Материал: Системы передачи и обработки данных. курс лекций. Никитин Л.Н
Еще в годы учебы, ознакомившись с телефоном Рейса, Белл решил создать аппарат, превращающий звуки в световые сигналы. Он надеялся с его помощью научить говорить глухих детей. Начиная с 1873 г. он пытался сконструировать гармонический телеграф, способный передавать по одному проводу одновременно семь телеграмм (по числу нот в октаве). Для этого он использовал семь пар гибких металлических пластинок, подобных камертону, при этом каждая пара настраивалась на свою частоту. Во время одного из опытов 2 июня 1875 г. свободный конец одной из пластинок на передающей стороне линии приварился к контакту. Помощник Белла механик Томас Ватсон, безуспешно пытаясь устранить неисправность, чертыхался. Находящийся в другой комнате и манипулировавший приемными пластинками Белл своим чутким натренированным ухом уловил звук, дошедший по проводу. Самопроизвольно закрепленная на обоих концах пластинка превратилась в своеобразную гибкую мембрану и, находясь над полюсом магнита, изменяла его магнитный поток. Вследствие этого поступавший в линию электрический ток изменялся соответственно колебаниям воздуха, вызванным бормотанием Ватсона. Практически, это и был момент зарождения телефона.
Патентную заявку на этот телефон он подал 14 февраля 1876 г., а 7 марта получил патент. Спустя три дня –10 марта 1876 г. – по 12-метровому проводу, соединявшему квартиру Балла с лабораторией на чердаке, состоялась передача первой членораздельной фразы, ставшей исторической: «Мистер Ватсон, идите сюда. Вы мне нужны!». Несмотря на положительный результат, изобретение долгое время не находило практического применения. Об этом свидетельствует документ, представленный в приложении 1.
Правда, будучи уже знаменитым и богатым, Белл сказал: «Я изобрел телефон благодаря своему незнанию электротехники. Ни один человек, хотя бы элементарно знакомый с электротехникой, ни за что бы не изобрел телефона». Зерно истины в этом заявлении есть, так как его аппарат был необыкновенно прост, а если следовал бы Белл всем законам электротехники, конструкция должна была быть намного сложнее...
Как упоминалось выше, первый телефон с постоянным магнитом, являющийся прообразом нынешнего, был создан в 1878 г. и получил название «трубки Белла». В цилиндрическом деревянном корпусе 1 располагался стержневой магнит 2 с обмоточной катушкой 3 на конце – вблизи металлической мембраны 6. Выводные концы обмотки через медные стержни 4 соединялись с зажимами телефонной цепи 5. Рупор 7 служил для концентрации колебаний воздуха, как при передаче речи, так и ее прослушивании. При ведении переговоров трубку Белла необходимо было прикладывать попеременно то ко рту, то к уху, либо пользоваться двумя трубками одновременно. Поэтому в общественных местах, где был установлен телефон, висело предупреждение: «Не слушайте ртом, не говорите ухом». Аппаратом заинтересовались деловые круги, которые и помогли изобретателю основать «Телефонную компанию Белла». Впоследствии она превратилась в могущественный концерн.
В 1878 г. Д. Э. Юз доложил Лондонскому королевскому обществу, членом которого он состоял, об открытии им микрофонного эффекта. Исследуя плохие электрические контакты, Юз обнаружил, что колебания плохого контакта прослушиваются в телефоне. Испробовав контакты, изготовленные из различных материалов, он убедился, что эффект с наибольшей силой проявляется при применении контактов из прессованного угля. Основываясь на этих результатах, Юз в 1877 сконструировал телефонный передатчик, названный им микрофоном. «Компания Белла» использовала новое изобретение Юза, так как эта деталь, отсутствовавшая в первых аппаратах Белла, устраняла основной их недостаток – ограниченность радиуса действия.
Над усовершенствованием телефона трудились многие изобретатели (В. Сименс, Адер, Говер, Штэкер, Дольбир, П. М. Голубицкий и др.). Российский ученый Михальский в 1879 году первым в мире применил угольный порошок в микрофоне. Это принцип используется до настоящего времени. Впервые введя в схему телефонного аппарата индукционную катушку и применив угольный микрофон из прессованной ламповой сажи, Эдисон обеспечил передачу звука на значительное расстояние.
Первая телефонная станция была построена в 1877 г. в США по проекту венгерского инженера Т. Пушкаша (1845– 1893), в 1879 г. телефонная станция была сооружена в Париже, а в 1881 г. – в Берлине, Петербурге, Москве, Одессе, Риге и Варшаве . Однако телефонная связь оказалась настолько низкокачественной, что в 1883 г. на Мюнхенской электротехнической выставке официальная экспертиза вынуждена была признать, что телефон «пригоден для передачи звуков только на расстояния до десяти километров».
Конструкции многополюсных телефонов, которые успешно выдержали испытания при переговорах на расстояния, превышающие 350 км, впервые создал русский физик Павел Михайлович Голубицкий. В 1883 г. он проанализировал причины неудовлетворительной работы телефонной связи и обнаружил, что низкая чувствительность и неустойчивость работы телефона объясняются расположением магнита одним полюсом против центра мембраны, поскольку именно в центре мембраны образуется узел колебаний. Простейший из созданных Голубицким телефонов – с двумя полюсами, расположенными эксцентрично относительно центра мембраны, прочно вошел в эксплуатацию. В 1883 г. во Франции успешно прошла проверка аппаратов Голубицкого на линии Париж – Нанси. Русский изобретатель получил извещение, что комиссия французского морского министерства признала его телефоны непревзойденными.
К числу изобретений Голубицкого относятся: многополюсный телефон, телефон-фонограф, микрофон с угольным порошком (1883) и с гребенчатым расположением углей (1885), рычаг переключения с вызова на разговор, объединение телефона и микрофона в единое устройство–трубку, поездной телефонный аппарат, система центральной батареи для питания абонентских аппаратов.
Для последующего развития телефонных сетей имела большое значение предложенная П. М. Голубицким (1845 – 1911) в 1885 г. схема телефонной станции с электропитанием от центральной батареи, расположенной на самой станции. Эта система питания телефонных аппаратов позволяла создать центральные телефонные станции с десятками тысяч абонентских точек. В 1882 г. П. М. Голубицкий изобрел высокочувствительный телефон и сконструировал настольный телефонный аппарат с рычагом для автоматического переключения схемы с помощью изменения положения телефонной трубки. Этот принцип сохранился во всех современных аппаратах. В 1883 г. им же был сконструирован микрофон с угольным порошком.
В 1887 г. русский изобретатель К. А. Мосницкий создал «самодействующий центральный коммутатор» – предшественник автоматических телефонных станций (АТС). Он не представлял собой АТС в современном понимании, так как коммутация соединений на станции хотя и выполнялась без телефонистки, однако, управлялась самими абонентами. В 1889 г. американский изобретатель А. Г. Строунджер получил патент на автоматическую телефонную станцию.
В 1893 г. русские изобретатели М.Ф. Фрейденберг (1858 – 1920) и С. М. Бердичевский – Апостолов предложили «телефонный соединитель». Демонстрация макета этой станции на 250 номеров, изготовленного в мастерской Одесского университета, не получила одобрения в России. В дальнейшем Фрейденберг, находясь уже в Англии, в 1895 г. запатентовал одним из важнейших узлов декадно-шаговых АТС – предыскатель (устройство для автоматического поиска вызываемого абонента), а в 1896 г. – искатель машинного типа. В том же году Бердичевский – Апостолов создал оригинальную систему АТС на 11 тысяч номеров.
Конец XIX – начало XX в. были связаны с бурным строительством сети телефонной связи. Первые сети телефонной связи создавались в городах. Сначала устанавливалась одна телефонная станция. Это означает, что первые городские телефонные сети (ГТС) были нерайонированными. Система связи состояла из трех элементов: терминал, сеть доступа и коммутатор, работа которого была невозможна без участия человека. Сеть доступа представляла собой совокупность абонентских линий (АЛ). Первые АЛ были созданы на базе воздушных линий связи. В литературе приводятся интересные сведения о строительстве телефонной сети в Санкт-Петербурге: «... вся сеть проектировалась на столбах по однопроводной схеме с использованием проволоки диаметром 2,2 мм». Подобный подход был типичен для конца XIX века и начала прошлого столетия. Провода обычно подвешивались на столбах. Подведение проводов к телефонной станции осуществлялось через специальные стойки. Суммарное число проводов, которые должны были подключаться к коммутаторам, исчислялось десятками и даже сотнями. Высота соответствующих стоек достигала на некоторых телефонных станциях 13 метров. Внутри городов связь осуществлялась как по проводам воздушной телефонной сети, так и посредством прокладки подземных кабелей, для чего использовали трубопроводы и кабельные колодцы.
Для обеспечения связи между городами прокладывались магистральные линии связи. Наиболее протяженными телефонными линиями тогда были: Париж – Брюссель (320 км), Париж – Лондон (498 км) и Москва – Петербург (660 км). Последняя линия, построенная в 1898 г. являлась самой протяженной воздушной телефонной магистралью. На междугородной телефонной магистрали Москва – Петербург в сутки осуществлялось до 200 переговоров.
В 1915 г. инженер Б. И. Коваленков разработал и применил в России первую дуплексную телефонную линию связи на триодах. Установка на линии телефонной связи промежуточного усилительного пункта позволяла значительно увеличить дальность передачи. К этому времени в мире было установлено около 10 млн телефонных аппаратов, а общая длина телефонных проводов достигла 36,6 млн км. На каждую тысячу человек в разных странах приходилось от 10 до 170 абонентов. К концу первого десятилетия ХХ в. уже действовало свыше 200 тысяч АТС [5].
3. Принципы построения телефонных сетей
Связь между абонентскими устройствами осуществляется с помощью узлов коммутации, в которых информация концентрируется и затем направляется по определенным путям. Для этого узлы коммутации соединяются между собой линейными сооружениями (соединительными линиями), в которые входят системы каналообразующего оборудования, организующие необходимые пучки каналов по кабельным, радиорелейным и спутниковым линиям связи.
Совокупность узлов коммутации, оконечных абонентских устройств и соединяющих их каналов и линий связи называют сетью телефонной связи.
Телефонная связь является одним из видов электрической связи. Для совершенствовани системы электрической связи в стране ведется большая работа по созданию Единой автоматизированной сети связи (ЕАСС). Сеть ЕАСС предназначена для передачи различных видов информации: телефонных и телеграфных сообщений программ звукового вещания и телевидения, передачи газет, данных и фототелеграмм.
Для качественной передачи различных видов информации организуют стандартные (типовые) каналы, которые характеризуются определенными параметрами. Одним из таких параметров является ширина эффективно передаваемой полосы частот, составляющая 300- 3400 Гц для передачи телефонных сообщений. Для передачи программ телевидения, газет, высокоскоростной передачи данных необходимы каналы с более широкой полосой частот-групповые тракты. Типовые каналы передачи и групповые тракты составляют первичную сеть, которая является основой ЕАСС и охватывает всю территорию СССР; из типовых каналов и групповых трактов первичной сети создаются вторичные сети ЕАСС.
Классификация телефонных сетей. Сети связи создаются для передачи информации между абонентами и бывают коммутируемыми и некоммутируемыми. Сеть называется коммутируемой, когда тракт передачи информации создается по запросу абонента на время передачи сообщения, и некоммутируемой, когда тракт передачи информации обеспечивается постоянным соединением между определенными абонентами и нет необходимости в коммутации. Телефонные сети являются коммутируемыми. Общегосударственная телефонная сеть состоит из междугородной телефонной сети и зоновых телефонных сетей. Междугородная телефонная сеть обеспечивает соединение автоматических междугородных телефонных станций (АМТС) различных зон.
Зоновая телефонная сеть состоит из местных телефонных сетей, расположенных на территории зоны и внутризоновой телефонной сети. Местные телефонные сети разделяются на городские, обслуживающие город и ближайшие пригороды (ГТС), и сельские (СТС), обеспечивающие связь в пределах сельского административного района.
Учрежденческо-производственная телефонная сеть (УПТС) служит для внутренней связи предприятий, учреждений, организаций и может быть соединена с сетью общего пользования либо быть автономной.
Построение телефонных сетей. Зоновая телефонная сеть включает всех абонентов определенной территории, охватываемой единой семизначной нумерацией, и является частью ОАКТС. Территории зоновых сетей совпадают с территориями административных областей (республик). В зависимости от конфигурации области и телефонной плотности территории нескольких областей могут быть объединены в одну зону и, наоборот, одна область может быть разделена на две зоны и более. Зоновая сеть включает в себя ГТС и СТС, причем на территории одной зоны может быть несколько ГТС и СТС. Крупные города с семизначной нумерацией выделяются в самостоятельные зоны.
Сельские телефонные сети охватывают более обширные территории, чем городские, но плотность телефонных аппаратов значительно меньше. Поэтому емкость автоматических телефонных станции АТС в сельских местностях значительно меньше, чем в городах.
В районном центре сельской местности устанавливается центральная станция (ЦС), которая является коммутационным узлом и выполняет одновременно функции городской телефонной станции районного центра. Из-за большой территории СТС и малой плотности телефонных аппаратов непосредственное включение всех абонентских линий в ЦС экономически не оправдано. Поэтому на СТС применяют узлообразование с различной степенью децентрализации станционного оборудования.
а - одноступенчатая, б - двухступенчатая
Рис.3.1. Схемы построения сельской телефонной сети
В настоящее время используют одно- и двухступенчатое построение СТС.
При одноступенчатом построении СТС (рис. 3.1, а) кроме ЦС имеются оконечные телефонные станции ОС, включаемые непосредственно в ЦС районного центра. В этом случае в соединении между сельскими абонентами двух различных ОС участвует только один узел автоматической коммутации - станции ЦС.
На СТС, занимающих большую территорию из экономических соображений, применяют двухступенчатое построение с различными коммутационными узлами (рис. 3.1, б). В этом случае на СТС устанавливают ЦС, ОС и узловые станции (УС). Наибольшее количество станций, через которые могут соединяться абоненты на СТС, достигает пяти (ОС - УС - ЦС - УС - ОС).
Зоновые сети имеют оконечные АМТС, входящие в междугородную телефонную сеть. Через АМТС междугородная сеть объединяет все зоновые сети в единую ОАКТС. Городская и сельская телефонные сети связаны с АМТС своей зоны. Если в зоне несколько таких АМТС, одна из них является основной, причем АМТС одной зоны связываются между собой каналами по принципу "каждая с каждой". С АМТС зоны непосредственно соединяются районные АТС (РАТС) или междугородные узлы входящего сообщени городских телефонных сетей (УВСМ).
Рис.3.2. Схема построения зоновой сети
Для объединения зоновых телефонных сетей страны в общегосударственную создается междугородная телефонная сеть, в которую входят узлы автоматической коммутации первого класса (УАК-1) и второго класса (УАК-Н).
Упрощенная структурная схема ОАКТС приведена ниже.
Все узлы автоматической коммутации УАК-1 соединяются между собой по принципу "каждый с каждым", обслуживают определенные территориальные районы и являются центром сети радиально-узлового построения. Узлы автоматической коммутации УАК-1 объединяют УАК-11 и АМТС. Все АМТС, расположенные на зоновых сетях, являются оконечными станциями междугородной сети, а УАК.-транзитными. При большой нагрузке между АМТС устанавливается непосредственная связь.
Городская телефонная сеть ГТС состоит из комплекса сооружений (станционное оборудование, здание, линейные сооружения, абонентские устройства и др.), обеспечивающих телефонной связью абонентов города и прилегающих к нему пригородов. Стоимость линейных сооружений в значительной степени зависит от принципа построения ГТС и ее емкости.
Рис. 3.3. Структурная схема ОАКТС
По принципу построения ГТС делятся на нерайонированные и районированные. Районированные телефонные сети, в свою очередь, подразделяются на ГТС без узлов, ГТС с узлами входящего сообщения (УВС), а также с узлами исходящего (УИС) и входящего сообщений.
Простейшей является нерайонированная телефонная сеть, имеющая одну АТС, линейные сооружения которой состоят только из абонентских линий.
На нерайонированной сети могут быть соединительные линии (СЛ, СЛМ, ЗСЛ), необходимые для связи АТС с учрежденческо-производственной телефонной станцией УПАТС и междугородной телефонной станцией АМТС.
Структурная схема нерайонированной ГТС небольшого города представлена на нижнем рисунке слева. К городской автоматической телефонной станции (ГАТС) подключены индивидуальные абонентские линии, абонентские линии со спаренными телефонными аппаратами и линии таксофонов. Одновременно ГАТС связана односторонними соединительными линиями с АМТС и УПАТС. К АМТС подключены междугородные каналы и переговорные пункты: центральный (ЦПП) и районный (РПП). Кроме того, ГАТС выполняет роль связующего звена между УПАТС и АМТС, не имеющими непосредственной связи между собой.