Изобретение

Жака Бодо

Удивительный мир творчества! Он возник вместе с рождением самого человечества и поистине не имеет границ в наши дни. Примером тому может служить гениальное озарение нашего далекого предка, который прикрепил камень к палке и таким образом подарил человечеству молоток. С той поры прошел добрый миллион лет, а неугомонные изобретатели не устают совершенствовать это древнейшее изобретение: появились молотки, облегчающие и ускоряющие труд, молотки с программным управлением, автоматически, без участия человека, забивающие гвозди.

В предыдущих главах мы уже рассказали о целом сонме изобретений в области электротехники, телеграфии, телефонии, радиосвязи и называли имена прославленных ученых и изобретателей - Вольта, Морзе, Белла, Герца, Попова... Перечень достижений творческой мысли можно было бы многократно продолжить от первых маяков до сегодняшних телевизионных башен, от примитивных сигнальных приспособлений до современных космических радиокомплексов.

Как приходит к человеку-изобретателю озарение, или, как сейчас модно говорить, "инсайт"? Мы пока не знаем этого, не создана еще наука о творческом мышлении человека, о том, каким образом постигает он тайны окружающего мира. И хотя написаны целые книги об изобретательской деятельности, для большинства людей сама эта деятельность кажется во многом загадочной,таинственной.

Мы не собираемся разрушать сложившиеся у читателя представления о творчестве изобретателей - без толики мифа, тайны, непостижимости наша жизнь изрядно обеднела бы и поскучнела. В этой главе мы решили рассказать еще об одном замечательном изобретении, появившемся в середине прошлого века во Франции. Выбор не случаен. Именно оно чудесным образом перевернуло развитие техники передачи цифровой информации по линиям связи.

Изобретения не рождаются сами по себе. Чтобы появилось изобретение, должна существовать проблема, требующая своего разрешения. Такая проблема уже возникла в середине XIX в. К тому времени телеграф широко распространился по всему миру. Достаточно сказать, что общая протяженность телеграфных линий в Европе, например, в 1855 г. составляла почти 40 тыс. км, а через 10 лет, в 1865 г., она увеличилась до 160 тыс. км, т. е. в 4 раза. Однако темпы строительства телеграфных линий не могли угнаться за потребностью в услугах телеграфной связи. За тот же период число переданных телеграфных депеш возросло с 2 до 18 млн шт., т. е. в 9 раз.

За счет чего же темпы роста телеграфного обмена (есть такой специальный термин) оказались выше темпов строительства телеграфных линий? Как удалось передать телеграмм в 9 раз больше, если число телеграфных линий увеличилось лишь в 4 раза?

В те времена были известны два пути повышения эффективности использования линии связи. Первый - совершенствование организации работы телеграфной службы и телеграфных аппаратов. Другими словами, телеграммы следовало передавать без промедления, одну за другой и с возможно большей скоростью, т. е. как можно больше букв в минуту. Однако такой способ более эффективного использования линии связи очень быстро оказался исчерпанным. Причина проста и естественна: как бы ни улучшался телеграфный аппарат, скорость работы на нем даже опытного телеграфиста не превышает 240-300 букв/мин. Увы, есть предел у человека в "игре" на клавишах.

Второй путь требовал гораздо больших материальных затрат. Дело в том, что основным типом линий связи в XIX в. были воздушные линии. Вот что они собой представляли. На столбах (их называют опорами) подвешивался стальной провод диаметром 3-6 мм, а вторым проводом служила земля. По мере необходимости, т.е. когда обмен телеграфными депешами возрастал настолько, что передавать их по этому проводу попросту не успевали, на эти же столбы подвешивался второй провод, затем третий и т.д. Такие линии связи можно назвать многопроводными. Например, в России первая однопроводная телеграфная линия была проложена в 1854 г., а уже через год, в 1855 г., возникла потребность в подвеске второго провода. К 1857 г. в стране существовали пятипроводные телеграфные линии, а на отдельных, особенно загруженных телеграфными депешами, участках число висящих на опорах проводов достигало 8-12.

Все это привело к тому, что уже в 1865 г. длина телеграфных проводов в Европе почти в 3 раза превышала длину телеграфных линий связи и составляла около 450 тыс. км. Между тем изготовление и подвеска каждого последующего провода требовали огромных по тем временам расходов. Да и подвешивание новых проводов не могло продолжаться бесконечно. Ставить же рядом новые опоры - и дорого, и громоздко. Как быть?

Назрела проблема, требовавшая немедленного решения. Надо заметить, что данная проблема актуальна и по сей день. Возьмем, к примеру, современную спутниковую линию связи. В принципе, она позволяет организовать обмен цифровой информацией (а это может быть либо речевое сообщение, либо сведения из банка данных, либо видеоизображение и т. п.) между двумя любыми точками нашей планеты. Но вряд ли кому придет в голову использовать линию для передачи информации только от одного пользователя к другому. Во-первых, это очень дорого (напомним, лишь запуск спутника связи обходится, по данным зарубежной печати, в несколько десятков миллионов долларов, что накладно даже миллионеру). Во-вторых, это просто-напросто неэффективно: в линию "вложены" колоссальные средства, а предоставляется она каждый раз только двум пользователям. Гораздо выгоднее как можно большему числу пользователей дать возможность за вполне умеренную плату "арендовать" на время обмена информацией "космический мост". Но поскольку каждый из них может выразить желание воспользоваться линией связи в удобное для него время и не захочет мириться с тем, что кто-то уже занял ее, решение проблемы может быть только таким: все абоненты должны пользоваться линией связи одновременно.

- Да ведь они же будут мешать друг другу! - удивится читатель.

В том-то и состоит задача - передать по одной линии связи одновременно несколько цифровых потоков таким образом, чтобы они не накладывались один на другой. Применительно к середине XIX в. эта задача формулировалась так: нужно было научиться передавать по одному проводу сразу несколько телеграмм.

Над ее разрешением бились многие изобретатели. В 1853 г. англичанин Г. Фармер обратил внимание на то, что телеграфист после передачи каждого сигнала делает паузу перед передачей следующего сигнала. Как бы ни была мала пауза, она всегда достаточна, чтобы в этот промежуток передать дополнительно еще несколько сигналов. Основываясь на своих наблюдениях, Фармер предложил подключать к проводу не один, а два или даже больше телеграфных передатчиков, предоставляя единственный провод каждому передатчику по очереди с помощью специального устройства - распределителя. Идея, что и говорить, соблазнительная.

Попытки осуществить предложение Фармера предпринимались не раз. В 1860 г. английский механик Д. Беркет разработал такой распределитель, который позволял совместно работать нескольким передатчикам телеграфных аппаратов. Однако его механизм получился слишком сложным, громоздким, ненадежным и, в конце концов, неработоспособным. Сохранились свидетельства того, что свои конструкции распределителей предлагали в 1863 г. русский изобретатель В.Струбинский и в 1872 г. немецкий изобретатель Б. Майер. Но и они оказались неудачными.

Француз Жан Бодо, тот самый механик из Парижа, который предложил, как вы помните, кодировать буквы и цифры 5-разрядным двоичным кодом, оказался удачливее всех.

#f.jpg_16  Ж. Бодо родился 11 сентября 1845 г. в тихом провинциальном городке в департаменте Марна (Франция). Его семья не отличалась знатностью рода: отец тачал штиблеты и сапоги своим согражданам, мать была портнихой. Однако родители сумели дать сыну образование. Еще в школе Жан проявил способности к точным наукам, в частности к механике. Это увлечение привело его в 1869 г. в Париж, где он был принят на работу служащим в управление телеграфными линиями.

Благополучно начавшуюся карьеру прервала франко-прусская война. В 1870 г. Жан Бодо был призван в армию, получил чин лейтенанта, а вместе с ним под свое начало подразделение оптического телеграфа.

Исход войны оказался драматичным для Франции. В 1871 г. был подписан унизительный для нее Франкфуртский мир. Потрясенный прусским нашествием 26-летний Жан Бодо решил не возвращаться в Париж и, демобилизовавшись из армии, уехал в город Бордо и поступил там на телеграф. Однако расставание с Парижем оказалось недолгим. Выдающиеся способности молодого механика были быстро замечены, и уже в 1872 г. управляющий телеграфом содействовал переводу Бодо снова в Париж, на центральный телеграф. Вновь начинается парижский, на этот раз поистине блестящий период деятельности французского изобретателя.

...Париж. Уже два года работает Бодо на центральном телеграфе. Он полон честолюбивых замыслов и желания усовершенствовать телеграфный аппарат. Бодо уже пришел к твердому и окончательному выводу об оптимальности разработанного им 5-разрядного двоичного кода для передачи телеграфных сигналов. Взяв этот код за основу, он напряженно искал пути более эффективного использования телеграфного провода. Как подключить к проводу сразу два аппарата, чтобы они не мешали один друг ому? - такая мысль неотступно преследовала его.

1874 г. принес французскому механику небывалый успех. Запатентована первая в мире двухкратная система телеграфирования. Достижение означало, что отныне но одному, подвешенному на опорах проводу (вторым проводом, напомним, была земля) могли одновременно и независимо работать два аппарата. Изобретатель не останавливается на этом. Через два года, в 1876 г., он предлагает пятикратную систему телеграфирования. Теперь к одному проводу подключается сразу пять аппаратов. В 1877 г. вводится в действие первая в мире линия многократного телеграфирования Париж-Бордо. С этого времени многократный телеграф начал победное шествие по всему свету.

Всю свою жизнь Жан Бодо улучшал телеграфную аппаратуру. Его заслуги признаны и оценены потомками. В его честь названа единица скорости телеграфирования - Бод, определяемая как одна элементарная посылка (импульс) тока за 1 с. Почти целый век, вплоть до 50-х годов XX столетия, изобретение Бодо в его первозданном виде исправно служило людям, а сейчас на его основе создаются самые совершенные системы передачи цифровой информации.

Принцип использования телеграфной линии сразу несколькими аппаратами был довольно прост. На передающей и приемной станциях устанавливались абсолютно одинаковые устройства, их называли распределителями. Распределитель представлял собой круглый диск, на котором укреплялись неподвижные контакты-ламели. К каждой ламели подключался свой телеграфный аппарат (ТгА, см. рисунок).

Кроме неподвижных контактов на диске имелся один подвижный - щетка, - связанный с телеграфным проводом. Щетка приводилась в движение мотором. Вращаясь вокруг своей оси, она поочередно касалась каждой неподвижной ламели и таким путем соединяла подключенный к ламели телеграфный аппарат с проводом. Каждому аппарату провод предоставлялся периодически на короткое время - на то время, пока щетка скользила по ламели.

Очевидно, связать передающий и приемный аппараты друг с другом можно только тогда, когда щетки обоих распределителей одновременно пройдут по ламелям, принадлежащим этим аппаратам. Чтобы не путаться, аппараты на передаче и приеме подключают к идентичным ламелям.

Вы, вероятно, уже сообразили, что главное здесь - вращение щеток распределителей с одной и той же скоростью. И начинать свое вращение они должны, конечно же, с одинаковых положений, например с первых ламелей. Если не выполнить последнее условие и, скажем, заставить передающую щетку начать движение с первой ламели, а приемную щетку - со второй, то 1 -й аппарат на передающей станции окажется связанным со 2-м аппаратом на приемной станции, 2-й передающий аппарат - с 3-м приемным аппаратом и т.д. Возникает полная неразбериха, образно говоря, испорченный телефон.

Вращение щеток с одной и той же скоростью называется синхронным (от греческого σνγχρoνoς  - одновременный), а при совпадении их начальных положений еще и синфазным.

Что же можно успеть передать и принять за тот миг, пока аппараты подключены к проводу? Да практически все, что нужно. Взгляните на рисунок. Двоичные импульсы поступают с телеграфных аппаратов каждый своим чередом, со своей скоростью. И за то время, пока на каждом аппарате "стоит" свой импульс, щетка передающего распределителя успевает поочередно "опросить" все аппараты. Следовательно, за этот промежуток времени по проводу передаются "кусочки" импульсов от всех аппаратов.

Вас тревожит, что импульсы в телеграфной линии оказались "укороченными"? Ну, это не беда. Как говорится, "в тесноте, да не в обиде". Электромагниты приемников все равно успеют зафиксировать их. Зато однопроводная телеграфная линия стала использоваться эффективнее: ведь теперь по ней могут "переговариваться" одновременно, не мешая друг другу, несколько пар абонентов.

Обратите внимание, скорость передачи двоичных цифр в телеграфном проводе возросла - она стала больше той, которая имела бы место при подключении к проводу только одного передатчика и одного приемника (в примере на рисунке - в 4 раза).

А сколько телеграфных аппаратов можно подключить таким способом к одному проводу или, иными словами, до какой степени можно "укорачивать" передаваемые импульсы? Это определяется несколькими факторами. Прежде всего тем, какой длительности импульсы способно зарегистрировать приемное устройство. Во времена Бодо в приемниках телеграфных аппаратов использовались электромагниты. Ясно, что они не могли фиксировать очень короткие импульсы, поэтому к проводу нельзя было подключать более 5-9 телеграфных аппаратов. Скорость передачи двоичных цифр в линии была невысока - 75-100 бит/с. Вот и успевали за минуту передать лишь 800-1200 букв или других знаков. Современные же электронные устройства регистрации умеют "ловить" чрезвычайно короткие импульсы, например такие, которые образуются лишь при скоростях в сотни мегабит в секунду.

Кроме того, для распространения по линии коротких импульсов (а это значит - передача высокоскоростная) она должна быть широкополосной, скажем, такой, как спутниковая или оптическая. Наконец, когда с линией соединено много аппаратов, механические распределители не будут успевать "обслуживать" их. Нужны быстродействующие "электронные щетки". Значит, если использовать электронные регистраторы сверхкоротких импульсов, "быстрые" электронные распределители и современные линии связи, то окажется возможным предоставлять линию сразу многим абонентам. И притом не десяткам, а сотням и даже тысячам.

Изобретение Ж. Бодо, появившись на свет в эпоху примитивных телеграфных аппаратов и "столбовых" телеграфных линий, спустя столетие, в век электроники и компьютеров, обрело новую жизнь в виде современнейших, сплошь начиненных микросхемами систем передачи. В них движущиеся к одним и тем же пунктам "хилые" потоки цифровой информации от отдельных источников - людей, компьютеров и т. п. - собираются в мощный поток цифр, "бешено" несущихся по скоростной (подземной, космической или другой) супермагистрали. Таков наш стремительный век.

Сейчас обратимся к техническим терминам. Не пугайтесь, мы не собираемся ими подавлять вас. Говоря языком инженеров, Бодо организовал для каждой пары телеграфных аппаратов свой канал связи. На рисунке их четыре. Канал не существует постоянно, все время. Вы видите, что связь между аппаратами периодически прерывается. Она возникает только в строго определенные, отведенные для данной пары аппаратов, промежутки времени, которые так и называют "канальные". Ущерба в этом нет никакого: ведь каждый импульс (неважно, что он "укороченный") успевает "добежать" по проводу до приемника.

Можно организовать подобных каналов не четыре, а больше. Но сколько бы их ни было, они не мешают друг другу, поскольку каждый "работает" в свое время. Про них говорят: каналы разделены во времени, что на просторечном языке звучит как "всяк сверчок знай свой шесток". Когда специалисты произносят слова "многоканальная система передачи цифровой информации с временным разделением каналов", они прекрасно понимают, что скрывается за этими скучными, сугубо техническими терминами.

Давайте попробуем вместе с вами реализовать идею Бодо - передачу по одной линии связи потоков цифр от нескольких телеграфных аппаратов, - но на основе современных технических средств.

Прежде всего для организации каналов нам потребуются "электронные щетки", которые будут подключать по очереди телеграфные аппараты к линии. Подобные устройства выпускаются промышленностью, и мы можем воспользоваться готовыми изделиями. Это - мультиплексоры. Выполняются они в виде очень компактных микросхем, а их функции - как раз те, что заложены в механических распределителях Бодо: подключение того или иного из соединенных с их входами устройств к общему выходу. Полому в корпусе микросхемы предусмотрены ножки, которые являются входными шинами (в зависимости от типа микросхемы число этих ножек может быть разным), а также одна ножка - выходная шина. Просим не путать эти шины с автомобильными. Напомним, что в микроэлектронике шина — это провод, точнее токопроводящая металлическая дорожка, нанесенная специальным образом на кристалле микросхемы.

Но иметь мультиплексоры - еще полдела. Образно говоря, они подобны помещению с несколькими входными дверями и одной выходной. Кто-то еще должен открывать двери. В распределителе Бодо эту "миссию" брал на себя мотор - он "вел" щетку по ламелям. В мультиплексоре этим занимаются специальные управляющие импульсы. Они-то и приоткрывают на миг каждую его "входную дверь", пропуская "томящийся" за ней импульс.

Система управления мультиплексором заслуживает того, чтобы немного на ней задержаться. Для подачи управляющих импульсов в корпусе микросхемы предусмотрены дополнительные ножки. Почему мы употребили множественное, а не единственное число "ножка"? Дело в том, что управление "дверями" осуществляется двоичным кодом. И для каждого разряда нужна своя ножка. Кстати, вы уже сталкивались с этим, когда читали главу "Волшебный шкафчик", где речь шла о выборе с помощью двоичного кода ячейки памяти в запоминающем устройстве.

Представьте, что мультиплексор имеет четыре входа. Тогда для перебора всех входов достаточно использовать 2-разрядный двоичный код, дающий четыре комбинации цифр: 00, 01, 10, 11, и, значит, для организации управляющих шин в корпусе нужны всего две дополнительные ножки - по числу разрядов.

Соединение аппаратов с линией происходит по очень простому правилу: на управляющих шинах комбинация 00 - к выходу мультиплексора подключен его первый вход; комбинация 01 - подключен только второй вход; комбинация сменилась на 10 - только третий вход и, наконец, при комбинации 11 - подключен только четвертый вход. Удобно? Несомненно. Ведь если входов не четыре, а, скажем, восемь, для управления достаточно иметь три двоичных разряда, в случае 16 входов - четыре разряда, а для 32 входов - всего пять разрядов.

- Но кто должен менять комбинации управляющего кода? - воскликнет недоумевающий читатель.

Нам крупно "повезло", что мы живем не в XIX, а в XXI в. Достигнуты такие фантастические успехи в развитии микроэлектроники, что почти не приходится заботиться о разработке таких "мелочей", как устройство для смены кода. Разумеется, оно давно существует в виде микросхемы и называется двоичным счетчиком. Промышленностью выпускаются самые разнообразные счетчики. Все они "умеют" считать двоичные числа: одни - от 0 до 3, другие - от 0 до 7, третьи - от 0 до 15 и т. д. Выбирайте подходящий для вас счетчик, соединяйте его разрядные шины с управляющими шинами мультиплексора и, пожалуйста, предоставляйте поочередно линию каждому телеграфному аппарату.

Впрочем, есть одна небольшая деталь: счетчик "называет" следующую цифру только при получении разрешения. Кто же дает разрешение? Это делает еще одна, третья но счету, микросхема - тактовый генератор, который, как бы отбивая такт за тактом, выдает один за одним импульсы, "разрешающие" счет.

Пусть вас не смущает тот факт, что для создания "электронных щеток" пришлось использовать не одну, а несколько микросхем. В основном так и проектируют сейчас сложные устройства: их собирают из стандартных микросхем подобно тому, как ребенок собирает понравившуюся ему модель из стандартных деталей конструктора или, еще более близкий пример, как из одного и того же набора "радиокубиков" в руках юных радиолюбителей рождаются совершенно различные радиотехнические устройства - радиоприемники, усилители, генераторы, "мигалки" для елочных гирлянд и др. Однако современный уровень микроминиатюризации электронных схем таков, что не представляет труда изготовить все используемые нами устройства в одной интегральной схеме с большей степенью интеграции - ВИС. Так что, если это вам необходимо, делай те индивидуальный заказ и получайте вашу специализированную БИС.

Довершим проектирование нашей "многоканальной системы передачи цифровой информации с временным разделением каналов" (так официально называется то, что мы с вами делаем). Очевидно, "электронные щетки" на приемной станции не отличаются от своих собратьев, "работающих на передачу": они аналогичным путем подключают линию поочередно к приемным аппаратам. Только называют их демультиплексором, подчеркивая приставкой "де" обратную по сравнению с мультиплексором функцию: не аппараты - к линии, а линию - к аппаратам. В качестве линии связи выберем самую современную - одно из волокон в оптическом кабеле связи. Ввести в него луч света проще всего с помощью светодиода, а управлять его световым потоком будут сами передаваемые импульсы: есть импульс на выходе мультиплексора - светодиод излучает свет, нет импульса - и светодиод "молчит". Проект готов - с помощью современного оборудования организовано четыре канала для передачи цифровых потоков между телеграфными аппаратами.

Не следует думать, что таким путем можно создавать каналы только для телеграфных сообщений. В схеме ничего не изменится, если вместо них на входы мультиплексора будут поступать двоичные импульсы, например, речевых сигналов (надеемся, вы еще не забыли, как их получают?). Правда, скорости цифровых потоков при разговорной речи в сотни раз выше, чем при телеграфировании, и это требует более частого открывания "дверей" мультиплексора. Но данная проблема решается довольно просто: нужно только повысить в соответствующее число раз частоту следования импульсов тактового генератора.

Быстродействие микросхем - одна из важнейших их характеристик. Лучшие из них могут переключаться с частотой более миллиарда раз в секунду, т.е. через каждую миллиардную долю секунды. Немыслимое быстродействие! Его даже трудно представить. И это дает основания для самых оптимистических прогнозов в применении микросхем при организации высокоскоростных потоков цифровой информации.

 

Ручейки сливаются в реки

Цифровой поток... Название на первый взгляд действительно странное. В обыденной речи куда чаще встречаются другие, более привычные словосочетания: воздушный поток, водный поток, финансовый поток. Эти слова вызывают у каждого из нас самые разные ассоциации. При упоминании, например, о воздушном потоке одни представляют легкий воздушный шар, увлекаемый им, другие - вихри и ураганы, нередко приводящие к катастрофам.

Вероятно, самые широкие представления связаны у многих с сочетанием "водный поток". Это может быть и непокорная горная речка, "кипящая" и извивающаяся, словно змея меж расщелин, и могучий водопад, с грохотом бросающийся со скалы, и тихо журчащий родничок, дарующий путникам живительную влагу.

При упоминании же о потоках цифровых никаких особых ассоциаций не возникает. И это естественно, ведь мы их не видим. Нет у человека органов чувств, способных улавливать биты, "перевозимые" таким неосязаемым транспортом, как радиоволны, инфракрасный лазерный луч, электрический ток. Человек, правда, придумал много всяких "хитрых" приборов, расширяющих возможности органов чувств, однако на сегодняшний день среди них нет такого, который бы позволил увидеть цифровой поток, так сказать, воочию.

Мы уже не раз прибегали к разного рода аналогиям. Например, колебания синусоидального тока сравнивали с колебаниями маятника, строение атома - со строением Солнечной системы. И хотя физическая сущность сравниваемых явлений и процессов была разной, а сходство между ними - чисто внешним, это помогало нам достаточно просто объяснить многие сложные вещи. Вот и сейчас удобно сравнить цифровые "потоки-невидимки" со зримо ощутимыми потоками воды в полноводных реках, небольших речушках и зыбких ручейках.

Как ручейки сливаются в реки, так и малые потоки информации, направляясь в единое "русло" - линию связи, - образуют более крупные. Характер реки (малой, средней, большой) независимо от ее длины, площади бассейна, географического положения можно точно определить по такому показателю, как средний расход воды. Это объем воды в кубических метрах, протекающей в течение 1 с через сечение русла реки в месте наблюдения. При слиянии двух и более рек средний расход воды образовавшегося единого потока равен сумме этих показателей для каждой реки. Например, средний расход воды Волги у города Волгограда составляет 8060 м3 /с, а реки Камы в месте впадения в Волгу - 3 500 м3/с, значит, все остальные реки, речушки и ручьи, образующие саму Волгу, имеют средний расход, равный разности этих двух величин, - 4 560 м3/с.

Подобная картина происходит и при объединении нескольких цифровых потоков. Их скорости - число бит, переданных по линии за секунду, - суммируются. Так, если четыре потока цифр, каждый со скоростью 100 бит/с, объединить в один поток, как это мы делали в предыдущей главе, скорость последнего возрастет до 400 бит/с.

Каждая река и речушка на нашей планете неповторимы, уникальны, т.е. существуют как бы в единственном экземпляре. Даже такая характеристика, как расход воды, строго индивидуальна и регулируется самой природой. Попытки человека изменить ее чаще всего приводят к отрицательным экологическим последствиям (поэтому и были объявлены "вне закона" проекты переброски части стока северных рек в бассейн Волги и поворота сибирских рек).

Потребности людей в общении, в обмене различного рода информацией также очень индивидуальны. Изучение информационных потоков (аналогичное анализу потоков пассажиров на городском транспорте) позволило выяснить, сколько требуется для общения людей каналов связи. Для различных населенных пунктов это число разное. Например, в таком крупном городе, как Москва, междугородная телефонная станция вынуждена предоставлять своим абонентам десятки тысяч только телефонных каналов связи с разными городами, а кроме того, есть запросы на междугородные каналы для телеграфа, видеотелефона, компьютера и т. п. В то же время в небольшом районном центре оказалось достаточным иметь десятка два-три телефонных каналов, да с десяток телеграфных. Реки и ручейки информации, бурное половодье и тихие заводи. Цифровые потоки - это последовательности нулей и единиц, передаваемых по линии связи. Две цифры - 0 и 1- могут нести информацию о речи, тексте, изображении и т.д. При этом скорости потоков будут, естественно, отличаться: для текста - 50-100 бит/с, для компьютерных данных - 200 бит/с и выше, для речи - 64 кбит/с, для подвижной "картинки" - более 100 Мбит/с.

Как же "строить" цифровые системы передачи? Сколько цифровых потоков можно объединять и направлять в одну линию связи - провод в электрическом кабеле, ствол в радиорелейной или спутниковой линии, волоконный световод в оптическом кабеле? Можно ли стандартизовать скорости передачи?

Начнем с того, что узлы различных систем передачи должны быть однотипными или, иначе, унифицированными. Эта мысль не является оригинальной. Совершенно очевидно, что в заводских условиях легче наладить производство однотипной аппаратуры, чем разнотипной. Кроме того, при наличии большого "ассортимента" оборудования пришлось бы выпускать еще и толстые каталоги всех его разновидностей. А так - набирай по желанию любую систему передачи из стандартных заводских "блоков".

Не нужно еще забывать, что цифровые системы передачи разрабатываются и применяются во всем мире. Коммуникации связи давно уже не знают государственных границ, особенно в наше время. Представьте, что каждая страна начнет выпускать аппаратуру, не согласовывая ее со стандартами, принятыми в других странах. В этом случае придется навсегда расстаться с надеждой связать устойчивой телефонной связью, скажем, Москву и Вашингтон. Значит, государства должны договориться, на каких принципах они будут проектировать аппаратуру.

С этой целью создан межгосударственный орган - Международный союз электросвязи (МСЭ), работающий в Женеве (Швейцария). Он рекомендует строить цифровые системы передачи по иерархическому принципу.

Иерархия (от греческих слов ιερoς - священный и  αρoς - власть) - порядок подчинения нижестоящих органов и должностных лиц вышестоящим по строго определенным ступеням (иерархическая лестница). Это - одна общепринятая трактовка. Согласно другой, иерархия - расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему. И в природе, и в обществе мы часто сталкиваемся с различными иерархиями.

Планета Земля вместе с еще восемью планетами входит в Солнечную систему. В свою очередь, наша Солнечная система - это маленькая частица громадной звездной системы, которую называют Галактикой. Подсчитано, что только в нашем "звездном острове" - Галактике - существует до 1,5 млрд планетных систем типа Солнечной. Велика и грандиозна наша Галактика. От одного ее края до друг ого свет бежит почти 100 тыс. лет, а ведь от ближайшей звезды он доходит до нас примерно за 4 года.

Если наша Галактика - это звездный город или звездный остров в безбрежном океане Вселенной, то иные галактики - это другие звездные города, другие острова Вселенной. Так же как острова в океане, галактики образуют местами архипелаги - скопления десятков, а иногда и тысяч галактик. Это - Сверхгалактика. Ее диаметр составляет около 100 млн световых лет, а общая масса равна примерно квадриллиону солнечных масс.

Известно много других скоплений галактик. Все доступные для наблюдений области Вселенной входят в состав системы еще более грандиозной, чем Сверхгалактика. Эту систему называют Метагалактикой, но до ее границ ученые еще не добрались.

Другим примером иерархического построения системы является календарь. Да-да, обычный календарь, которым мы так привыкли пользоваться, что даже и не вполне отдаем себе отчет в том, как велика в нашей жизни и во всем нашем мышлении роль упорядоченного счета времени.

Считают, что само слово "календарь" произошло от одного из латинских слов calco - "провозглашать" или calcodarium - "долговая книга". Первое из них напоминает о том, что в Древнем Риме начало каждого месяца, в отличие от прочих дней, провозглашалось особо, а второе - о том, что первого числа месяца необходимо было платить долги. Календарем принято называть определенную систему счета продолжительных промежутков времени с подразделением их на отдельные, более короткие периоды - годы, месяцы, недели, дни.

Потребность в измерении времени возникла у людей уже в глубокой древности, и простейшие системы счета времени - первые календари - появились много тысячелетий назад, на заре человеческой цивилизации. Люди измеряли промежутки времени, сопоставляя их с явлениями, которые повторяются периодически. Это прежде всего смена дня и ночи, она дала людям естественную единицу времени - сутки, смена фаз Луны, происходящая в течение месяца, и смена времен года. Вначале счет времени был весьма примитивным. Но в дальнейшем, по мере развития человеческой культуры и возрастания практических потребностей людей, календари совершенствовались, и в конце концов был создан привычный для нас календарь, названный григорианским в честь папы Григория XIII, осуществившего в 1582 г. реформу действовавшего до этого юлианского календаря.

Иерархия календаря состоит в следующем. За единицу измерения выбраны сутки. Семь суток объединяются в неделю. Из четырех или четырех с половиной недель образуется месяц. Три месяца составляют квартал. Четыре квартала - год. Годы складываются в десятилетия и века, а века в тысячелетия. При необходимости эту иерархию можно продолжить и "вниз" от суток: сутки состоят из 24 ч, час - из 60 мин и т.д.

Иерархия, рекомендованная для цифровых систем передачи, чем-то похожа на иерархию календаря. Прежде всего необходимо было выбрать некоторую единицу измерения - "элементарную" скорость цифрового потока, - единую для всех стран и предприятий, выпускающих аппаратуру систем передачи, и позволяющую измерять скорость суммарных цифровых потоков. Такой "единичной" скоростью во всем мире принята скорость передачи цифровой речи, равная, как вы помните, 64 кбит/с. Выбор этой величины в качестве единицы объединения цифровых потоков определяется, скорее, традициями, нежели какими-то другими соображениями. Дело в том, что несмотря на возрастающее многообразие источников информации, их удельный вес в информационных потоках между людьми остается все же пока небольшим. Основным источником информации по-прежнему является человеческая речь. Вот тому пример. В настоящее время доля так называемых телефонных каналов (т.е. предназначенных для передачи голоса, речи) составляет 80-90 % общего числа каналов в системах передачи. По прогнозам специалистов, в будущем эта доля может только увеличиваться, поскольку человек всегда стремится к непосредственному, "живому" общению с другими людьми. Трудно предположить, что по мере развития человеческого общества потребность в телефонных каналах будет уменьшаться.

Еще немного о терминологии. Пусть необходимо объединить в один цифровой поток для передачи его по линиям связи два потока, скорость передачи цифр в каждом из которых равна 64 кбит/с. Это можно сделать с помощью мультиплексора (помните, устройства с поочередно открывающимися "дверями"?).

Скорость цифрового потока на его выходе будет, естественно, равна 128 кбит/с. Таким образом будет создана цифровая система передачи с двумя каналами. Если объединить, скажем, пять таких "стандартных" цифровых потоков, то речь пойдет о пятиканальной цифровой системе передачи со скоростью потока на ее выходе 64х5 = 320 кбит/с. С помощью этой аппаратуры по одной паре проводов (одному оптическому волокну, одному радиостволу) смогут разговаривать одновременно, не мешая друг другу, пять пар абонентов.

Канал, в котором биты "бегут" со скоростью 64000 цифр/с, получил название основного цифрового канала. Возможности любой цифровой системы передачи оцениваются числом организованных с ее помощью именно таких стандартных каналов.

На какое же число каналов рассчитаны современные системы передачи? Прежде чем ответить на вопрос, обратимся к истокам развития систем цифровой связи. Успешное внедрение телеграфной системы Бодо стало сильнейшим стимулом для поиска путей "оцифрования" всех видов информации и в первую очередь телефонных сообщений. Однако только в середине 30-х годов XX в. были сформулированы теоретические основы для создания универсального метода превращения аналоговых, или непрерывных, сигналов в цифровые. Замену непрерывного тока кодированной комбинацией импульсов инженеры назвали импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). В сущности, вы с ней подробно знакомились в первой части книги на примере работы аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Поэтому цифровые системы передачи во всем мире называют еще системами передачи с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ-системами).

Разработка техники ИКМ началась в европейских странах, но разразившаяся в 1939 г. вторая мировая война прервала этот процесс и центр научных исследований переместился в Америку. В 1947 г. фирма "Bell" опубликовала первые сообщения о полностью работоспособной системе с ИКМ. Однако до широкого внедрения цифровых систем передачи оставалось еще почти 15 лет. Такая задержка объясняется тем, что не была готова соответствующая элементная база, в частности отсутствовал подходящий маломощный переключающий прибор. В принципе, в то время в качестве переключающих элементов могли использоваться электронные лампы, но они отличались большими габаритами, малой надежностью, большой потребляемой мощностью. В результате аппаратура с ИКМ на основе технологии 1947 г. была громоздкой, ненадежной, сильно нагревалась.

В действительности ключевое изобретение, изменившее данное положение, было сделано в тех же исследовательских лабораториях приблизительно в то же время, когда была создана первая ИКМ-система. Это было изобретение транзистора. Для его разработки потребовалось еще 10 лет. К 1957 г. был получен почти идеальный коммутирующий прибор: небольшой, быстродействующий, надежный и потребляющий незначительную энергию. Через пять лет после этого, в 1962 г., появилась первая коммерческая система передачи ИКМ-24, основная конструкция которой была очень похожа на первоначальную, предложенную 15 лет назад. Система оказалась очень удачной и нашла широкое применение. Цифра 24 указывает на число каналов в ней. После объединения 24 исходных потоков скорость цифрового потока па выходе системы составляла 1,544 Мбит/с.

Городские телефонные кабели пригодны для передачи цифровой информации со скоростью около 2 Мбит/с. При более высоких скоростях между их парами возникают электромагнитные влияния. Как видите, в американской системе возможности кабеля использованы не до конца. Поэтому в 1968 г. Франция вышла с предложением в Международный союз электросвязи унифицировать ИКМ-системы на базе цифровой системы передачи ИКМ-30, содержащей 30 каналов и имеющей скорость объединенного потока 2,048 Мбит/с. Теперь возможности городских кабелей использовались полнее.

Скорость передачи по междугородным симметричным кабелям связи может быть увеличена до 8 Мбит/с. По каждой паре этих кабелей могут работать четыре системы ИКМ-30 или пять систем ИКМ-24. Чтобы обеспечить их одновременную работу, нужно их выходные потоки объединить. Аппаратура, осуществляющая это объединение, называется по числу образованных каналов - ИКМ-120. Скорость потока на ее выходе составляет 8,448 Мбит/с.

Более мощные потоки цифровой информации можно "гнать" по парам коаксиальных кабелей, волокнам оптических кабелей, стволам спутниковых и радиорелейных линий связи. Для образования высокоскоростных потоков объединяют цифровые потоки четырех систем ИКМ-120. В результате скорость передачи в линии возрастает до 34,368 Мбиг/с. Число каналов в новой системе равно 480, и поэтому она получила название ИКМ-480.

Поступая далее аналогичным образом, получаем при слиянии четырех потоков спаем передачи ИКМ-480 суммарный цифровой поток со скоростью 139,264 Мбит/с. Это уже аппаратура ИКМ-1920. Представляете, только с помощью одной коаксиальной пары или одного оптического волокна можно связать друг с другом почти 2000 телефонных аппаратов в одном городе с таким же количеством аппаратов в другом городе. А ведь в кабелях не одна такая пара и не одно такое волокно. Поистине, целые реки информации! Но на этом иерархия цифровых систем передачи не заканчивается. Можно продолжать укрупнять потоки и дальше.

Но как быть с мелкими потоками информации, скорость у которых ниже 64 кбит/с и которые переносят, например, тексты, неподвижные изображения, данные от персональных компьютеров? По каким каналам передавать их? Особых проблем здесь нет. Подобные низкоскоростные потоки передают по основному цифровому каналу. Наиболее простой путь - объединять их вместе, доводя скорость до стандартной. Существуют и другие способы введения низкоскоростной информации в основной цифровой канал, но они довольно специфические, и мы не будем их здесь касаться.

Вернемся теперь к принципу объединения цифровых потоков. Вы уже убедились, что он достаточно прост: сначала передается бит одного потока, затем бит следующего потока и так до тех пор, пока не будут пропущены в линию по одному биту каждого потока. Затем все повторяется сначала. Этот принцип уместно назвать чередованием битов. Но он не единственный.

Можно сперва подать в линию целиком кодовую комбинацию буквы текста, или элемента изображения, или отсчета микрофонного тока (смотря, что передается - текст, изображение или речь), взяв ее из первого потока, следом выпустить в линию аналогичную кодовую комбинацию из второго потока, затем - из третьего и т. д. Иногда бывает важно сохранить, не разбивая, двоичный код элемента сообщения. Такое объединение потоков следовало бы назвать чередование кодовых комбинаций.

Последний принцип также не нов. Его применил в одном из своих телеграфных аппаратов Ж. Бодо. Используемый для этих целей распределитель состоял уже не из сплошных ламелей, а поделенных на пять сегментов каждая - по числу разрядов в кодовой комбинации (ведь в коде Бодо каждая буква телеграфного текста кодировалась пятью двоичными символами).

Щетка распределителя, скользя по сегментам первой ламели, "считывала" в линию целиком кодовую комбинацию с первого телеграфного аппарата. При движении щетки по сегментам второй ламели в линию "шла" буква от второго аппарата. И так до последней ламели.

Вы спросите, как же код буквы появлялся одновременно на всех сегментах? Очень просто. В первых аппаратах Бодо телеграфисты кодировали текст непосредственно во время передачи. Для этого на передатчике имелись пять клавиш (по сути, пять телеграфных ключей). Нажимая их в нужной комбинации, сразу получали код буквы. Каждая клавиша была подключена к своему сегменту. Таким образом, кодовая комбинация появлялась на всех сегментах одновременно. Весьма важно нажать на клавиши как раз в то время, когда щетка подойдет к ламели данного телеграфного аппарата. Для этого в нужный момент раздавался акустический сигнал и только тогда телеграфист нажимал клавиши. Специальная блокировка удерживала их в этом положении до конца передачи комбинации. Как видите, труд телеграфистов XIX века был нелегким и требовал внимания, быстроты реакции, словом, хорошей тренированности.

По принципу чередования кодовых комбинаций можно объединять потоки и с помощью современных микросхем, в частности мультиплексоров. В этом случае очередная "дверь" мультиплексора должна оставаться открытой до тех пор, пока не будет передана вся кодовая комбинация. Правда, нашу аппаратуру придется сделать сложнее. Поскольку биты из каждого цифрового потока поступают на входы мультиплексора непрерывно, то в каждом канале потребуется устройство памяти (запоминающее устройство - ЗУ), в котором биты кодовой информации будут накапливаться и ждать, когда для них откроются "двери" мультиплексора. Итак, пока код буквы, т. е. группа 0 и 1, одного из потоков пропускается через мультиплексор в линию, коды букв других потоков записываются в свои ЗУ.

Давайте представим, что нам поручили спроектировать цифровую систему передачи четырех речевых сообщений (например, телефонных) по одной линии связи, причем тип линии для нас сейчас не важен. Вспомнив, что речевое сообщение нужно сначала перекодировать в последовательность 0 и 1, подключим к выходу каждого телефонного аппарата АЦП. Разрядность АЦП, мы уже знаем, нужно выбрать равной 8. Для реализации принципа чередования кодовых комбинаций осталось добавить в каждом канале ЗУ. Остальная часть многоканального передатчика нам хорошо знакома: это мультиплексор (М), счетчик (Сч) и генератор тактовых импульсов (ГТИ). Приемник многоканальной системы передачи отличается только тем, что вместо АЦП используются ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи), а вместо мультиплексора - демультиплексор (ДМ). Проект готов.

Но не кажется ли вам, что система получилась достаточно сложной? Ведь каналов может быть не четыре, а, скажем, 30. Это значит, что нужно 30 АЦП, 30 ЦАП, 60 ЗУ - более сотни микросхем! Нельзя ли придумать что-нибудь попроще?

Заметьте, читатель, мы с вами шли проторенной дорогой и наши рассуждения выглядели примерно так: сначала нужно получить из аналоговых сигналов потоки цифровых сигналов, а уже затем эти потоки объединить. Получить более простое решение нам помешала стандартность нашего мышления. Между тем такое решение существует. Более того, оно уже было воплощено в первых разработках американских ИКМ-систем. Попытаемся объяснить его на примере используемой нами техники.

Вообразите, что выходы микрофонов подключены ко входам мультиплексора. Тогда в результате "открывания дверей" на выход мультиплексора будут поочередно проходить "кусочки" непрерывной речи (точнее, непрерывного микрофонного тока). Теперь поставьте сразу же за мультиплексором АЦП - он будет превращать их в последовательность двоичных цифр, т. е. 0 и 1. Открыты первые "двери" - в линию "пошла" кодовая комбинация отсчета речи в первом канале, распахнулись вторые - в линии код отсчета второго канала. Когда будут переданы коды первых отсчетов всех каналов, наступит очередь вторых отсчетов, после них - третьих и т.д. Таким образом один АЦП обслуживает по очереди все каналы. На приемном конце используется общий ЦАП, а восстановленные отсчеты распределяются по своим каналам. И не нужно иметь АЦП и ЦАП в каждом канале, не нужны и ЗУ. Система передачи стала очень простой.

Надо сказать, что подобный принцип чередования кодовых групп с общим преобразователем "аналог-цифра" нашел широкое применение на нижней ступени иерархии цифровых систем передачи, в частности в аппаратуре ИКМ-24 и ИКМ-30. В аппаратуре же более высоких ступеней иерархии, например ИКМ-120, ИКМ-480 и т.д., при объединении потоков используется принцип чередования битов.

Вот мы и познакомились с тем, как ручейки информации сливаются в мощные "цифровые" реки. А сейчас мы проверим вашу внимательность, читатель. Ответьте быстро: если на двух руках десять пальцев, то сколько их на десяти руках?

Убеждены, что многие из вас ответили: 100. На самом деле их 50. Эта задача демонстрирует особенность нашей психики - невнимание к деталям, особенно при чтении текста. Поэтому мы не удивимся, если большинство из вас не обратили внимание на следующую деталь в этой главе. При описании иерархии систем передачи мы указывали как на образованное системой число каналов, так и на скорость объединенного потока. Вы не заметили, что объединение 30 потоков со скоростями по 64 кбит/с каждый дает скорость объединенного потока не 2,048 Мбит/с, а меньшую: 30∙64 = 1920 кбит/с = 1,92 Мбит/с?

Аналогичная картина наблюдается на всех остальных ступенях иерархии. Можно определить, сколько каналов должно быть, чтобы получить скорость 2,048 Мбит/с. Так вот, их должно быть 32, а не 30, как мы полагали до сих пор. Так же легко обнаруживается, что для получения стандартной скорости на второй ступени иерархии придется добавить еще четыре канала. Вам, вероятно, теперь не составит труда самим убедиться во всех остальных несоответствиях.

Что это за загадочные каналы? Есть они на самом деле или их нет? Если вам не терпится узнать это, приступайте, не откладывая, к чтению следующей главы.

 

Дирижер "цифрового оркестра"

Однажды вечером вы пришли в оперный театр. Спектакль еще не начался, но в оркестровой яме уже расселись по своим местам музыканты. Вот они начинают настраивать инструменты. Прислушайтесь, из оркестровой ямы в зал несутся самые невообразимые звуки. Кажется невероятным, что этот хаос звуков через несколько минут превратится в стройное и красивое звучание. Но тут появляется дирижер, взмахивает палочкой, и мы погружаемся в стройный мир чарующих звуков.

Да, в оркестре дирижер - самая главная фигура. Кстати, в переводе с французского diriger означает "управлять". Он и в самом деле управляет этой сложной организацией - оркестром: тщательно выдерживает темп исполнения музыкального произведения, вовремя указывает, когда нужно вступить тому или иному инструменту. Ведь если даже один исполнитель будет играть в другом темпе, красивого и слаженного звучания оркестра не получится.

Попробуйте представить себе ситуацию, когда при исполнении "Первого концерта для фортепиано с оркестром" П.И. Чайковского пианист играл бы вдвое быстрее. Если бы такой концерт состоялся, то пианист закончил бы свою партию намного раньше других, раскланялся и ушел со сцены, а оркестр продолжал бы выступление. Нелепость такой ситуации очевидна. Или вообразите себе "дирижера-новатора", который умеет идеально поддерживать темп исполнения, но с целью сокращения времени концерта предложил бы всем инструментам оркестра начать свои партии одновременно, т. е. не так, как это указано в партитуре. Согласитесь, такое исполнение могло бы претендовать на блестящую находку в музыкальном театре абсурда. Словом, задача дирижера состоит в том, чтобы все инструменты в оркестре играли в такт и вступали в игру каждый в свое время. Специалисты по управлению сложными системами сказали бы, что дирижер синхронизирует действия музыкантов.

Но не всякий любит ходить в театр. Кто-то предпочитает слушать музыку, расположившись в мягком и удобном домашнем кресле. Ну что же, для этого у нас существует трансляция концертов из театров и концертных залов. Включайте радиоприемник и наслаждайтесь. Правда, не очень естественно, когда звучание целого оркестра исходит из одной точки - громкоговорителя. Чтобы полностью передать звуковую панораму реальной сцены, необходимо установить несколько (чем больше, тем лучше) микрофонов, передать от них сигналы по отдельным каналам (конечно же, превратив их в потоки цифр) и подать принятые сигналы на свои громкоговорители. Конечно, это очень сложно и дорого. Поэтому сейчас повсеместно принята стереофоническая система передачи, требующая всего два микрофона и два громкоговорителя. Подавайте отвлечемся ненадолго от реальности с ее суровыми экономическими законами и позволим себе, хотя бы только в нашем воображении, увидеть оркестр, где перед 30 исполнителями установлены 30 микрофонов, а также большую домашнюю залу, в которой вы, читатель, уютно устроились перед 30 небольшими громкоговорителями, расставленными в том же порядке, что и микрофоны на сцене. Вы закрываете глаза и погружаетесь в волнующий мир бессмертной музыки Чайковского. Создается полная иллюзия присутствия в концертном зале.

Но что это? Почему вдруг вместо прекрасной мелодии мы слышим жуткую какофонию, почему снова возник хаос звуков? Может, дирижер покинул свой пульт, бросив оркестр на произвол судьбы? Нет, с ним все в порядке, он у пульта. Да и оркестр по-прежнему покоряет своим виртуозным исполнением публику, сидящую в зале. Оказалось, что управление отсутствует не в оркестровой яме, а в цифровой системе передачи, которую мы использовали для трансляции концерта. "Двери", пропускающие токи музыкальных звуков каждого канала, на передаче и приеме стали открываться не синхронно, не в такт, а "хлопать" как попало, ЦАП свои действия перестал "согласовывать" с действиями АЦП и принялся "расшифровывать" совсем не те "куски" цифрового потока. Это-то и стало причиной музыкального тарарама. Значит, и в нашей системе передачи, этом своеобразном "цифровом оркестре", нужен свой "дирижер", который управлял бы действиями всех "исполнителей" - мультиплексоров, АЦП, ЦАП и других, отбивая единый такт и обеспечивая тем самым их синхронную работу.

Проблема обеспечения синхронной работы различных устройств в технике не нова. Взять хотя бы обычный автомобильный двигатель. В его цилиндрах создается поступательное движение поршней, которое преобразуется с помощью коленчатого вала во вращение колес автомобиля. Все узлы двигателя должны работать строго синхронно. Когда в первом цилиндре происходит всасывание горючего, поршень идет вниз, открывается клапан и впрыскивается топливо, во втором цилиндре идет такт сжатия - поршень движется вверх, все клапаны закрыты. Одновременно в третьем цилиндре воспламеняется горючая смесь. Следовательно, нужно своевременно подать высокое напряжение на свечу именно данного цилиндра и вызвать искру между ее электродами. Делает это специальный распределитель. Но есть еще и четвертый цилиндр. В нем в данный момент-рабочий такт, т. е. поршень идет вниз и "крутит" коленчатый вал, открывается клапан для выпускания отработанных газов. Указанные процессы - открытие и закрытие клапанов, воспламенение смеси и т.д. - должны выполняться, еще раз подчеркнем, согласованно, вовремя, строго "по расписанию". Иначе двигатель будет "барахлить", а то и откажет вовсе. Управляет всеми описанными процессами специальная механическая система синхронизации.

Существуют и природные системы синхронизации. Как полагают ученые, биоритмы нашего организма, которые связаны со всеобщим суточным ритмом, синхронизируются естественным электромагнитным полем планеты.

В лесу часто можно встретить живые фонарики - светлячков. Нередко они собираются большими компаниями и общими усилиями неплохо освещают какой-нибудь куст на лесной поляне. Но что удивительно, есть светлячки, которые пользуются мигающим светом, причем они синхронизируют работу своих светильников, зажигая их все разом. Такие вспышки в ночном лесу хорошо видны. Интересно, какой принцип положен в основу подобной системы синхронизации?

В книге "Жизнь лесных дебрей" Б.Ф. Сергеева можно встретить описание еще одной весьма любопытной синхронной деятельности светлячков: "Одна часть светлячков, обычно представители слабого пола, не зажигая сигнальных огней, чтобы не привлекать внимания хищников, спокойно ждет появления самцов, с комфортом устроившись в траве или в ветвях деревьев. С наступлением темноты женихи отправляются на поиски, вспышками своих фонариков методично посылая световые призывы. Заметив сигнал, самка немедленно отвечает. Чтобы крылатый кавалер не ошибся, самка на каждую вспышку его фонарика отвечает своей, загораясь через строго определенный интервал после призыва самца. Свет ее фонарика служит для самца маяком, помогая разыскать невесту, а интервал - удостоверением личности, позволяющим установить видовую принадлежность откликнувшейся дамы. У этих насекомых точные хронометры и во время смотрин ошибок практически не бывает". Ну чем не материал для рубрики "Их нравы"?

Вернемся все же к цифровой системе передачи. Итак, совершенно ясно, что такие устройства, как АЦП и ЦАП, должны работать, как говорится, в такт, синхронно. Если, скажем, АЦП выдает 8-разрядные кодовые слова:

где каждый бит появляется через строго определенные интервалы времени - такты, то, чтобы ЦАП расшифровывал именно эти кодовые комбинации, он должен "выбирать" биты из последовательности точно через те же интервалы, в те же такты. Думаем, вы не забыли, что в цифровой системе передачи такты отбивают специальные микросхемы - генераторы тактовых импульсов (ГТИ), которые имеются как на передающей, так и на приемной сторонах. Это они дают "указания", когда АЦП выдавать, а ЦАПу соответственно принимать очередной бит. Но как согласовать действия этих генераторов, если передающая и приемная станции разделены порой тысячами верст земной тверди или холодным безмолвием космического пространства?

Древние говорили: "Нельзя дважды войти в одну и ту же реку". Можно перефразировать эту древнюю мудрость: "Нельзя изготовить два абсолютно одинаковых генератора". Кроме того, на работу микросхем влияют температура окружающего воздуха, его влажность, изменение напряжения питания и другие факторы. В результате интервалы между управляющими (тактовыми) импульсами на передающей и приемной станциях могут существенно отличаться друг от друга.

Посмотрим, что будет, если тактовые импульсы при приеме информации подаются на микросхемы в 2 раза реже, чем при ее передаче. Разумеется, такой большой разницы на практике не бывает, но это предположение позволит лучше понять, что произойдет. Поскольку ЦАП получает "разрешение" в 2 раза реже, чем это необходимо, он и работает в 2 раза медленнее. Поэтому он примет в свое "чрево" для расшифровки не каждый бит, а лишь через один:

10110010 | 10000010...,

и, следовательно, декодирует совсем не ту последовательность, которая передана. Какие эмоции это вызовет у потребителя информации, догадаться нетрудно. К сожалению, искажение информации случается даже при очень небольших расхождениях длин тактовых интервалов, так как с течением времени все равно наступит момент, когда ЦАП начнет "ошибаться" в выборе битов.

Несинхронность генераторов тактовых импульсов передающей и приемной станций скажется также и на том, что "двери" мультиплексора будут открываться не в такт друг с другом. Как в случае несовпадения скоростей вращения щеток в распределителях Бодо, информация из одного канала передающей станции будет попадать совсем в другой канал приемной станции.

Ну как тут пользователям цифровой связью удержаться от вопросов, которые, по образному выражению поэта, "вылязгивала" в оркестре глупая тарелка: "Что это? Как это?"

Вывод из всего сказанного один: нужно синхронизировать работу генераторов передающей и приемной станций на каждом такте. Для этого достаточно иметь на приемной стороне сведения о том, сколько импульсов в секунду вырабатывает генератор противоположной стороны, т. е. частоту следования импульсов, и управлять генератором приемной станции так, чтобы он выдавал импульсы с той же частотой (такое же количество в секунду). И, конечно же, управление генератором должно производиться автоматически, без участия человека. Но как на приемной стороне узнать, с какой частотой отбиваются такты за тысячи верст от нее? Вот в чем вопрос.

#f.jpg_17 Во время путешествия на яхте по рекам Европы летом 1905 г. великий французский композитор Морис Равель посетил крупный завод, расположенный на берегу Рейна. Увиденное там буквально потрясло композитора. В одном из своих писем он рассказывает: "То, что я видел вчера, врезалось мне в память и сохранится навсегда... Это гигантский литейный завод, на котором круглые сутки работает 24000 человек... Как передать вам впечатление от этого царства металла, этих пылающих храмов огня, от этой чудесной симфонии свистков, шума приводных ремней, грохота молота, которые обрушиваются на вас со всех сторон. Как это музыкально! Непременно использую...". Свой замысел композитор воплотил в жизнь лишь спустя почти четверть века. В 1928 г. была написана музыка для небольшого балета "Болеро", ставшего самым значительным произведением Равеля. В музыке явственно слышатся индустриальные ритмы - более 4000 ударов барабана за 17 минут звучания. Поистине симфония ритма. В "Болеро" Равеля барабан является солистом оркестра, он не умолкает на протяжении всего произведения, четко отбивая ритм испанского танца.

Есть такой замечательный прибор - камертон. Его можно встретить у настройщиков музыкальных инструментов. Камертон способен откликнуться на звук определенной частоты, той, на которую он настроен. Раздался среди многоголосья инструментов звук басовой струны гитары - и камертон, если он настроен именно на такую частоту колебаний, начнет совершать механические колебания, как бы подавая сигнал: "вот моя частота".

А нельзя ли с помощью камертона уловить частоту ритмичных ударов барабана в музыке Равеля? Очевидно, можно. Нужно только воспользоваться соответствующим камертоном, реагирующим лишь на эту частоту.

Идею использования камертона можно применить и для того, чтобы узнать, с какой частотой отбиваются такты генератором передатчика. Ведь, по сути, информация об этом уже заложена в передаваемом цифровом потоке: двоичные импульсы появляются из линии как раз через эти такты.

- Позвольте, - воскликнет читатель, - импульсы в цифровом потоке следуют совершенно случайным образом, и мы заранее не можем угадать, какой бит будет в данный момент принят: 1 или 0. Где же здесь информация о тактовых импульсах?

Посмотрите внимательно на рисунок (см. с. 202). Если представить (разумеется, чисто условно) цифровой поток в виде суммы двух последовательностей, то можно увидеть тактовые импульсы в явном виде. Значит, есть в цифровом потоке такая информация! Только она завуалирована.

Применим для выделения тактовых импульсов идею камертона. Конечно, механический камертон для этих целей не подходит, но находчивые инженеры придумали "электрический" камертон, который, как и механический, откликается на колебание определенной частоты, только не звуковое, а электрическое. Назвали его электрическим фильтром: он "фильтрует" электрические колебания, пропуская только те из них, на которые настроен.

Электрический фильтр подключают на приемной станции к линии связи параллельно с приемником с тем, чтобы он не мешал цифровому потоку попадать в приемник и в то же время сам мог анализировать частотное "содержание" этого потока.

Поскольку фильтр изготавливается заранее настроенным на частоту тактовых колебаний, он и выделяет из поступающего на его вход цифрового потока колебание именно данной частоты. Но колебание одной частоты - это всегда синусоидальное колебание. Однако с помощью специальных устройств - усилителя и ограничителя (есть и такие микросхемы!) - из него легко "изготовить" колебания в виде последовательности тактовых импульсов. Они-то и будут управлять генератором приемной станции, заставляя его выдавать импульсы с точно таким же интервалом. Синхронизация по тактам действует!

Может, вообще отказаться от генератора на приемной станции, поскольку мы уже получили тактовые импульсы из цифрового потока? Нет, это неразумно. Вдруг по каким-либо причинам (а о них - чуть ниже) система синхронизации даст сбой и тактовые импульсы на какое-то время пропадут? Связь по всем каналам немедленно нарушится, что недопустимо.

Наличие же генератора на приемной станции гарантирует, что нарушения связи не будет: потребуется достаточно много времени, прежде чем генератор выйдет из синхронизма, а за это время тактовые импульсы могут вновь появиться.

Отчего же может случиться сбой в синхронизации? Причин много. Вот одна из них. Глубокой ночью, когда большинство абонентов спит и, естественно, не пользуется услугами цифровой связи, в подавляющем большинстве каналов информация  не передается, и тогда в цифровом потоке появляются очень длинные последовательности нулей. Как тут не вспомнить героя трагедии Шекспира "Король Лир", который говорил: "Из ничего и выйдет ничего". Из такого сигнала не выделишь тактовые импульсы.

- Зачем же их выделять, если по каналам ничего не передается? - спросит читатель.

Ну, не совсем ничего. Связь работает и ночью. Пусть не так напряженно, как днем, но работает. И не считаться с этим нельзя. Но, самое главное, не исключено появление длинных последовательностей нулей в цифровом потоке и в любые другие часы. Что же, мириться с тем, что синхронизация будет отсутствовать в данные моменты?

Нет, конечно. Мы приведем один очень эффектный прием, позволяющий устранить эти "белые пятна" в цифровом потоке. Помните, в главе "Искусство шифрования" было рассказано о том, как можно "засекретить" текст, чтобы его никто не разгадал. К двоичному коду "тайного" слова (а таким было выбрано слово ОМЕГА) прибавлялся по правилам двоичной арифметики некоторый случайный ключ (по сути, случайная последовательность 0 и 1). После этого расшифровать слово, если не знать ключ, было невозможно. Таким оно и передавалось по линии.

Чтобы раскрыть тайну переданного сообщения, достаточно было снова сложить по тем же правилам принятый код с тем же случайным ключом. Первоначальный код восстановлен!

Этим приемом "засекречивания" можно воспользоваться и для ликвидации длинных последовательностей нулей в цифровом потоке. Но поскольку никаких секретов здесь нет, ключ можно выбрать очень простым:

Как видите, в цифровом потоке исчезли длинные последовательности нулей. Теперь из него снова можно выделить тактовые импульсы. Ну, а как вернуться к исходному потоку, вы уже знаете: перед тем, как подать его в приемник, нужно снова сложить его по законам двоичной арифметики с тем же ключом. Убедитесь в этом сами, без нашей помощи.

Подобная операция получила у специалистов название "скремблирование" (от английского слова scramble - перемешивать). Выполняется она довольно просто с помощью микросхем, "умеющих" складывать двоичные цифры по нужным правилам. Мы упоминали о таких микросхемах в главе "Искусство шифрования". Это так называемые "сумматоры по модулю 2", они выпускаются промышленностью. Цифровой поток, перед тем как отправить его в линию, подают на один из входов этого сумматора, на второй его вход поступает двоичная последовательность выбранной структуры (мы назвали ее ключом). Результат суммирования - "скремблированный" цифровой поток - направляется в линию связи. Он уже не содержит длинных последовательностей нулей. Точно такой же сумматор есть и на приемной станции. Через него пропускаются выходящий из линии цифровой поток и та же последовательность (ключ), что и на передаче. Происходит "дескремблирование", и восстановленный в первоначальном виде поток обрабатывается приемником. Естественно, что для выделения тактовых импульсов используется цифровой поток, еще не подвергшийся процедуре восстановления.

Итак, синхронизация цифровой системы передачи на каждом такте ее работы осуществлена. Но этого недостаточно. Хотя теперь на приемной станции подключение линии к каналам и происходит в такт с передающей станцией, нужно еще знать, к какому конкретному каналу следует в данный момент подключить линию связи. Другими словами, речь идет о том, что приемная и передающая "электронные щетки" - мультиплексор и демультиплексор, как и в системе Бодо, должны начинать свое вращение с одного и того же положения, например с первого канала.

Кстати, знаете как решил эту проблему в своем изобретении Ж. Бодо? Он применил оригинальное и довольно простое (а, может, потому и простое, что оригинальное, или потому и оригинальное, что простое?) устройство синхронизации. Если вы разглядывали внимательно рисунок, на котором изображена система Бодо с "чередованием кодовых комбинаций" (см. с. 192), то, вероятно, заметили, что на распределителях кроме четырех ламелей (по пять сегментов в каждой), соединенных с четырьмя телеграфными аппаратами, есть еще совершенно отдельный, не связанный ни с одной ламелью, 21 -й сегмент. На передающем распределителе к нему подключена батарея, а на приемном - электромагнит тормозного устройства. Мотор приемного распределителя вращается чуть быстрее, чем передающего. Теперь представим, что щетка на приемной станции находится в конце упомянутого нами 21-го сегмента. Представили?

Ну так вот, а в это время из-за меньшей скорости работы мотора щетка на передающей станции только-только вступает на такой же сегмент. Заметьте, цепь электромагнита тормозного устройства замкнулась. В результате мотор приемного распределителя притормозился и его щетка застыла на месте. Она останется неподвижной до тех пор, пока щетка передатчика не совершит весь свой путь по 21-му сегменту. Миг довольно краткий, но его хватает, чтобы выровнять положение щеток и начать их движение и на приеме, и на передаче с одной и той же позиции, а именно с самого первого в распределителях сегмента. Как видите, синхронность начала движения щеток (еще говорят: их синфазность) достигается в системе Бодо за счет притормаживания приемного распределителя и установки его тем самым в начальное положение. Если один оборот щеток считать за один цикл передачи информации от всех телеграфных аппаратов, то можно сказать, что каждый новый цикл щетки обоих распределителей начинают одновременно. Такой вид синхронизации уместно назвать синхронизацией по циклам.

Взглянем на устройство синхронизации, предложенное Ж. Бодо, с более общих позиций. Когда щетка передающего распределителя скользит по сегменту, соединенному с батареей, в линию посылается "отрезок" постоянного тока, т. е. импульс. Этот импульс является ничем иным, как синхросигналом, дающим приемнику указание "начинаем новый цикл!", и приемник исполняет эту директиву, притормаживая распределитель с тем, чтобы сразу же после окончания синхросигнала начать новый цикл. Таким образом, один цикл работы системы Бодо включает в себя передачу в линию сначала сигнала синхронизации, а затем поочередно укороченных символов от каждого телеграфного аппарата (см. рисунок на с. 206). Длится такой цикл по современным понятиям невероятно долго - около 200 мс. Это и понятно, ведь мотору приходится совершать около 5 об/с (300 об/мин), а для небольших моторов это и сейчас едва ли не предел.

Схему, предложенную Бодо, можно считать прямой предшественницей схем цикловой синхронизации, применяемых в современных цифровых системах передачи, поскольку и во всех современных системах, перед тем как объединять цифровые потоки различных каналов, в приемник посылается сигнал о начале цикла. Приемное устройство "знает": поступил такой синхронизирующий сигнал - распахивай "двери" демультиплексора для цифрового потока первого канала. Затем под "руководством" тактовых импульсов открываются следующие "двери" для цифровых потоков остальных каналов. С приходом нового синхросигнала начинается все сначала, опять с первых "дверей".

- Каким образом на приемной станции узнают, что был передан именно синхросигнал, а не какой-либо другой? - может возникнуть вопрос у читателя.

В самом деле, нужно как-то отличать его от других принятых комбинаций. Для этого ему присваивают вполне определенную комбинацию 0 и 1. Например, в разработанной нашими специалистами системе передачи ИКМ-30 для синхросигнала принята следующая комбинация: 0011011. Но где гарантия, спросите вы, что подобная комбинация импульсов не встретится и в цифровом потоке какого-либо канала? Конечно, такое может произойти, но вероятность данного события чрезвычайно мала. А вот синхросигнал такой структуры встречается с завидной регулярностью - через каждые 125 мкс. Это его свойство - повторяемость - используется для "узнавания". Необходимо каждую принятую кодовую комбинацию (заметьте - каждую!) сравнивать с комбинацией синхросигнала, которая на приеме известна и хранится в ячейке памяти. Сравнение выполняется с помощью устройств, выполненных, конечно же, на микросхемах. Как только обнаружено совпадение... Однако не спешите - возможно, выловлен не синхросигнал, а случайно совпавшая с ним комбинация импульсов цифрового потока. Приходится усложнять приемник. Специальное устройство следит за тем, регулярно ли появляется такая комбинация. Если через каждые 125 мкс, то все в порядке - мы имеем дело с синхросигналом. Решение принимается обычно после нескольких его повторений.

Как всегда, трудно принять решение в первый раз. Этот ответственный момент специалисты называют "вхождением в синхронизм". Затем все проще: достаточно только подтверждать принятое решение. Все варианты существующих в мире систем синхронизации используют одни и те же "приметы" синхросигнала - его структуру и регулярность повторения.

Вы обратили внимание, что все кодовые комбинации в объединяемых цифровых потоках имеют по восемь разрядов, а синхросигнал - только семь. Значит, комбинацию синхросигнала нужно дополнять до "стандартного" числа разрядов, т. е. до восьми, передавая в "пустом" (на рисунке - черном) промежутке времени биты, например, от компьютеров. Скорость передачи таких данных достигает при этом 8 кбит/с.

- Получается, что с вводом сигнала синхронизации в цифровой системе передачи, по сути, организован еще один "стандартный" канал, в котором скорость передачи битов (вместе с битом компьютерных данных) оказывается равной, если подсчитать, 64 кбит/с и который, следовательно, ничем не отличается от основных, или информационных, каналов, - воскликнет наблюдательный и пытливый читатель.

Да, это так. Помните, в конце предыдущей главы неожиданно "всплыли" два таинственных канала, которых вроде бы и не должно быть, судя по названию системы передачи - ИКМ-30, но без которых скорость цифрового потока никак не хотела совпадать со "стандартной"? Теперь завеса таинственности над одним из каналов, а именно синхронизации, приподнята. Он не относится к информационным каналам, а является служебным и создан для обслуживания самой системы передачи. Цифра же 30 в названии системы указывает на количество только информационных каналов. Существует еще один служебный канал, 32-й (по счету, но не по расположению его среди других), который тоже является стандартным со скоростью 64 кбит/с. Правда, предназначен он уже медля обслуживания цифровой системы передачи. По нему передают различные служебные сигналы, без которых невозможно установление связи, например: импульсы от номеронабирателя, сигнал о том, что абонент занят (короткие гудки), и многие другие, используемые на телефонных станциях для управления ее приборами.

Сейчас самое время вспомнить, что цифровые системы передачи строятся по иерархическому принципу. Чем выше ступень иерархии, тем больше организуется каналов и тем мощнее цифровой поток или, другими словами, тем выше его скорость.

Наш рассказ о синхронизации относился, строго говоря, к системам передачи, стоящим в самом низу иерархической лестницы. В качестве примера вы назовете аппаратуру ИКМ-30. У подобных систем передачи сравнительно невысокая скорость цифрового потока (около 2 Мбит/с), что делает их пригодными для организации связи между АТС по обычным городским и сельским кабелям связи, образующим довольно обширную сеть подземных магистралей. Объединение цифровых потоков в этих системах осуществляется, как мы видели, по принципу "чередования кодовых комбинаций". Введение в них синхросигнала и различных служебных символов потребовало дополнительных каналов и привело к тому, что скорость объединенного цифрового потока стала больше суммы скоростей объединяемых потоков. Вот таковы кратко особенности систем передачи первого уровня иерархии.

Надо сказать, что принципы синхронизации остаются неизменными и для систем передачи всех остальных ступеней иерархии, сколько бы их еще не было: точно так же выделяются из цифрового потока тактовые импульсы и точно так же для обеспечения синхронной (а, если точнее, синфазной) работы "дверей" мультиплексоров и демультиплексоров посылаются в линию комбинации импульсов цикловой синхронизации. Правда, некоторые отличия все же есть. О них и пойдет речь дальше.

Дело в том, что в системах передачи, начиная со второй ступени иерархии (это аппаратура ИКМ-120,480, 1920 и т.д.), объединение потоков выполняется совсем по другому принципу - путем чередования битов (об этом уже упоминалось). Таких потоков четыре, и скорость каждого из них 2,048 Мбит/с. Четыре "двери" мультиплексора передающей станции поочередно открываются и пропускают в линию по одному биту из каждого цифрового потока. Разумеется, что они должны успеть это сделать за то время, пока данные биты не сменились следующими.  Затем все снова повторяется. Подобную картину мы уже наблюдали, когда впервые знакомились с изобретением Бодо.

Известно, что "скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается". В нашем случае как раз все наоборот: эти строки вы читали несоизмеримо дольше, чем происходил описанный выше процесс. Судите сами, очередные четыре бита были "выпущены" всего за две миллионные доли секунды, т. е. почти молниеносно!

Понятно, что объединение потоков становится возможным только за счет укорочения в 4 раза длительности передаваемых импульсов, т. е. фактически за счет уменьшения в 4 раза времени передачи каждого из них. Но как же в этом случае ввести в цифровой поток сигнал цикловой синхронизации, ведь места-то для него нет? Вероятно, путь только один - укоротить информационные импульсы еще чуть-чуть. Пусть они немного потеснятся, тогда в цикле передачи появятся "пустые" временные интервалы, в которые и можно будет вставлять синхросигнал.

Вот как это делается практически. Приходящие на вход системы передачи биты из четырех информационных потоков записываются в ячейки памяти ЗУ, а затем считываются с них и направляются в линию. Зачем так делать? Казалось бы, ничего не изменилось, только аппаратура усложнилась. Но это не так. Поскольку шины записи и считывания ЗУ независимы друг от друга (загляните в главу "Волшебный шкафчик"), становится возможным записывать биты с одной скоростью, а считывать (т. е. распахивать "двери" для импульсов данного потока) - с другой скоростью, чуть чаще. "Прочитали" содержимое ячеек памяти быстрее - вот и появилась во времени "дырка" для вставки синхроимпульсов.

Вспоминается нам курьезный случай, который произошел в одной из общеобразовательных школ. Участникам школьного кинокружка поручили снять небольшой учебный фильм о свободных колебаниях маятника. С помощью нити и груза был сооружен маятник, совершавший за секунду одно колебание, и съемки начались. В одном из эпизодов фильма требовалось показать, что за 10 с маятник совершит 10 колебаний. С этой целью диктор (а фильм сопровождался дикторским текстом, записанным на магнитофон) громко отсчитывал секунды: "Раз", "два", "три"... Когда фильм был готов, состоялась первая его демонстрация в школьном кабинете физики. Зрителей набилось до отказа: еще бы, фильм-то был снят не киностудией, а своими товарищами. И вот на этой же первой демонстрации и случился курьез.

Считали колебания все вместе: и диктор с магнитофона, и зрители, следившие за экраном. И вдруг в зале раздался взрыв смеха. Оказалось, когда зрители, отсчитывая колебания маятника, дружно произнесли слово "десять", из магнитофона донесся четкий счет диктора: "семь", "восемь". Изображение на экране намного опередило дикторский счет, что и привело юных зрителей в неописуемый восторг. Причина оказалась простой. Фильм был снят на 16-миллиметровой пленке любительской кинокамерой, в которой, как известно, пленка "протягивается" со скоростью 16 кадров в секунду. В кинопроекторе эта пленка перемещалась со скоростью 24 кадра. Вот этих-то "ножниц" и не учли школьные кинолюбители. Помог найти выход учитель физики. Удалось уменьшить скорость проектора, сделав ее почти равной 16 кадрам в секунду. Но это "почти"...

Оно-то и не давало нормально демонстрировать фильм. В эпизоде с маятником каждое колебание завершалось чуть раньше, чем проходила очередная секунда, и к концу эпизода число колебаний маятника не совпадало со счетом диктора. Пусть не на много, на такт, всего на один счет, но все же не совпадало!

Неожиданное решение нашел ученик, которого вся школа почему-то звала Галилеем. Наблюдая за кинопроектором с секундомером в руках, этот Галилей подсчитал, что после "укрощения" проектора тот "протаскивал" за 1 с через кадровое окно 17 кадров, т. е. всего на один кадр больше, чем нужно. Возможно, это наблюдение и вызвало "озарение" местного Галилея. Он предложил после каждых 16 кадров данного эпизода, на которых было запечатлено ровно по одному колебанию маятника, вклеить "пустые" кадры, на которых ничего не было снято.

И произошло "чудо". Хотя отдельные колебания длились чуть меньше секунды (кстати, зрители этого практически не замечали), начинались они теперь строго в каждую следующую секунду. Расхождений со счетом уже не было. Произошло "выравнивание" дикторского текста и изображения на экране.

Мы вспомнили этот забавный случай, так как увидели в нем прямую аналогию с тем, что происходит в цифровой системе передачи. Действительно, кинопленку легко представить себе в виде запоминающего устройства. Кадры на ней - это "импульсы" информации. Запись информации в наше импровизированное ЗУ (съемка на пленку) ведется со скоростью более низкой, чем считывание ее (освещение кадров проекционной лампой) из памяти. Таким образом, передача (проекция на экран) каждого импульса информации (кадра) занимает при повышенной скорости меньшее время, чем при нормальной. Это приводит к тому, что появляются "пустые" временные интервалы (вклеенные кадры без изображения), в которые ничего не передается (мелькает белое пятно во весь экран).

Любопытно, что за рубежом неоднократно предпринимались попытки использовать такие "пустые", не занятые изображением, кадры на кинопленке для рекламы. В проводимых экспериментах в художественный фильм вставлялась реклама, например, одного из прохладительных напитков. Понятно, что эти редкие, разбросанные по фильму кадры не воспринимались зрителями в явном виде: слишком короткий миг существовал каждый из них на экране, и мозг не успевал их анализировать. Однако такая кратковременная информация может оказывать воздействие на человека на подсознательном уровне. И эксперименты подтвердили это: выходя из кинотеатра после сеанса, ничего не подозревающие зрители буквально штурмом брали автоматы с рекламируемым напитком, в то время как стоящие рядом автоматы с другими напитками, казалось, никого не интересовали.

Ну, а в системах передачи образовавшиеся "пустые" интервалы служат вовсе не для передачи рекламы. В них вставляют биты цикловой синхронизации. Тактовые импульсы, управляющие записью информации в ЗУ, и тактовые импульсы, считывающие ее оттуда, хотя и следуют с разной частотой, строго синхронизированы между собой. Поскольку различие между ними остается постоянным во времени, "пустые" интервалы появляются всегда через одно и то же число бит, т. е. расстояние между ними не меняется. А это, как вы помните, весьма важно для регулярной повторяемости синхросигнала.

...Мчатся потоки битов. Объединяются и вновь мчатся дальше, но с еще большей скоростью. Мерно отбивают такты генераторы. Стройным хором хлопают "дверями" мультиплексоры и демультиплексоры. Множество различных микросхем направляют, разрешают, запрещают, дают указания, отменяют их. Словом, цифровая система передачи неустанно и добросовестно грудится, выполняя свою нелегкую миссию. Сложнейший организм, начиненный сплошь электроникой, работает четко и слаженно. И в этом "заслуга" прежде всего его "главного руководителя" - системы синхронизации. Воздадим же ей должную хвалу и перенесем взор на следующую главу. Из нее мы узнаем...

 

"Кто вы, мистер Стаффинг?"

...Задание было предельно четким: обнаружить и ликвидировать! Ждали только условного сигнала. Казалось, время остановило свой бег. Но где-то неподалеку раздавалось мерное тиканье, напоминающее ход часов. Кто же из них Стаффинг? Задача предстояла не из легких - узнать по внешнему виду его было невозможно, он абсолютно ничем не выделялся среди других. Оставалось только надеяться на информацию, поступающую от специальной группы опознания. Наконец, долгожданное сообщение: "Проверка закончена. Стаффинг обнаружен. Приступить к ликвидации". Все сразу пришло в движение.

На этом месте мы прервем наше повествование и откроем читателям маленький секрет. Этот детективный сюжет не имеет никакого отношения к произведениям Юлиана Семенова, братьев Вайнеров и других мастеров данного жанра. Он описывает события, вернее, процессы, происходящие в цифровой системе передачи. Вы удивлены? О, если обо всех приключениях битов написать в стиле детективного жанра, то это будет захватывающее повествование, по остроте сюжета не уступающее лучшим образцам мировых шедевров. Кто знает, возможно, такая книга еще впереди? Впрочем, к нашему отрывку мы еще вернемся.

В этой главе мы расскажем о том, как в цифровой системе передачи с помощью неведомого нам Стаффинга, инкогнито которого мы до поры до времени сохраним, объединяются потоки при полном отсутствии синхронизации тактовых генераторов на передаче и приеме. Специалисты называют такое объединение "асинхронным" (приставка "а" в этом слове означает отрицание - "не").

- А разве это возможно? - удивится читатель. Ведь мы уже знаем, что происходит в цифровой системе передачи, когда отсутствует синхронизация по тактам. Сплошной хаос. Полная неразбериха. Невероятная путаница. Зачем же вообще пытаться объединять потоки с разными тактовыми импульсами?

Дело в том, что, к сожалению, далеко не всегда удается создать полностью синхронные системы (мы еще будем говорить об этом), вот и приходится идти на всяческие ухищрения. Но обо всем по-порядку.

Прежде побеседуем о времени, о том как оно отсчитывается или измеряется. Ведь генератор тактовых импульсов - это, по сути, те же часы, только отсчитывающие свои собственные "секунды", не синхронизированные со всемирным временем, в котором живем мы - люди.

Время... Оно быстротечно в минуты радости, нескончаемо в период безделья. Так что же, время течет по-разному? Нет, конечно. В той части Вселенной, где находится наша Земля, оно изменяется одинаково для всех живущих: людей, животных, растений. Человек с давних пор открыл эту простую истину и научился измерять ход времени. К сожалению, история не сохранила для нас имя изобретателя первых часов. Так же как сокрыты в глубине веков имена создателя колеса, разработчика кирпичной кладки, первого корабела. Возможно, их было несколько - первых. Неумолимый ход развития цивилизации вызвал к жизни потребность в определенных технических новинках, и молодой, набирающий силу человеческий разум искал и находил нужные решения. В разных уголках бескрайней, как тогда казалось, земли, среди разных народов. Вот и первые часы появились одновременно в Древнем Китае и Древнем Египте. Это были солнечные часы. Точность определения времени с их помощью не превышала нескольких минут. Позже были изобретены водяные и песочные часы. В XIV в. в средневековой Европе начали входить в употребление гиревые механические часы.

Первые механические часы были громоздки и несовершенны. Даже известные своей точностью астрономические часы, созданные Тихо Браге, приходилось каждый день "подгонять" при помощи молотка. В наших глазах, скажем прямо, способ не слишком совершенный. Тогда не было известно ни одного механического явления, которое бы периодически повторялось через одно и то же сравнительно небольшое время.

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.

Совсем иная картина будет наблюдаться, если местный генератор окажется не очень стабильным. В данном случае главные "часы" цифровой системы передачи могут "отставать" или "убегать вперед" по сравнению с их нормальным "ходом". В свою очередь, это будет вызывать смещение во времени "пустых" интервалов в каждом цикле передачи, и, значит, нарушится строгая периодичность их повторения. На каком-то этапе может произойти полный сбой в работе системы синхронизации и, как следствие, всей аппаратуры в целом. Чтобы такого не случилось, местные "часы" нужно систематически "подводить".  Последнее желательно делать не так часто и уж, конечно, не "вручную". Подобная процедура реализована практически во всех современных системах передачи высших (начиная со второй) иерархий и называется согласованием, а иногда выравниванием, скоростей цифровых потоков, или, что то же, скоростей следования тактовых импульсов записи и считывания.

Как же все происходит? Специальное устройство из нескольких микросхем (так сказать, "группа контроля") следит за взаимным положением импульсов записи и считывания. Пусть расстояние между соседними нарами этих импульсов постепенно начинает уменьшаться. Значит, местный генератор ускорил свой бег и импульсы считывания начали следовать быстрее. Как только контролируемый интервал уменьшится до критической величины, наш строгий контролер подаст сигнал тревоги: "пустой" интервал возник раньше. Поскольку ему еще не время появляться, другое устройство (тоже группа микросхем) введет в этот пустой интервал ложный импульс, не несущий никакой информации. Своего рода "обманку", "пустышку". Все происходит так же, как и в случае с нашими часами, когда, подводя их вперед, мы добавляем потерянные секунды. Вот и здесь мы тоже добавляем как бы потерянный импульс. Так достигается согласование, или выравнивание, скоростей записи и считывания цифровых потоков, которое в данном случае называется положительным.

Вы спросите, почему же обязательно нужно вставлять ложный импульс, не лучше ли взять, да и "притормозить" чуть-чуть генератор тактовых импульсов? Нет, нельзя. Дело в том, что тактовые импульсы разных цифровых потоков могут, в принципе, и не совпадать точно друг с другом, а генератор - один на всю систему передачи. Представим, что будет, если начать его непрерывно "дергать", подстраивая то под один цифровой поток, то под другой. Тут единственный путь - вставлять по мере необходимости в каждый из потоков ложные импульсы.

Любопытно, что в американской технической литературе описанная выше процедура согласования скоростей называется коротко одним словом: staffing. По-русски ого произносится как "стаффинг", а переводится как "вставка".

Так вот откуда он взялся, этот литературный герой приведенного в начале главы детективного сюжета! - воскликнет читатель. - Значит, это его нужно "опознать" и "ликвидировать"? Конечно. Ведь на приемной станции неизвестно, что передан ложный импульс, а не информационный.

После того как в низкоскоростной цифровой поток введен ложный импульс, нужно передать на приемную станцию команду: "Внимание! Произошло согласование скоростей". (Для иностранных читателей: "Attention! Staffing!".) Она служит сигналом для "ликвидации" на приеме ложного импульса. Такой командой может служить, например, посылка по служебному каналу единичного бита. В качестве служебного канала можно договориться использовать один из "законных" пустых интервалов, не занятый синхроимпульсом. Итак, если на приемной стороне в служебном интервале объединенного цифрового потока появляется 1, это означает, что из выделенного низкоскоростного потока нужно исключить очередной импульс - он ложный. А пока по служебному каналу поступают нули, исключать импульсы не надо - они все информационные.

Посылать по линии команду, состоящую всего из одного бита, крайне неосторожно. Под воздействием помех 1 может превратиться в 0, а 0 - в 1, и тогда случится непоправимое - информация будет декодирована неправильно. Поэтому для большей надежности команду согласования скоростей многократно дублируют, например, посылая ее 3 раза. В данном случае она будет иметь вид 111. Теперь, если в ней после воздействия помех останется только одна 1, команда все равно будет воспринята. Комбинацию же 000 нужно понимать так: согласование скоростей не производилось и пока все идет нормально.

До сих пор речь шла о том, что местный генератор может только "убежать вперед". Но с таким же успехом он может и "отставать", вырабатывая импульсы считывания реже, чем необходимо. Может случиться так, что в цифровом потоке уже должен появиться "пустой" интервал, а тактовые импульсы из-за замедленной их скорости до сих пор еще не считали из ЗУ предшествующий ему информационный импульс. Что делать в таком случае? Придется исключить из цифрового потока этот "неудачливый" бит и предоставить временной интервал "по расписанию" для передачи очередной порции служебной информации (скажем, синхроимпульса). Только так можно согласовать, или выровнять, скорости тактовых импульсов записи и считывания. Такое согласование получило название отрицательного. Не напоминает ли вам подобное действие операцию с часами, когда, подводя стрелки вперед, мы исключаем часть секунд из пути, пройденного стрелкой?

Если местные "часы" системы передачи подводятся и в ту, и в другую сторону, то одной команды "Внимание! Произошло согласование скоростей" будет мало. Нужно еще сообщить на приемную станцию, какое согласование произошло: положительное или отрицательное, вставлен ложный импульс или исключен информационный. Для этой цели вводят команду, посылая по другому служебному каналу 1 при положительном согласовании и 0 - при отрицательном. Для надежности ее тоже повторяют 3 раза. Комбинация 111 во втором служебном канале (организованном также за счет части "пустых" интервалов) будет воспринята как сигнал о том, что в цифровой поток вставлен ложный импульс, а комбинация 000 в этом канале - как сигнал о том, что из потока "вырезан" информационный бит. Устройства распознания команд выполнены таким образом, что они сработают даже в том случае, когда в командах "выживут" всего по одному биту, а остальные "погибнут" в борьбе с помехами.

Так что же, исключенный на передаче информационный бит пропадает совсем? Нет. Его посылают вдогонку по третьему служебному каналу, причем для верности тоже повторяют 3 раза. Итак, приемник цифровой системы передачи по первой команде (комбинация 111) узнает, что произошло согласование, по второй команде поймет, что нужно или ликвидировать ложный импульс (комбинация 111) или восстановить пропущенный информационный (комбинация 000), а по информации, взятой из третьего служебного канала, определит, какой бит пропущен - 1 (комбинация 111) или 0 (комбинация ООО).

Этим завершим наш рассказ о загадочном в начале главы иностранце "мистере Стаффинге", оказавшемся обыкновенным "рабочим парнем", способным делать невозможное - управлять временем! O' key, mister Staffing! Только бы ничего не помешало в этом сложном и скрытом от нас цифровом мире мирному течению потоков.

 

Вечно мешающие

Во второй половине 60-х годов XX столетия весьма популярными изданиями в самых разных читательских кругах были сборники "Физики шутят" и "Физики продолжают шутить". В этих книжечках были собраны юморески, шутливые доклады, написанные учеными разных стран, главным образом, физиками. Возможно, многое из опубликованного потеряло актуальность и сегодня уже не кажется столь смешным. Однако шутливые "законы", сформулированные Фрэнсисом Чизхолмом, заведующим кафедрой Висконсинского колледжа США, как нам кажется, останутся современными надолго. Первый закон Чизхолма гласит: "Все, что может испортиться - портится". У этого закона есть следствие: "Все, что не может испортиться - портится тоже". Любопытен и второй закон Чизхолма: "Когда дела идут хорошо, что-то должно испортиться в самом ближайшем будущем". И знаменитое следствие из него: "Если вам кажется, что ситуация улучшается, значит, вы чего-то не заметили".

В общем, все они выдержаны в духе сборников. Впрочем, подобные жизненные обобщения не являются привилегией только физиков. Вспомните хотя бы знакомый нам с детства шутливый закон "падающего бутерброда": бутерброд всегда надает маслом вниз. То, о чем мы расскажем в этой главе, лишний раз является грустным подтверждением жизненности законов Чизхолма.

...Итак, биты, удобно устроившись на станции назначения в предоставленном им транспорте, отправились в далекое путешествие. Увы, оно окажется нелегким. Немало "препятствий ожидает их на пути к станции назначения. Неведомые "враги" будут подстерегать их и пытаться уничтожить.

Сколько раз мы, затаив дыхание, читали о приключениях отважных путешественников, которые, рискуя порой своей жизнью, оправлялись в дальние края, чтобы добыть человечеству новую информацию. И как радовались, когда они благополучно завершали свой вояж, возвратись израненными в схватках с грозными силами природы, изодранными и потрепанными до такой степени, что их едва можно было узнать. Поверьте же, приключения наших трудолюбивых "почтальонов-битов" не менее драматичны. И пусть каждый из них несет совсем крохотные сведения, только "Да" или "Нет", при этом любые потери могут оказаться невосполнимыми. Поэтому перед связистами стоит благородная задача - помочь битам "выжить" в том изнурительном путешествии, в которое они были отправлены, заметьте, не "по своей воле".

Сразу же оговоримся, что не собираемся вспоминать здесь, как молния "испепеляла" кабель связи, как "рвала" его на кусочки вечная мерзлота, как выводила его из строя проникшая внутрь влага. Не будем рассматривать и аварийные ситуации, когда перестает работать оборудование цифровой системы передачи, например, по причине отказа отдельных блоков и элементов, или когда нарушается целостность линии связи между оконченными станциями (примеров такого рода "обрывов" линии связи великое множество, начиная от нарушений запрета: "Осторожно! Не копать! Вблизи кабель связи", до отказа солнечных батарей на спутнике-ретрансляторе). Нет, мы будем иметь в виду ситуацию, когда оконечное оборудование цифровых систем передачи работает нормально, а линия связи между приемной и передающей станциями цела и невредима. Что же в этом случае может помешать битам "добраться" до места назначения? Как еще могут проявиться неумолимые законы Чизхолма?

Вспомните, информация "Да"-"Нет" заключена только в форме передаваемого сигнала: есть в линии прямоугольный импульс - значит "Да", отсутствует - значит "Нет". Чему же здесь "портиться"? Казалось бы, нечему. Но не спешите с выводами, взгляните лучше на рисунок. Вот такими "израненными" и "потрепанными" выглядят информационные импульсы (и служебные, кстати, тоже) после своего головоломного "путешествия" по линии связи. Впечатляющее зрелище, не правда ли? Это уже далеко не те "красавцы-биты" образцовой прямоугольной формы, которые были на станции отправления. Вот вам и ответ на вопрос, что портится - форма импульса. Почему? Об этом и пойдет речь.

Изменения формы импульсов при прохождении их полиции связи называются искажениями. Как только появилась первая линия связи - телеграфный провод, так сразу перед связистами встала задача - направить все свои силы на борьбу с искажениями, которые есть всегда. Не существует такой линии связи, которая не вносила бы искажений в передачу информации. Правда, чем короче линия, тем эти искажения менее заметны. Но кто же захочет довольствоваться связью только на короткие расстояния? Увы, искажения ограничивают дальность связи и иногда весьма существенно, поскольку на приеме из-за них бывает очень трудно определить, какая информация передавалась. Теперь посмотрим на примере кабельной линии, из-за чего возникают искажения формы импульсов.

Кабельная линия связи - это два провода из десятка, а может, из сотни проводов (в зависимости от типа кабеля), выделенные для данной системы передачи. Тот факт, что провода оказывают току сопротивление, вследствие чего он, добегая до конца линии, сильно ослабевает, мы уже обсуждали в главе "Медные рельсы". Но что же представляет собой импульс тока? Глядя на него, мы отчетливо видим, что ток сначала резко, скачком возрастает, некоторое время остается постоянным, затем также резко, скачком падает до нуля. Но изменение тока в проводе, как известно, приводит к изменению магнитного поля вокруг него. Это поле действует не только в пространстве вокруг провода, оно пронизывает и сам провод. Когда собственное магнитное поле провода меняется, то оно по всем правилам электромагнитной индукции (что для нас не ново) наводит в самом этом проводе ЭДС самоиндукции. Еще из школы мы знаем, что ЭДС самоиндукции всегда мешает любому изменению тока в цепи. Если ток в цепи, составленной в нашем случае из двух проводов (один - прямой, другой - обратный), увеличивается, то ЭДС самоиндукции всегда этому мешает и ток в цепи возрастает не так резко. Если ток в цепи уменьшается, то она мешает этому уменьшению, поддерживает ток, как верного друга в беде, и в итоге он падает более плавно.

Значение наводимой в проводе ЭДС зависит от скорости изменения тока. Чем больше эта скорость, тем большая наведется ЭДС. Особенно сильно она возрастает при резком изменении тока, таком как, скажем, в импульсе. В проводах разной марки при одной и той же скорости изменения тока может наводиться разная по значению ЭДС самоиндукции. Говорят, что эти провода обладают разным коэффициентом самоиндукции, или, короче, коэффициентом индуктивности, или просто индуктивностью. Обозначается она буквой L. Единица индуктивности названа генри в честь американского ученого Джозефа Генри (1797-1878).

Итак, провода кабеля обладают сопротивлением и индуктивностью. Если еще учесть, что изоляция между проводами не является идеальной (она все же чуть-чуть проводит ток), и отразить данный факт на рисунке включением между ними проводимости G, то получится электрическая схема линии связи. Из этого же рисунка вы видите, как линия искажает форму импульса: она "растягивает" его во времени.

Надо сказать, что приведенная электрическая схема является неполной. Вспомним такой факт из курса физики: если расположить одну над другой две металлические пластины и на короткое время подключить их к батарее, то на пластинах накопится какое-то количество зарядов. Такой накопитель зарядов называют конденсатором. Количество накапливаемых зарядов определяется его емкостью С. Единица емкости - фарада - названа так в честь знакомого нам по предыдущим главам физика Майкла Фарадея.

Конденсаторы различаются формой пластин и веществом (изолятором), которое находится между ними. Два провода в кабеле связи, разделенные изоляцией, также образуют конденсатор. В разных типах кабелей емкость между парами проводов различна. Таким образом, более точная электрическая модель линии связи кроме сопротивления, индуктивности и проводимости содержит еще и емкость, подключенную к проводам параллельно проводимости.

Опытные радиолюбители, вероятно, заметили, что приведенная электрическая схема линии связи мало чем отличается от известного им колебательного контура. Это, по существу, и есть колебательный контур. Если бы в нем не было сопротивления и проводимости, а присутствовали только индуктивность и емкость, т. е. если бы контур был идеальным, в нем можно было бы возбудить незатухающие колебания (помните, из школьного курса физики: конденсатор и катушка индуктивности поочередно обмениваются энергией электрического и магнитного полей и энергия эта никуда из контура не исчезает?) Однако в реальном контуре часть энергии тратится на нагревание проводов и превращается в тепло, поэтому колебания в контуре будут быстро затухать. К чему приводит наличие емкости между проводами, можно увидеть из рисунка: в линии при подаче на ее вход импульса тока будут возникать затухающие колебания. Частота этих колебаний определяется индуктивностью и емкостью проводов линии.

Как-то английский писатель Самюэль Бойлер произнес фразу, ставшую впоследствии знаменитой: "Хотя аналогия часто вводит в заблуждение, это наименьшее из того, что вводит нас в заблуждение...". Что ж, последуем совету писателя и перенесемся на... трассу памятного чемпионата мира по автогонкам "Формула-1" 1991 г., и проследим за ходом одной из гонок, а точнее, за тремя ее участниками: бразильцем А. Сенной, французом А. Простом и австрийцем Г. Бергером.

Старт блестяще выиграл француз, он возглавил гонку. Бразилец и австриец поначалу оказались среди большой группы преследователей. Умело и расчетливо проходя виражи на трассе, А. Прост наращивал свое преимущество. К сожалению, Бергера постигла неудача: на своем "Феррари" он не вписался в вираж и вылетел на травяное покрытие, сильно повредив машину.

Продолжить гонку он не смог. Бразилец Сенна к середине гонки "вырвался" из группы и начал преследовать француза. В это время оказалось, что колеса на машине Проста уже были изрядно изношены - им требовалась срочная замена. Француз вынужден был остановиться и заменить покрышки своего "Макларена". Воспользовавшись этой ситуацией, бразилец вышел вперед и, как ни пытался настигнуть его Прост, до конца гонки не упустил лидерство. Победитель показал среднюю скорость 350 км/ч, занявший второе место Прост - 340 км/ч, "неудачник" Бергер - на этапе борьбы - 300 км/ч.

Теперь, когда гонка закончилась, проследим, как изменялись скорости автомобилей участников гонки при прохождении ими трассы. Вот перед нами график изменения скорости автомобиля победителя гонки Сенны. Реальная скорость заметно отличается от средней: на старте она не может мгновенно измениться от нулевой до средней - на это нужно определенное время, при прохождении виражей она заметно колеблется вокруг средней и, наконец, после финиша автомобиль останавливается не сразу - скорость падает до нуля постепенно. Но посмотрите, как удивительно похож этот график на изображение искаженного линией связи импульса. Чем объяснить такое поразительное сходство? Вероятно, тем, что как скорость движения автомобиля по трассе, так и скорость нарастания тока в линии связи не могут изменяться мгновенно, скачком. Вы уже рассматриваете два других графика, вычерченные для автомобилей Проста и Бергера? Ну что же, чуть позже мы тоже обратимся к ним.

А пока вернемся к искажениям формы импульсов и подумаем над тем, к каким последствиям они приведут. На первый взгляд может показаться, что от искажений "пострадают" только те биты, которые несут информацию "Да" или 1: ведь только им соответствуют импульсы тока в цифровом потоке. Однако это не так. Вы видели, что импульсы, искажаясь, "расплываются" во времени, а в некоторые промежутки они принимают даже отрицательные значения. Причем протяженность импульсов во времени полностью зависит только от параметров линии связи: R, L, С и G. Бывают такие линии, в которых каждый импульс "тянется" в десятки раз дольше времени, отведенного на его существование. Происходит весьма неприятное явление: передаваемый импульс накладывается своим длинным "хвостом" на целый десяток соседних импульсов. Но и соседние импульсы тока "не остаются в долгу": они "распускают" свои "хвосты".

Нетрудно сообразить, что в те промежутки времени, когда импульсы в цифровом потоке отсутствуют, теперь за счет многочисленных соседних "хвостов" могут вдруг запросто появиться "незваные гости" - импульсы, которые не передавали. И наоборот, отрицательные "хвосты" могут в сумме достичь такой величины, что они "съедят" (или, если хотите, скомпенсируют) рабочий импульс. Описанные события непредсказуемы и могут наступать неоднократно, потому что чередование импульсов в цифровом потоке происходит случайным образом. Предвидеть заранее, во что сложатся на том или ином временном интервале "хвосты" всех соседних импульсов, просто невозможно. Такой вид искажений, когда к моменту приема последующего символа не успевает закончиться действие нескольких предыдущих символов, специалисты назвали межсимвольной интерференцией (что и означает как раз взаимодействие символов между собой). Межсимвольная интерференция может привести, как мы только что убедились, к неправильному приему информации: вместо переданной 1 может быть принят 0, а вместо 0 принята 1.

Как вы думаете, в каком случае межсимвольная интерференция будет меньше: при высокой скорости цифрового потока или при низкой? Правильный ответ - во втором случае. Действительно, на степень "расплывания" импульсов во времени влияют только параметры линии связи, поэтому при низкой скорости передачи, когда импульсы появляются реже и, следовательно, отстоят друг от друга дальше, их "хвосты" едва дотягиваются до соседних импульсов. При высокой же скорости передачи импульсы следуют гораздо чаще и, "расплываясь", налезают друг на друга. Для каждой линии связи можно подобрать скорость цифрового потока, при которой межсимвольная интерференция будет настолько мала, что с ней можно практически не считаться. Правда, возникает другой вопрос: устраивает ли нас эта скорость? Забегая вперед, скажем, что борьба за повышение скорости передачи информации и в то же время за повышение ее достоверности (а эти требования, как мы видели, являются противоречивыми) всегда была и остается до настоящего времени, пожалуй, самой главной задачей связистов. Какими средствами она решается? Об этом еще будет время поговорить.

Наложение импульсов друг на друга происходит не только в линии из двух проводов. В коаксиальных кабелях, где вместо проводов для передачи цифр используются коаксиальные пары, тоже имеет место интерференция символов, хотя и в меньшей степени, так как у линии такой специальной конструкции индуктивность и емкость значительно меньше. Кстати, это одна из причин, по которой удается передавать по коаксиальным кабелям цифровые потоки с более высокой скоростью, чем по симметричным кабелям, состоящим из проводов.

По оптическому волокну распространяются, как вы помните, световые импульсы. Если передается единичный бит, волокно озаряется короткой вспышкой света, если нулевой бит - волокно остается темным. Скорость передачи его по оптическим волокнам столь велика, что каждая вспышка длится менее миллиардной доли секунды или еще короче. Вы, вероятно, не забыли, что световой поток вводится в торец волокна и распространяется по нему в виде множества лучей. Так как различные лучи затрачивают на "пробег" по волокну разное время, то световые импульсы "размазываются" во времени и громоздятся друг на друга. Но это же и есть межсимвольная интерференция!

Работает в открытом пространстве лазерная линия - световые лучи интерферируют из-за отражения их от неоднородности атмосферы. Выходят биты в "эфир" с помощью радиорелейных и спутниковых линий - УКВ-радиолучи интерферируют из-за неоднородностей ионосферы. Как видите, какое бы "обличие" не принимали биты, спастись от искажений им не удастся. Но это еще не все! Как гласит народная мудрость: пришла беда - отворяй ворота!

Мы обещали вернуться к автогонкам, вернее, к графикам изменения скоростей автомобилей во время прохождения автогонщиками трассы. Теперь самое время взглянуть на них еще раз. Французу Л. Просту крупно не повезло: в середине гонки задымились изношенные покрышки и потребовалась их замена. Досадная помеха! Из-за нее француз пришел к финишу только вторым. Австриец Бергер вообще сошел с трассы. Опять какая-то помеха? Как часто в жизни жалуемся мы на различные помехи. Вот кто-то вклинивается в наш разговор по телефону (для нас это помеха, мешающая слышать собеседника). А вот мы не можем из-за сетки дождя разглядеть, сгорая от нетерпения на остановке, номер троллейбуса. Таких примеров много.

Помехи окружают нас всюду. Одни мешают нам сильно, другие - не очень, третьи мы просто не замечаем, так как надежно защищены от них. Часть помех люди создают сами - своим поведением, своей деятельностью, а часть существует независимо от людей, их источником являются силы природы.

Помехи доставляют неприятности не только людям, но и битам. И что парадоксально: человек, который старается оградить потоки информации от воздействия помех, сам же в большинстве случаев и создает их. Придумал человек трамвай и метро, электрифицировал железные дороги - и появились "блуждающие" токи. А ведь они страшны не только тем, что "поедают" кабель, т. е. вызывают его коррозию. С коррозией человек научился бороться. Блуждающие токи, проникая в жилы кабеля, накладываются на итак уже "искореженные" импульсы. Форма этих токов весьма причудлива. Можно представить, что они "проделывают" с импульсом. Построил человек радиостанции и линии электропередач на переменном токе - вот вам еще наведенные в кабелях токи, причем с формой, далеко не похожей на прямоугольную. Работает электросварщик на стройке - будьте уверены, в близлежащих кабелях появились помехи. В общем, промышленные помехи поджидают биты буквально на каждом шагу. А тут еще грозная игра стихии! Сверкают молнии, вспыхивают метеоры, "шумят" электромагнитные бури. Эти так называемые атмосферные помехи, безусловно, наносят ощутимый вред импульсам в проводных и радиолиниях. Добавьте сюда еще и замирания в радиорелейных и спутниковых линиях, которые тоже не способствуют сохранению формы импульсов.

Это все, так сказать, "внешние враги" битов, проникающие из внешнего мира в кабели, стволы радиолиний. Но есть еще один "коварный враг" - внутренний. Имя ему - тепловой шум.

Мы представляем себе ток в виде направленного движения электронов в проводнике. Но электроны совершают, кроме того, и хаотические, беспорядочные движения. Последние, конечно, выражены менее ярко, чем направленное движение, но тем не менее это тоже ток, только очень слабый, и форма его непрерывно меняется, принимая самые причудливые очертания. Поскольку этот ток вызван хаосом в потоке электронов, его назвали шумом. При увеличении температуры проводника электроны в нем начинают двигаться более энергично и, как следствие, шум возрастает. Поэтому шум в проводниках называют еще тепловым. Нужно ли объяснять, что он присутствует всегда? И тогда, когда по линии передаются импульсы, и тогда, когда в линии никаких сигналов нет.

Почему мы наградили шум эпитетом "коварный"? Подумаешь, слабенький ток, в десятки, сотни, а иногда и в тысячи раз меньше основного, будет накладываться на импульсы или регистрироваться в их отсутствие. Какой уж там вред он может нанести? Не преувеличены ли наши "страхи"?

Вы наблюдали когда-нибудь, как закипает вода в кастрюле? Ее молекулы, совершая хаотические движения, с силой вырываются наружу. Мы видим, как начинает бурлить поверхность воды. Но бурлит она не везде одинаково. То тут, то там неожиданно возникают сильные всплески. Это проявляют себя согласованные действия целых групп молекул.

В тепловом шуме наблюдаются случайные большие "выбросы", причем не только положительные, но и отрицательные (это когда большая группа электронов в своих беспорядочных метаниях вдруг дружно "качнется" в сторону, противоположную своему основному движению). Подобные "выбросы" могут быть соизмеримы по высоте с информационными или служебными импульсами, и, если выброс отрицательный, импульсу грозит полное "уничтожение". Наоборот, положительный "выброс" шума в отсутствие импульса даст ложную информацию: вместо 0 будет зарегистрирована 1. И хотя такие события возникают не так уж часто, но вместе с тем они не так уж и редки, чтобы не считаться с ними.

К сожалению, шумит все или почти все: провода, сопротивления, транзисторы, электронные лампы, микросхемы. Правда, природа шумов в лампах, полупроводниках и изделиях из них несколько иная, чем в металлических проводниках. Но по своему "коварному" поведению они мало чем отличаются. Все эти шумы в отличие от шумов, наведенных в линии извне, называются собственными, или внутренними, помехами.

Подведем "печальные" итоги. Искажения, промышленные и атмосферные помехи, шумы аппаратуры и кабеля - вся эта многочисленная "воинствующая братия" наносит большой ущерб информации, передаваемой в цифровом виде по современным линиям связи. Импульсы, а вернее, то, что от них осталось, приобретают самые причудливые очертания. У некоторых из них помехи "вырезают" определенную часть, и тогда их форма напоминает графики скоростей автомобилей французского и австрийского гонщиков. Глядя на форму принятого сигнала, подчас трудно бывает разобрать, передавался в данном промежутке времени импульс или нет.

Однако на приемной станции нужны импульсы только прямоугольной формы, все устройства цифровых систем передачи реагируют лишь на две ситуации - "Да" и "Нет", или 1 и 0. Возникают вопросы: как выправить "искаженную" форму импульсов? Возможно ли распознать и восстановить пораженные биты? Как измерить ущерб, нанесенный информации извечными ее "врагами"? Ответы на них вы найдете в следующих главах.

 

"Профилакторий" для сигнала

Давайте проследим за тем, как врач, используя данные своего электронного помощника - компьютера, ставит диагноз. Другими словами, нас будет интересовать процедура принятия решения. Итак...

Больной жалуется на боли в животе. Компьютер, отработав данные опроса, выдает свой диагноз. Так как опрос был весьма неполным, то таким же приближенным является и ответ. В нашем примере компьютер указал на два наиболее вероятных заболевания и вероятность каждого из них: аппендицит - 0,64 и инфаркт миокарда - 0,36. Указанные вероятности были вычислены на основе статистики, которая заложена в памяти компьютера. Врач должен принять окончательное решение. Машина подсказывает, что вероятнее всего у больного аппендицит. Но это всего лишь предположение, гипотеза. Существует, хотя и с меньшей вероятностью, второй вариант - у больного инфаркт миокарда. Допустим, что врач принимает в качестве основной первую гипотезу. Если он не ошибся и у больного действительно аппендицит, то помощь придет вовремя. Но может оказаться, что врач ошибся, и гипотеза о том, что у больного аппендицит, впоследствии при более детальном его обследовании специалистом-хирургом не подтвердится. Из-за потерянного времени ошибка может дорого обойтись пациенту. Цена такой ошибки - жизнь.

Но врач мог принять за основную гипотезу наличие у больного инфаркта миокарда. В этом случае возможны также два исхода: диагноз подтвердился и диагноз ошибочный. Причем ошибка, увы, также может стоить человеку жизни. Всю описанную ситуацию можно представить в виде таблицы:

Конечно, врач не имеет права гадать. Поэтому он назначит дополнительное обследование: снимет электрокардиограмму, возьмет определенные анализы и, когда результатов обследования окажется достаточно, примет окончательное решение. Правда, и в данном случае врач не застрахован от ошибки. Но почему же, однако, в большинстве случаев больным ставится верный диагноз и назначается правильное лечение? Это происходит оттого, что, принимая решение, врач руководствуется статистическими данными, накопленными медициной в большом количестве. Без этого богатейшего опыта здравоохранение вряд ли добилось бы каких-либо успехов.

В житейских ситуациях мы также опираемся на статистику, хотя не всегда осознаем это. Скажем, если ваш приятель, повстречавшийся вам в ясный морозный день, с восторгом рассказывает, как он только что провел отпуск, ни разу не надев пальто, вы уверенно делаете вывод, что отдыхал он уж, конечно, не в Сибири, а на юге. Такая уверенность основана на том, что внезапное потепление в Сибири, хотя, в принципе, и возможно, но в такое время года и на столь длительный период (на время отпуска) маловероятно. В то же время для южных районов страны теплая погода является нормой.

Нам кажется, что пример из медицинской диагностики поможет лучше уяснить ситуацию, сложившуюся в цифровой системе передачи. На приемной станции нужно ставить "диагноз" каждому "израненному" помехой импульсу, т. е. необходимо принимать решение о том, что передается в каждый данный промежуток времени: 0 или 1. Все возможные варианты, возникающие при этом, сведены в таблицу:

Заметим, что подобные задачи возникают не так уж редко. В системе противовоздушной обороны есть радиолокационная служба обнаружения. Она тоже не безошибочна: сигнал о вражеском объекте может быть принят за шум, либо может быть сделано ошибочное заключение об обнаружении объекта, когда его на самом деле нет. Как пропуск жизненно важной информации, так и ложная тревога чреваты в наши дни самыми трагичными последствиями для миллионов людей. Этими примерами мы хотим подчеркнуть, насколько важно принять правильное решение.

- Но ошибки в приеме цифровой информации не угрожают жизни людей, - заметит читатель. - Не сгущают ли авторы краски?

Это как посмотреть. Если речь идет о светской болтовне двух приятельниц, то здесь читатель безусловно прав: частые ошибки при приеме цифровой информации вызовут лишь законное возмущение приятельниц качеством связи. Однако цифровая информация может передаваться, скажем, от центра управления полетом к стартовому ракетному комплексу, от высшего военного руководства к командному пункту войск ПВО, от переносного электрокардиографа к приемному комплексу в поликлинике. Да мало ли какая жизненно важная информация может содержаться в цифровом потоке! Тут уж, перефразируя известное изречение, искажение смерти подобно. Другое дело, что в разных ситуациях можно допустить разную степень "ошибочности" при принятии решения.

В самом деле, как оценивать качество "диагностики" пораженных помехами импульсов? Самый простой способ - подсчитывать количество ошибочно принятых решений. Но так как абсолютное число ошибок не дает представления о качестве "диагностики", разумно отнести его к общему числу переданных импульсов. Например, если из тысячи импульсов приняты неверно три, то отношение количества ошибочно принятых решений к общему числу решений составит 0,003, или 3∙10-3. В математике это отношение принято называть вероятностью ошибок. Чем она меньше, тем качественнее осуществляется "диагностика" импульсов.

Как же узнают о том, что принятое решение ошибочно? - удивится читатель. - Ведь на приеме неизвестно, какой символ передавался, а если бы это было известно, то зачем тогда такую информацию передавать? В данном случае связь не нужна. Конечно, мы не знаем, верно или неверно принят тот или иной символ. Но существует удивительная математическая наука - теория вероятностей. Она позволяет еще на стадии проектирования, т. е. когда цифровой системы передачи даже и в помине нет, рассчитать вероятность ошибочного приема или, иными словами, узнать, сколько раз в среднем мы ошибемся.

Еще больше вас удивит тот факт, что хотя на приемной стороне и неизвестно, угадали мы или нет, принимая решение по виду конкретного импульса, тем не менее удастся довольно точно подсчитать, сколько было ошибок за тот или иной промежуток времени, и сравнить полученную величину с предсказанной при проектировании. Не правда ли, это кажется невероятным, даже почти мистическим? Мы еще вернемся к этим обстоятельствам, а пока подумаем над тем, каким правилом нужно руководствоваться, чтобы поставить "пострадавшему" от искажений и помех импульсу верный диагноз, т.е. по возможности безошибочно распознать, какой символ передан: 0 или 1.

Заглянем на заводе радиодеталей в цех, где делают резисторы. Вот готовая к отправке партия с номиналом 100 Ом (номинал - это то значение сопротивления, которое указано на корпусе резистора). В данном случае приходится не верить им не в переносном смысле, а в прямом. Если вы начнете измерять сопротивления резисторов, выбирая наугад их из партии, прибор будет показывать самые различные значения: от 90 до 110 Ом. Дело в том, что изготовлять резисторы, точно соответствующие номиналу, сложно и дорого. Поэтому их делают с определенным допуском. Обратите внимание еще на одну надпись на корпусе резистора: ±10%. Это значит, что в партии с номинальным сопротивлением  100 Ом вам будут попадаться резисторы с сопротивлениями, отклоняющимися от номинального в обе стороны на 10%. Вот откуда взялись цифры 90 и 110 Ом. Это граничные значения для данной партии. Прежде чем сформировать партию резисторов для отправки, их подвергают разбраковке. Указанная процедура выглядит следующим образом: измеряют сопротивление резисторов (скажем, с точностью до 1 Ом) и те из них, которые лежат в установленных допусках, оставляют в данной партии. Если среди резисторов данного номинала попадаются экземпляры с сопротивлением выше 110 и ниже 90 Ом, их направляют в партии с другими номиналами.

Может возникнуть вопрос: а как часто среди продукции данного номинала встречаются образцы, отклоняющиеся от него? Исследования показали, что отклонения от номинала подчиняются так называемому "нормальному закону": чем больше отклонение, тем реже оно встречается. Другими словами, вероятность (или частость появления) больших отклонений маленькая. Обращаем ваше внимание на то, что малая вероятность какого-либо события вовсе не означает, что такое событие не произойдет. Например, если для города с миллионным населением подсчитать, пользуясь данными статистики дорожно-транспортных происшествий, вероятность ежедневного попадания пешеходов под автомобиль, то она будет ничтожно малой - всего 0,000002, или 2х10-6. Но ведь это значит, что в среднем совершается по два наезда каждые сутки. Не так уж мало!

Между разбросом параметров резисторов и статистикой помех много общего. Возьмем, к примеру, тепловой шум. В среднем хаотическое движение электронов дает нулевой ток. Но это в среднем. Ученые обнаружили, что отклонения шумового тока от среднего подчиняются тому же закону, что и отклонения сопротивления резисторов от номинального значения. Следовательно, могут, хотя и редко, появляться значительные "выбросы" шумового тока. Они-то и будут представлять основную опасность для процесса принятия решения. Появление положительного "выброса" шума на том промежутке времени, где передавался 0, приведет к ложному выводу о том, что была передана 1. В свою очередь, отрицательный "выброс" шума, появившийся в момент передачи 1, наложится на импульс и "уничтожит" его. И это тоже приведет к неверному решению, так как будет зафиксировано, что передавался 0. Заметим, что аналогичная картина может иметь место и при действии межсимвольных искажений, а также других помех.

Очевидно, ошибка в решении возникает тогда, когда амплитуда "выброса" шума, или помехи, будет соизмерима с амплитудой импульса. При малых же уровнях шумовых воздействий различить наличие или отсутствие импульса на их фоне не так уж трудно. Каким же должно быть правило принятия решения?

Шахтерам хорошо известно такое опасное явление, как "выбрасывание" угля из угольного пласта: за несколько секунд в свободное пространство забоя выносятся десятки (а иногда и тысячи) тонн угля. Эта неуправляемая масса угля ломает крепление забоя, образует в нем завалы. Нередко в ловушку попадают люди, работающие на большой глубине в угольной лаве. Предсказывать подобные катастрофы в шахтах помогли геофизики. Они устанавливают в забое геофоны (приборы для улавливания звуковых колебаний) и слушают шумы. Пока опасности нет, геофоны фиксируют лишь обычные для забоя шумы: работу отбойных молотков, угольного комбайна. Но как только уровень шумности превысил установленный порог - жди беды, это трещит и создает сильный шум угольный пласт, внутри которого создалось избыточное горное давление. Значит, скоро рванет!

Порог... Может быть, и нам ставить диагноз подобным образом: превышает поступивший из линии сигнал установленный пороговый уровень - передана 1, ниже порогового уровня - передан 0. Это правило очень простое и легко реализуется с помощью микросхем (их назвали компараторами), сравнивающих два сигнала, один из которых поступает из линии, а другой является эталоном, или опорным, и играет роль порога. При превышении порога на выходе компаратора появляется импульс, свидетельствующий о том, что принято решение: передана 1. В противном случае на его выходе ничего нет - молчаливое свидетельство того, что передан 0.

Вот только какой "высоты" этот порог устанавливать? Если небольшой, то компаратор будет уверенно обнаруживать каждый переданный импульс, даже очень сильно "изъеденный" помехой (при условии, конечно, что он не исчез совсем). Но зато при этом нет никакой гарантии, что из-за частого превышения шумом невысокого порога не будут пропущены те моменты, когда передавались 0 и, следовательно, импульсы в линии отсутствовали. Наоборот, если пороговую "планку" поднять очень высоко, то компаратор не пропустит почти ни одного 0 (кроме тех редких случаев, когда шум будет очень большим). Но вместе с тем он не будет "замечать" большое число импульсов, амплитуды которых уменьшились из-за воздействия помех и оказались ниже порогового уровня. Взгляните на рисунок, показывающий, как влияет значение порога на вероятности ошибочных решений. С увеличением порогового значения растет вероятность пропуска 1, но одновременно уменьшается вероятность пропуска 0. Пересечение этих кривых - вот "соломоново решение"! При таком пороговом значении, равном как раз половине высоты импульса, риск пропустить ту или другую цифру - 0 или 1 - одинаковый.

Итак, компаратор принимает решение о том, какой символ был передан, путем сравнивания амплитуды входного сигнала с эталонным значением - порогом. Все то время, в течение которого сигнал по высоте превышает порог, на выходе компаратора существует импульс, сигнализирующий об этом превышении. Но нужно ли проводить такое сравнение непрерывно? Очевидно, нет, тем более что компаратор будет выдавать импульсы неодинаковой длительности (в этом легко убедиться, проведя на рисунке, изображающем искаженный сигнал, горизонтальную черту - порог: все превышения этого порога имеют разную длительность). Поэтому поступают так: через равные промежутки времени (правильнее сказать, через тактовые интервалы) на компаратор поступает команда: "Произвести сравнение!".

Ну, а кто дает такие указания, вы знаете - система синхронизации. Значит, опять нужны тактовые импульсы, и если взять их неоткуда (а такие ситуации встретятся позже), то эти импульсы выделяют из цифрового потока тем способом, который мы уже описывали ранее. Для управления компаратором тактовые импульсы делают очень короткими, чтобы сравнение осуществлялось в один миг, тот самый, который соответствует именно середине передаваемого импульса. Ясно, что теперь и на выходе компаратора будут появляться короткие импульсы, сигнализирующие "Есть 1!".

Диагноз поставлен - время назначать лечение. Теперь ничего не стоит вернуть битам "пышущий здоровьем вид". Делает это другая микросхема - мультивибратор. И происходит такая процедура следующим образом. Получил мультивибратор короткое указание от компаратора "Выдать импульс!" - и, пожалуйста, новенький, без всяких изъянов импульс требуемой амплитуды и длительности готов!

Описанная процедура восстановления цифровых сигналов называется регенерацией (от позднелатинского regeneratio - возрождение, возобновление), а устройство, выполняющее эти функции, - регенератором. Как мы видели, регенератор включает в себя схемы: принятия решения, формирования импульсов, выделения тактовой частоты. Устанавливается он на выходе линии связи. Теперь можно не волноваться - на микросхемы приемной станции поступает привычная двоичная информация: "Да" и "Нет". Регенераторами снабжаются все цифровые системы передачи, работающие но электрическим и оптическим кабелям, радиорелейным и спутниковым стволам. На радиорелейных линиях связи регенераторы размещаются вместе с приемной аппаратурой на промежуточных и оконечных башнях (или мачтах), а на спутниковых линиях - на самом спутнике и на приемных земных станциях. А вот на кабельных магистралях их даже закапывают в землю, т. е. мы хотели сказать, что на этих линиях регенераторов ставят так много, что их приходится "врезать" прямо в кабель, лежащий в земле.

...Врачи говорят: "Болезнь легче предупредить, чем лечить". Сейчас нам предстоит убедиться в полезности этой рекомендации не только для людей, но и для битов. Решите такую задачу: известно, что линия из двух проводов телефонного кабеля протяженностью 1 км ослабляет сигнал в 10 раз. Во сколько раз ослабится сигнал в линии длиной 10 км? Не спешите, вы уже один раз попадали в ловушку (помните, с пальцами на 10 руках?). Давайте подсчитаем вместе. Пройдя 1 км, сигнал уменьшится в 10 раз. После прохождения 2-го километра он станет слабее еще в 10 раз. Итого - в 100 раз. После 3-го километра сигнал (заметьте, уже уменьшенный в 100 раз) снова претерпит ослабление в 10 раз, а значит, с самого начала пути в 1 000 раз. Продолжая рассуждать таким же образом, мы обнаружим, что через 10 км от сигнала почти ничего не останется: он уменьшится в 10 млрд раз! Вы можете представить себе такое ослабление? Поразительно, не правда ли?

Напомним, что в технике связи ослабление обычно измеряют не в "разах", а в специальных единицах - децибелах (мы об этом подробно рассказывали в главе "Стеклянный тоннель"). Ослаблению в 10 раз соответствует 10 дБ, в 100 раз - 20 дБ, в 1 000 раз - 30 дБ и т. д. Легко подсчитать, что пара проводов в 10-километровом "куске" телефонного кабеля, уменьшающая сигнал в 10 млрд раз, вносит ослабление в 100 дБ. Последняя цифра станет более понятной, если мы скажем, что это равносильно ослаблению оглушительного рева двигателя самолета на старте до неуловимого шелеста листьев деревьев в тихую погоду.

Положим, что исходный ток в импульсе при передаче 1 составлял 120 мА. В конце же линии длиной 10 км он будет равен лишь одной стотысячной доле микроампера. Такой ток не удастся зарегистрировать ни одним прибором - настолько он мал. Любой шумовой ток и токи помех по величине намного превосходят его. Сигнал исчез, он растворился в шумах, поглощен помехами. Но разве это расстояние для связи - 10 км? Мы должны уметь передавать сигнал на многие тысячи километров. Вот потому-то и приходится, чтобы сигнал не успевал сильно ослабляться и заметно отличался от помех, на кабельных линиях ставить регенераторы очень часто. Только тогда из него можно будет восстанавливать импульсы, не допуская при этом большого числа ошибок.

Остается лишь уточнить, как все же часто следует включать в телефонный кабель регенераторы? Очевидно, это зависит от того, какую вероятность ошибки можно допустить при приеме цифровой информации. Одно дело, когда регенераторы ставятся через 1 км. В этом случае исходный ток импульса (скажем, 120 мА), дойдя до регенератора, уменьшится незначительно (в нашем примере - до 12 мА) и будет заметно превышать среднее значение токов помех. Ясно, что такие большие "выбросы" мешающих токов, которые могут вызвать ошибочный диагноз "главного терапевта" - компаратора, большая редкость. Вероятность ошибки может быть сведена к очень малой величине. Правда, довольно дорогой ценой. Причем слово "дорогой" мы употребили в прямом смысле: установка регенераторов через каждый километр, например, на 100-километровой магистрали потребует немалых финансовых затрат, ведь каждый регенератор - не детская электронная игрушка (которая, кстати, стоит тоже недешево), а достаточно сложное устройство стоимостью в тысячи рублей. И совсем другое дело, если в целях экономии средств регенераторы "расставить" на магистрали, скажем, через 5 км. Ток на участке линии между двумя регенераторами уменьшится теперь в 100000 раз (что эквивалентно 50 дБ), и для взятого нами примера будет равен 1,2 мкА, а это уже на уровне шумов! Теперь ошибки почти неизбежны. Более того, пет никакой гарантии, что это не будут сплошные ошибки. Значит, нужно искать компромисс, магистраль должна быть как можно дешевле, но в то же время - обеспечивать вероятность ошибки не больше допустимой.

Но что значит "не больше допустимой"? Какую вероятность ошибки можно допустить? Банковский работник, например, отметет начисто саму постановку вопроса о допустимой вероятности ошибки при приеме цифровых данных, используемых в банковских операциях. Он допускает единственную вероятность ошибки - нуль! Но, простите, безошибочных систем передачи информации не бывает - это невероятно! Как же быть?

Граничную вероятность ошибки, которую нельзя превышать, определяют исходя из конкретного использования цифровой системы передачи. Скажем, при проектировании командной радиолинии для управления выводом на орбиту искусственного спутника Земли задают очень малую вероятность ее нарушения, например 10-9. Это значит, что в среднем при передаче 1 млрд команд только 1 раз произойдет ошибка. Такую командную линию можно практически считать действующей без ошибок.

Вот как определяется допустимая вероятность ошибки при передаче цифровым способом речи. Дело в том, что ошибки, допущенные при восстановлении цифрового сигнала, весьма своеобразно сказываются на телефонном разговоре: абонент слышит неприятные щелчки в телефоне. По существующим международным нормам удовлетворительным признается такое качество передачи речевого сигнала, когда абонентом прослушивается не более одного щелчка в минуту. Но, что удивительно, далеко не каждая ошибка при приеме символов цифрового потока приводит к щелчкам. Некоторые символы могут быть неправильно восстановлены регенератором практически "безнаказанно"! Чтобы понять причину этого явления, давайте вспомним, как происходит процесс преобразования телефонного сигнала в цифровой. В аналого-цифровом преобразователе (АЦП) непрерывный телефонный сигнал превращается в последовательность отсчетов (в секунду их берется 8 000), кодируемых в виде 8-разрядной комбинации двоичных цифр 0 и 1.

Пусть кодовая комбинация одного из отсчетов имеет вид 00111100. Если принять, что "цена" младшего разряда составляет 1 мА, то нетрудно подсчитать, какой "высоте" аналогового отсчета соответствует эта комбинация:*

0∙27 + 0∙26 + 1∙25 + 1∙24+ 1∙23 + 1∙22+ 0∙21 + 0∙20 = 60 мА.

И еще представьте себе, что все ближайшие отсчеты слева и справа от этого имеют примерно такую же "высоту" (это напоминает ситуацию, когда певец продолжительно тянет одну ноту). Такое предположение позволит нам отчетливее увидеть действие помех на речь.

Будем считать, что ошибка произошла в старшем разряде кодовой комбинации: вместо 00111100 восстановлена последовательность 10111100. Это значит: вместо отсчета в 60 мА

1∙27 + 0∙26 + 1∙25 + 1∙24+ 1∙23 + 1∙22+ 0∙21 + 0∙20 = 188 мА.

Если все остальные отсчеты слева и справа декодированы правильно и равны, как мы договорились, 60 мА, то создастся впечатление, что на переданный аналоговый сигнал как бы наложился узкий импульс тока в 128 мА. Вот этот-то импульс и вызовет прослушивание щелчка в телефоне абонента! А если ошибка произойдет в последнем разряде кодовой комбинации? Тогда после декодирования будет получен отсчет в 61 мА. Такое мизерное изменение амплитуды сигнала (менее 2%) совершенно неразличимо на слух.

Таким образом, ошибки в восстановлении различных символов в кодовых комбинациях речевого сигнала по-разному воспринимаются на слух. Экспериментально установлено, что заметные щелчки возникают при неверном приеме только двух старших разрядов кодовой комбинации. Теперь мы сможем подсчитать допустимую вероятность ошибки.

Напомним, что по нормам допускается прослушивание не более одного щелчка в минуту. Это означает, что в течение 1 мин разрешается принять с ошибкой либо один символ старшего разряда какой-нибудь одной кодовой комбинации, либо один символ, следующий но старшинству. За секунду в цифровом канале передается 8000 кодовых комбинаций. А за минуту?

Естественно, 8000х60 = 480000. В этих кодовых комбинациях "опасными" с точки зрения порождения щелчков являются 480000х2 = 960 000 старших разрядов. Если считать, что оба старших символа могут вызвать щелчки в равной степени, то вероятность того, что за I мин будет ошибочно принят хотя бы один из них, составит величину рош = 1 /960000 ~= 10-6.

Вы думаете, эта цифра окончательная: ничего подобного. Не следует забывать, что число регенераторов на магистрали может достигать нескольких сотен. И в каждом из них компаратор может ошибиться и принять неверное решение. Конечно, маловероятно, что они ошибутся все разом, но все же... Пословица гласит: береженого бог бережет. Если ориентироваться на самый худший случай, то можно подсчитать вероятность того, что ошибки появятся на выходах всех регенераторов одновременно. Она равна сумме вероятностей ошибок в отдельных регенератоpax. Ну-ка,  сообразите, какова допустимая вероятность ошибки для одного регенератора, если их число равно 100, а вероятность ошибки для всех регенераторов не должна превышать 10-6 . Сообразили? Правильно, норма для каждого из них будет в 100 раз жестче: 10-8. Допускается одна ошибка на 100 млн символов!

Чтобы обеспечить такое высокое качество "диагностики" искаженных помехами и шумами импульсов, приходится включать регенераторы на городских телефонных кабелях, где и сигнал ослабляется сильнее, и помех побольше, через 2-3 км. На магистралях из коаксиальных кабелей, а они ослабляют сигнал в меньшей степени и защищены от помех лучше, регенераторы ставятся реже - через 5 км.

- А на оптических кабелях регенераторы ставятся? - спросите вы.

Обязательно. Но только вспомните, какое малое ослабление вносит волоконный световод - единицы и даже доли децибел на километр. Поэтому и регенераторы включат в такой кабель через десятки, а то и сотни километров.

Мы хотели бы обратить ваше внимание еще на два обстоятельства:

1. Поскольку регенераторы находятся в поле, а до приемной станции, где есть так необходимые для работы компаратора тактовые импульсы, неблизко, то в каждом регенераторе приходится выделять эти импульсы непосредственно из цифрового потока. Как это делается, вы уже знаете.

2. Любые микросхемы требуют для своей работы источники питания. Те, что имеются в регенераторе, тоже. Где их взять? Не тянуть же, в самом деле, линию электропередачи к регенераторам? А почему бы и нет? Такая линия существует. Но не в виде знакомой всем ЛЭП, а в виде дополнительных проводов в кабеле. Например, в оптическом кабеле кроме световодов имеются металлические провода, по которым ток питания дистанционно подается ко всем регенераторам. В электрических кабелях поступают еще проще. В них для подачи тока питания к микросхемам используют те же провода, что и для передачи цифрового потока. У нас нет возможности рассказать вам подробно о том, как в линии связи разделяют токи питания и токи информационных импульсов. Для этого нам пришлось бы привлечь многие понятия из области энергетики. Заметим лишь, что для питания регенераторов требуется немалое напряжение - 1 400 В (напряжение в наших домах лишь 220 В). Так что это почти ЛЭП. Но только ЛЭП внутри кабеля!

Завершая рассказ о восстановлении искаженных помехами импульсов, подчеркнем, что регенератор - это своего рода "профилакторий" для цифрового сигнала. Профилакторий... на дороге. Каким бы ослабленным ни был сигнал на "пороге профилактория", после пребывания в нем он полностью восстанавливает свою форму и вновь готов к дальним странствиям.

Болезнь легче предупредить, чем лечить... Чем чаще будут встречаться битам на их пути такого рода "учреждения", тем легче предупредить самую серьезную их "болезнь" - подмену "коварными" помехами одного символа другим. Однако не слишком ли дорогим удовольствием оказывается такая профилактика? Ведь строительство большого количества регенераторов требует огромных расходов. А нет ли других средств для предупреждения подобных "заболеваний"? Об этом следующий наш рассказ.

 

Вызываются на поединок

Как часто, перелистывая газеты, мы встречаем в них заголовки статей и заметок типа: "Борьба за качество", "Битва на полях", "Потерям объявлена война", "На переднем крае", "Из плена времени"... Но никого из нас эта "военная" терминология не вводит в заблуждение, ибо мы прекрасно понимаем - это журналистский прием, за которым кроется стремление показать читателю сложность решения той или иной проблемы, необходимость концентрации усилий многих руководителей, ученых, специалистов.

Подобным приемом пользуются не только журналисты и писатели (вспомните изданный в 50-е годы XX в. роман Г. Николаевой "Битва в пути"). К нему прибегают и авторы научно-технической литературы, в частности, по электрической связи. Долгие годы для многих поколений ученых, и иженеров, студентов была настольной книгой, ставшая теперь библиографической редкостью, монография Л.А. Харкевича, имевшая столь необычное для таких изданий название: "Борьба с помехами".

А возьмите научно-популярные издания! Уж здесь-то вам не раз попадутся на глаза заголовки о "битвах" и "войнах", "завоеваниях" и "поражениях". И в этом нет ничего удивительного. По драматизму событий "битвы" за научные идеи подчас не уступают настоящим. История - свидетельница того, что за многие века поле научной "брани" густо усеяно бездыханными телами жертв (вспомните Ипатию Александрийскую - блестящего математика древности, изуверски убитую первыми христианскими инквизиторами; Джордано Бруно, заживо сожженного во времена средневекового мракобесия; Сервета, убитого протестантами; перечень всех имен получился бы очень длинным). Но дело не только в конкретных человеческих жертвах. Вернее, не столько в них. В "битве" на научном "фронте", например, с такими "противниками", какими являются помехи, разумеется, никаких человеческих жертв нет, но есть победа человеческой мысли, торжество человеческого разума, постижение им таинственных сил природы и преодоление бесчисленных барьеров и преград.

Помехи... Это не только злейший и коварный враг информации, но и самый древнейший. Первой вступила с ним в поединок природа. В процессе ее эволюции зарождался и совершенствовался обмен биологической информацией между существами, населявшими Землю: рыбами, птицами, животными. Одновременно совершенствовались и приемники этой информации, возрастала их способность противостоять вредному действию помех. И в этом направлении природа достигла феноменальных результатов!

Слух лесного жителя - совы - обладает удивительно высокой помехоустойчивостью. Приемники звуковых колебаний - органы слуха - настроены на восприятие наиболее важных для совы звуков: писков мышей, шорохов грызунов в траве, голосов птенцов и т.д. Все лишнее отсекается. Природа будто бы специально позаботилась сделать сове своего рода акустический фильтр, пропускающий звуки с частотой 3-7 тыс. Гц и подавляющий звуки, которые являются помехой при восприятии информации, например шумы леса. Не эту ли уникальную "разработку" природной лаборатории копируют ученые, когда устанавливают электрические фильтры на входе приемников радиорелейных и спутниковых систем передачи? Ведь здесь все происходит так же, как у совы: фильтры пропускают колебания только тех радиочастот, на которых работают эти линии, и ослабляют тем самым действие помех, которые занимают практически весь радиодиапазон.

Загадкой природы называют ученые дельфина. Совсем недавно, всего около 40 лет назад, была раскрыта одна из удивительных загадок дельфина - способность его к ультразвуковой эхолокации. Словно радар, посылает он в пространство короткие локационные импульсы и по отраженному от объекта эхосигналу определяет характер этого "объекта" и расстояние до него. Но поразительнее всего то, что дельфин может слышать очень слабый отраженный сигнал (например, эхо от дробинки, бесшумно опущенной в воду на значительном расстоянии от него) в сильных шумах, которые создают само вечно шумящее море, голоса его обитателей, эхо от посторонних предметов - дна, поверхности воды, тел других дельфинов, снующих рядом, и т. и. На какое же изобретение нужно на этот раз выдать патент природе, создавшей такой совершенный приемник ультразвуковой информации, безошибочно воспринимающий сверхслабые эхосигналы в таком невообразимом хаосе посторонних звуков?

Дело, оказывается, в том, что "приемная антенна" эхолокатора дельфина максимально чувствительна к ультразвуковым волнам, движущимся строго навстречу дельфину. Слышимость им звуков, приходящих сбоку, резко понижена. Профессор В.П. Морозов, многие годы занимавшийся биоакустикой дельфинов, сравнивает этот узкий ультразвуковой канал, по которому дельфин слышит только эхо и не слышит окружающего шума, с трубкой фонендоскопа, при помощи которой врач выслушивает больного. Специалисты по связи сказали бы в таком случае, что "антенна" локатора дельфина имеет узкую диаграмму направленности. Кстати, у дельфина есть еще и "антенна" с круговой диаграммой направленности, или кругового обзора, которая позволяет животному слышать все вокруг. Причем обе антенны "работают" на разных частотах, не мешая друг другу.

Обратите внимание, для борьбы с помехами в радиорелейных и спутниковых линиях связи на приемных станциях устанавливают антенны с очень узкой диаграммой направленности. Они "слышат" только те радиоволны, которые приходят точно с одного направления - от передающей станции. Любопытно, не правда ли? Может быть, в природной "лаборатории" есть решения на все случаи жизни? Как только добыть их?

Вот другой интересный факт. В локационном приемнике дельфина применяется еще один способ повышения помехоустойчивости, который называют временным стробированием. Его суть состоит в том, что приемник "работает" не все время, а "включается" только в момент возможного прихода эхосигнала от интересующего дельфина объекта. Это надежно защищает поступающую информацию от вредного действия помех - массы ненужных звуков (главным образом, эха от посторонних предметов), приходящих в другие моменты времени, и позволяет избежать ошибки при принятии решения о наличии или отсутствии отраженного сигнала и затем об измеряемом расстоянии до объекта. Не напоминает ли это вам прием, используемый в регенераторах цифровых систем передачи, когда решение о наличии или отсутствии импульса принимается компаратором не все время, а только в моменты возможного появления середины импульса?

Самое совершенное творение природы - "гомосапиенс" (человек разумный). Но, кажется, она наделила человека разумом затем, чтобы всю свою жизнь он посвятил борьбе с помехами. Передачу информации на расстояние люди осуществляли с глубокой древности. Естественно, что, зажигая цепочки сигнальных костров, посылая вдаль звуки барабана, сигнализируя дымом, нужно было одновременно проявлять заботу и о том, чтобы помехи не сорвали передачу: дождь не залил костры, ветер не отнес звуки в противоположную сторону, туман не скрыл дым...

Со временем люди стали нуждаться в более совершенных формах обмена информацией. Появилась письменность. Она совершенствовалась в течение многих поколений, и на всем этом долгом пути прослеживалось противоборство двух тенденций. Первая из них отражала стремление к более краткой передаче информации (с помощью небольшого количества знаков) и привела в конечном счете к иероглифическому письму. Каждый иероглиф обладает большой информативностью, запись текста с их помощью занимает небольшое пространство. Но вместе с тем небольшая ошибка в начертании иероглифа приводит к тому, что информация воспринимается неверно. Так, увеличение информативности знаков повышает вероятность ошибочного их понимания. (За все нужно платить!) Вторая тенденция в развитии письменности заключалась в стремлении к безошибочной передаче содержания текста. Результатом явилось создание буквенного, или алфавитного, письма. Эта система позволяет в большинстве случаев правильно понять текст, даже если в нем пропущено или искажено несколько букв. Такое свойство алфавитного письма называют "избыточностью". Конечно, избыточность удлиняет запись (некоторые буквы можно было бы выкинуть из нее без ущерба для содержания), но зато она уменьшает вероятность ошибочного понимания текста при его искажении.

В некоторых языках (как древних, так и сохранившихся поныне) для записи слов используются только согласные буквы. Считается, что необходимые гласные звуки добавит при прочтении сам читающий. Ясно, что подобное устранение избыточности из языка делает его более уязвимым перед искажениями.

Все, что мы говорили о письменности, относится и к другим видам информации. Чем больше ее избыточность, тем более помехоустойчивой она является. А нельзя ли искусственно ввести избыточность в цифровую информацию, представленную двоичными цифрами 0 и 1? Можно, но за это придется "платить". Поясним, в чем тут дело. Например, в коде Бодо каждая буква заменяется S-разрядным двоичным кодом, т.е. пятью битами 0 и 1. Данный код не является избыточным, так как искажение любого бита приводит к декодированию вместо переданной другой буквы, т. е. к ошибке. Сделать код избыточным можно только одним путем: добавить дополнительные биты к уже имеющимся. Но это приведет к тому, что каждая буква будет теперь передаваться медленнее. Так, введение в информацию избыточности влечет за собой снижение скорости ее передачи. Вот об этой "плате" и шла речь выше. Тем не менее разработчики цифровых систем передачи часто вполне сознательно идут на такой шаг - делают информацию избыточной с тем, чтобы обнаружить ошибки в принятых комбинациях двоичных символов, а если возможно, то и исправить их.

Помните, мы говорили, что на приемной станции цифровой системы передачи можно подсчитать число ошибочных решений, принятых регенератором, не зная даже, какой конкретный бит принят неверно. Покажем на примере кода Бодо, как это делается. Предположим, что передаются две комбинации цифр: 10101 и 01100. В них все биты являются "нужными", избыточности в этой информации нет. Введем ее искусственно: к информационным битам добавим шестой - контрольный, но сделаем это так, чтобы сумма единиц в передаваемой комбинации была четной. Иными словами, контрольный бит для первой комбинации нужно выбрать равным 1, а для второй - 0. Итак, в линию поступают уже не 5-, а 6-разрядные группы битов: 10101,1 и 01100,0 (запятую мы ввели условно, чтобы чисто зрительно отделить контрольный бит от информационных). Если теперь помеха исказит сигнал и какой-то бит будет принят неверно, т. е. вместо 1 регенератор выдаст 0 или, наоборот, вместо 0 будет зарегистрирована 1, то независимо от того, в каком разряде кодовой комбинации это произошло, сумма единиц в ней уже не будет четной. Таким образом наличие ошибки будет зафиксировано. Действительно, легко обнаруживается, что комбинация вида 00101,1 не могла быть передана, поскольку сумма единиц в ней нечетная. Точно так же ошибочными являются комбинации: 10101,0 и 01101,0.

А кто подсчитает сумму единиц в принятой комбинации двоичных цифр? - может возникнуть вопрос у читателя.

Мы уже не раз упоминали об одном из правил двоичной арифметики - суммировании "по модулю 2". Вот эти нехитрые действия:

Знак "плюс в кружочке" отличает их от обычного двоичного суммирования. Существует и микросхема, которая выполняет указанные действия. О ней мы тоже говорили - это сумматор "по модулю 2". Просуммировать все цифры в кодовой комбинации очень просто: очередная цифра, поступающая на такой сумматор, складывается с результатом предыдущего суммирования. Если число единиц в этом наборе цифр нечетное, то в результате суммирования на выходе микросхемы появится 1  при четном числе единиц появится 0  Вряд ли стоит пояснять, что наличие на выходной ножке микросхемы единичного импульса является признаком ошибочного решения, принятого регенератором. Остается только подсчитать (с помощью другой микросхемы - двоичного счетчика), сколько раз появлялась единица за все время передачи, - и вероятность ошибки определена!

Разумеется, введение в информацию столь малой избыточности не позволяет обнаружить все ошибки, например замену нулями одновременно двух единиц и т. п., при которых свойство четности не нарушается. Для этих целей нужны коды с большей избыточностью. Мы не станем задерживаться на их описании, а перейдем сразу к еще более удивительному коду, который "умеет" исправлять ошибки.

Речь пойдет о так называемом коде Хэмминга, в котором после каждых четырех информационных битов в линию посылается три контрольных бита. Такая сильная избыточность делает код поистине чудодейственным. Но обо всем по порядку...

Во-первых, как получаются контрольные биты? Пронумеруем подряд от 1 до 7 все разряды (как информационные, так и контрольные) образовавшегося кодового слова. Информационные биты будут иметь при этом номера с 1-го по 4-й, а контрольные - с 5-го по 7-й. Правило получения контрольных битов дано в таблице:

Каждый из них образуется путем сложения "по модулю 2" строго определенных информационных битов.

Пусть нам надлежит передать двоичную последовательность 10110010. Попробуем защитить ее от действия помех, используя код Хэмминга. После первой четверки информационных битов 1011 необходимо вставить контрольные. Пятый, передаваемый в линию бит получаем, суммируя в соответствии с таблицей второй, третий и четвертый информационные биты: 

Таким образом, это будет 0. Шестой бит складывается из суммы первого, третьего и четвертого: . Аналогичным путем найдем значение седьмого бита: . Итак, после символов 1011 передаются символы 010. Точно так же после второй четверки информационных битов 0010 следуют контрольные биты 110. Теперь запишем передаваемые последовательности все вместе: 10110100010110.

Возникают следующие вопросы: как теперь узнать, произошла при передаче кодовой комбинации по линии ошибка или нет? Если произошла, то в каком разряде? Как эту ошибку исправить?

Предположим, что регенератором приемной станции была зафиксирована такая последовательность: 10010100011110. Очевидно, что в первой комбинации ошибочно принят третий бит, а во второй комбинации - четвертый бит. Но это ясно для нас с вами. На приеме подобный вывод должен быть сделан автоматически, по заранее известному правилу:

В соответствии с ним нужно для каждой принятой 7-разрядной кодовой комбинации подсчитывать контрольное число. Это 3-разрядное двоичное число и укажет сразу на номер бита, который был принят ошибочно. Проверим предлагаемое правило на наших "искаженных" комбинациях. Для первой из них сумма "по модулю 2" четвертого - седьмого битов равна 0, сумма второго, третьего, шестого и седьмого битов даст в результате 1, а сумма первого, третьего, пятого и седьмого битов - тоже 1. Итак, контрольное число имеет вид 011. Но ведь это двоичное представление числа 3! Значит, ошибочно принят третий бит. Его значение нужно заменить на противоположное, т. е. 0 заменить на 1. Если мы подсчитаем контрольное число для второй 7-разрядной комбинации, оно будет равно (проверьте самостоятельно!) 100. Это двоичный код числа 4, и, следовательно, ошибка произошла в четвертом символе. Исправить ее легко, заменив символ на противоположный.

А если ошибочно принят не информационный, а один из контрольных битов? Нетрудно убедиться, что будет обнаружена и эта ошибка. В самом деле, для принятой комбинации 1011000 (ошибка в шестом разряде) двоичное число составит 110, что соответствует десятичному числу 6. Надо ли говорить о том, что в системах передачи цифровой информации все операции - образования контрольных битов на передающей станции, вычисления контрольных чисел и исправления соответствующих битов на приемной станции - выполняются устройствами, собранными из микросхем, таких как сумматоры "по модулю 2", счетчики, дешифраторы и т. п.

До сих пор речь шла о двоичном кодировании, т. е. о представлении цифровой информации числами двоичной системы счисления. Но можно применять системы счисления и с другими основаниями. Например, в ИКМ-аппаратуре успешно "работает" троичная система счисления, в которой используются три цифры: -1, 0 и +1. Цифре +1 соответствует импульс положительной полярности, цифре 0, как и ранее, - отсутствие импульса и, наконец, цифра -1 представляется импульсом отрицательной полярности. Поскольку цифровой поток первоначально состоял из чередования двоичных символов 0 и 1, то осуществляют переход от двоичной системы счисления к троичной. В зависимости от правила перехода получают различные коды.

Первый троичный код был изобретен в 1952 г. инженерами американской компании "Bell". Преобразование двоичных чисел в троичные происходило в нем по довольно простому алгоритму: 0 оставался без изменения, а 1 заменялась поочередно то на +1,то на -1. Например, цифровая двоичная последовательность 1100111001 приобретала после преобразования вид: +1 -100 +1 -1 +100 -1. Заметьте, данный алгоритм неудовлетворяет правилам перехода из двоичной системы счисления в троичную. Поэтому такой код называют квазитроичным ("квази" означает: как бы, почти). У него есть еще одно название - код с чередованием полярности импульсов (ЧПИ).

Достоинством кода оказалось то, что наличие в нем избыточности, заложенной не в добавочных символах, как это наблюдалось в двоичных кодах, а в большем основании кода, не требует снижения скорости передачи цифрового потока: какой она была, такой и осталась. В то же время структура кода позволяет обнаруживать ошибки и подсчитывать их вероятность. Действительно, допустим, в троичной последовательности, приведенной выше, был неверно принят четвертый символ: вместо 0 восстановлена 1. Таким образом, на выходе регенератора имеется последовательность +1 -10 +1 +1 -1 +100 -1. Вы обратили внимание, что нарушилось правило чередования полярностей импульсов? Ведь в соответствии с принятым алгоритмом формирования кода в нем не могут следовать подряд два импульса одной полярности. Значит, для определения вероятности ошибок на приемной станции следует подсчитать количество нарушений за время передачи чередования полярностей.

Изобретенный почти 50 лет назад этот простейший троичный код и по сей день является наиболее распространенным в ИКМ-системах передачи. В регенераторах таких систем добавляется еще один компаратор, который принимает решение о наличии или отсутствии отрицательного импульса, сравнивая его с отрицательным же порогом. Впрочем, можно без "переделки" использовать и регенераторы двоичных сигналов, поскольку троичный код очень легко превратить в двоичный с помощью обычного выпрямителя (например, точно такого же, какой стоит в наших телевизорах для получения постоянного тока из переменного осветительной сети). В подобном выпрямителе отрицательные импульсы "переворачиваются" и становятся положительными. Троичный код превращается в двоичный!

Добавим, что описанное преобразование двоичных цифр в троичные не является единственным. Ниже в таблице показано, как 4-разрядные слова двоичного алфавита (т. е. алфавита, состоящего всего из двух символов 0 и 1) можно закодировать 3-разрядными словами на основе алфавита с тремя символами -1, 0 и +1. Заметьте, теперь вместо каждых четырех импульсов нужно передавать в линию только три. Появляется возможность на месте каждого четвертого импульса цифрового потока передать дополнительные символы, т. е. увеличить объем передаваемой информации.

Мы ограничились рассмотрением лишь простейших кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки. Существует множество более сложных кодов, которые могут исправлять в принятой комбинации цифр не одну, а сразу несколько ошибок.

Разработкой таких помехоустойчивых кодов занимается математика. Для многих непосвященных людей теория чисел (мы привыкли называть ее арифметикой) ограничивается простейшими действиями над числами: сложением, вычитанием, умножением и делением. И вероятно, мало кто из читателей слышал о таких ее разделах, как "группы", "кольца", "поля", "пространства" и т. д. Поэтому дальнейшее знакомство с кодами требует серьезной математической подготовки. Но и тех примеров, которые мы привели в этой главе, достаточно, чтобы понять, насколько сложна и многогранна проблема повышения помехоустойчивости систем передачи цифровой информации.

"Битва" с помехами не окончена. В ней участвует большая армия ученых - математиков, физиков, электронщиков, химиков и др. Предпринимаются попытки создать электрические кабели из сверхпроводников, в которых полностью отсутствовали бы тепловые шумы и которые практически не ослабляли бы сигнал. Совершенствуется изоляция проводников, ищутся новые виды изоляционных материалов, способных надежно защитить проводники от влияния внешних помех. Синтезируются новые типы оптических волокон, и на их основе создаются новые оптические кабели - линии связи третьего тысячелетия. Возможно, кто-то из вас, молодых читателей, станет участником этого грандиозного, затянувшегося на века "сражения".