобразования и передачи голоса. Трансатлантический телефонный кабель был проложен в 1956 году. Современная телефония базируется на сотнях, а возможно, и тысячах изобретений. Системы коммутации телефонных каналов прошли путь от ручного переключения через этап электромеханических шаговых искателей к аналого-цифровым коммутаторам. Первый автоматический коммутатор был разработан Штроугером еще в XIX веке. К этому его подтолкнула осведомленность конкурентов о его делах, и он счел, что любопытные операторы ручной телефонной станции ему ни к чему.

Телефония стимулировала многие области электроники. Вскоре после Второй мировой войны стала широко внедряться импульсно-кодовая модуляция, пакетная схема передачи данных, а позднее и цифровая телефония (ISDN).

В 1902 году Артур Корн (Германия) запатентовал систему фотоэлектрического сканирования изображения, а в 1910 году заработала первая международная факсимильная связь Берлин-Париж-Лондон. До 60-х годов прошлого века рынок факсимильной аппаратуры был ограничен.

В 1968 году международная комиссия CCITT разработала рекомендации по факсимильному оборудованию, которое было способно передавать страницу за 6 минут при разрешении 3,85 линий на мм. Позднее, в 1976 году аналоговая факсимильная техника была улучшена. Это позволило сократить время передачи страницы до 3 минут. В 1980 году был разработан стандарт для цифровых факс-машин (группа 3), в которых уже предусматривалось сжатие информации, что позволяло сократить время передачи стандартной страницы до 1 мин при скорости передачи 4800 бит/с. Следует иметь в виду, что сжатие информации в сочетании с ошибками пересылки может приводить к неузнаваемости изображения - локальной или полной. По этой причине число линий сканирования, которые используются при обработке изображения с целью сжатия, может варьироваться (1-4) и определяется в результате диалога между отправителем и получателем, а передача каждой скан-линии завершается довольно длинным кодом, предназначенным для надежного распознавания завершения строки сканирования, а также для коррекции ошибок. Факсимильное оборудование группы 3 может и не обеспечивать сжатия передаваемых (принимаемых) данных. В 1984 году разработаны требования к факс-аппаратам группы 4. Система базируется на двухмерной системе кодирования изображения (MMR - Modified Modified Reed).

Следует учитывать, что зона сканирования факс-машины больше размера изображения и всегда имеются пустые строки и поля, что предоставляет дополнительные возможности для сжатия передаваемой информации.

В последнее время появились факс-аппараты, которые печатают изображение на обычной бумаге с разрешением 300-400 точек на дюйм. Такая схема удобна, но имеет некоторые недостатки. Эти аппараты дороги; печать может начаться не ранее, чем будет передана вся страница; передающий аппарат может иметь более низкое разрешение; нужно уметь адаптироваться к любому разрешению, а значит, скорость печати изображения при низком разрешении остается столь же низкой, как и при высокой.

Широкое внедрение электронной почты, похоже, окончательно приговорило факс-технологию.

В 1864 году Дж. Максвелл теоретически доказал, что вокруг проводника с переменным током должно возникать переменное электромагнитное поле, распространяющееся со скоростью света. В 1886-1889 годах Г. Герц экспериментально показал существование электромагнитных волн. А.С. Попов развил идеи Герца и в 1895 году продемонстрировал свой грозоотметчик. Первые радиопередатчики были построены и запатентованы Маркони и Слаби. Так появилась радиосвязь. В начале для радиосвязи использовались схемы на основе азбуки Морзе. Позднее по мере совершенствования техники и улучшения избирательной способности приемников появилась возможность голосовой связи. Это изобретение стало основой радиолокации, мобильной связи, телевидения, радиорелейных и спутниковых (первый геостационарный коммуникационный спутник заработал в 1965 году) коммуникаций. Впечатляющие успехи здесь достигнуты в связи с применением цифровых методов, например, методики мультиплексирования CDMA (math Division Multiple Access). В перспективе только радио (из числа современных технологий) может обеспечить межпланетные связи. Лазерные методы пригодны пока для ограниченных расстояний, максимум до Луны.

Телевидение. Первые попытки передачи и воспроизведения изображения с помощью диска Нипкова (Германия) относятся к 1884 году. В 1907 году Б.Г. Розингом было предложено использовать для приема изображения электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), прототип видиконов и ортиконов. Устройство отображения на принимающей стороне также предполагало применение ЭЛТ. Электронное телевидение возникло в 30-х годах прошлого века (усилиями В.К. Зворыкина и Ф. Франсуорта). Число элементов N в одном кадре, на которое разлагается изображение в действующем в РФ стандарте (625 строк и 25 кадр./с), определяется по формуле

где - число строк, а - отношение ширины кадра к его высоте (для широкоформатного варианта отношение будет иным). Отсюда следует, что верхняя частота видеосигнала

где - число кадров в секунду. Здесь следует немного добавить полосы для звукового сопровождения, передачи цвета и различных служебных целей, например, для синхронизации передатчика и приемника. Именно это определяет необходимую полосу для каждого из телевизионных каналов, число которых может достигать уже сегодня 20-60, что требует полосу при традиционной схеме более 130-390 МГц.

Частота строчной развертки при этом составляет . Несущая частота должна быть в раз 8-10 больше 6,5 МГц, то есть превышать 48 МГц. Реально большинство каналов работают на частотах от 100 до 900 МГц. Радиоволны в этом диапазоне неспособны огибать препятствия и по этой причине гарантируют надежный прием лишь при непосредственной видимости между антеннами передатчика и приемника. Кривизна земли является естественным ограничителем максимального радиуса надежного приема телевизионного сигнала. Телевидение высокого разрешения, идущее на смену традиционному, требует еще большей полосы и частот. На подходе также и стереотелевидение. Телевидение стало основой и видеотелефонии. В городах телевизионный сигнал чаще передается по оптоволоконным кабелям.