Введение в телекоммуникации

А. Л. Тимофеев, А. X. Султанов









                ВВЕДЕНИЕ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ





Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.391
ББК 32.88
      Т41

Рецензенты:
к. т. н, доцент (УУНиТ) Мешков ИК.;
к. т. н., доцент (УУНиТ) Гизатулин А. Р.








     Тимофеев, А. Л.
Т41 Введение в телекоммуникации : учебное пособие / А. Л. Тимофеев, А. X. Султанов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 108 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1543-9

           Рассмотрены история развития систем связи, основные понятия телекоммуникаций, виды сетей связи и систем передачи информации, основы радиосвязи, распространение радиоволн, радиотехнические системы связи, оптические и спутниковые системы связи.
           Для подготовки бакалавров и магистров по группе направлений и специальностей «Электроника, радиотехника и системы связи».


УДК 621.391
ББК 32.88











ISBN 978-5-9729-1543-9

     © Тимофеев А. Л., Султанов А. X., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                Оглавление





Введение...........................................................4
Глава 1. История развития систем связи.............................5
Глава 2. Основные понятия и определения телекоммуникаций..........13
Глава 3. Классификация систем и линий передачи информации.........26
  3.1. Взаимоувязанная сеть связи.................................27
  3.2. Сети стационарной телефонной связи.........................29
Глава 4. Сигналы в сетях связи....................................32
  4.1. Виды сигналов и их характеристики..........................32
Глава 5. Классификация систем связи................................47
Глава 6. Распространение радиоволн, пути распространения их в системах связи..................................................50
Глава 7. Антенны..................................................60
Глава 8. Основные виды радиотехнических систем передачи информации 69
  8.1. Радиорелейные системы связи (радиорелейные СП).............71
  8.2. Спутниковые системы связи..................................73
  8.3. Тропосферные, ионосферные и метеорные системы связи........80
  8.4. Волоконно-оптические линии связи...........................81
  8.5. Системы радиосвязи с подвижными объектами..................86
   8.5.1. Сети беспроводного доступа..............................87
   8.5.2. Системы сотовой связи...................................90
  8.6. Системы телевизионного вещания.............................97
   8.6.1. Структура передающей сети телевизионного вещания........97
   8.6.2. Системы кабельного телевидения..........................99
   8.6.3. Спутниковые системытелевизионного вещания...............100
Список рекомендуемой литературы...................................103

3

                Введение





      Телекоммуникации - это комплекс технических средств, предназначенных для передачи информации на расстояние. Информация поступает в самых разнообразных видах: как цифровые сигналы, звуки, печатные слова или изображения. Пересылка выполняется посредством телеграфа, телефона и радио, по проводам или радиоволнами; иногда эти способы комбинируются. В русскоязычной литературе англоязычному термину «telecommunication» обычно ставится в соответствие термин «электросвязь». Федеральный закон «О связи» определяет «электросвязь» как «передачу или прием знаков, сигналов, голосовой информации, письменного текста, изображений, звуков или сообщений любого рода по радиосистеме, проводной, оптической и другим электромагнитным системам ».

4

Г л а в а 1





                ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ СВЯЗИ




     Возникновение науки об электросвязи
     До начала XVII века знания об электричестве и магнетизме представляли собой невероятную для нас смесь фактов и домыслов. Так, люди полагали, что днем магнит притягивает сильнее, чем ночью, и верили, что прием магнита внутрь в виде порошка продлевает жизнь.
     В 1600 г. В. Гильберт опубликовал результаты своих 18-летних наблюдений, положив тем самым начало понятию об эксперименте как основе исследования. Это произошло за 11 лет до появления известного сочинения Ф. Бэкона «Новый органон», которого считают родоначальником современной индуктивного метода в науке. Это было время, когда в городах Европы сжигали «ведьм», а в университетах царила созерцательная наука Аристотеля и устраивались диспуты на темы о том, сколько чертей может уместиться на острие иглы или спят ли ангелы.
     Шли годы. О. Герике - изобретатель электрической машины, П. Мушен-брук - создатель лейденской банки, Б. Франклин - автор первой теории статического электричества, исследователь молнии, как электрического разряда, изобретатель громоотвода, М. В. Ломоносов - автор труда «Теория электричества, изложенная математически», Л. Гальвани - первооткрыватель «живого электричества», А. Вольта - изобретатель «вольтова столба», первого источника длительного постоянного тока, и их многие менее известные последователи способствовали развитию науки об электричестве и магнетизме до возможности проведения первых опытов по электросвязи. На это потребовалось около 200 лет.
     Большой вклад в развитие науки об электричестве внес русский ученый, академик В. В. Петров, построивший самую большую батарею из 2100 пар элементов и открывший электрическую дугу.
     Первые опыты по электросвязи с помощью статического электричества некоторые историки относят к 1795 г., когда испанский исследователь Ф. Саль-ва построил линию связи длиной в 50 км из множества проводов, которые заряжались и разряжались в зависимости от передаваемой буквы. До этого и много лет спустя в Европе существовал только оптический механический телеграф. И. П. Кулибин, выдающийся русский изобретатель, в 1794 г. усовершенство

5

вал механизм оптического телеграфа. В 1839 г. была открыта длиннейшая в мире оптическая телеграфная линия между Петербургом и Варшавой (1200 км).
     Через несколько лет в 1802 г. Ф. Сальва и немецкий ученый С. Т. Земме-ринг в 1809 г. предложили передавать буквы по проводам на основе химического воздействия тока на жидкость. «Приемное устройство» Земмеринга содержало 35 колб с водой и соответствующее число проводов. Позднее число проводов было уменьшено до восьми.
     В 1820 г. датчанин Г. X. Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку. В этом же году А. Ампер предложил создать телеграфную систему с числом магнитных стрелок, равным числу проводов.
     Первая практически применимая система телеграфирования по проводам была предложена в России П. Л. Шиллингом в 1828 г. Он использовал код: разные буквы передавались комбинацией импульсов тока по проводам. Прием осуществлялся по комбинациям отклонения магнитных стрелок в разные стороны в зависимости от полярности тока. Он использовал только восемь проводов (а позже даже два). П. Л. Шиллинг был знаком с А. С. Пушкиным, и, по мнению некоторых исследователей, именно под влиянием его работ были сочинены известные строки, начинающиеся словами: «О сколько нам открытий чудных готовит просвещенья дух».
     Однако подлинную революцию в деле электросвязи по проводам произвели русский ученый Б. С. Якоби и американец С. Морзе (вовсе не профессионал-инженер, а известный в свое время художник), создавшие независимо друг от друга пишущий телеграф. С. Морзе изобрел используемый и ныне код («азбуку Морзе») и применил ключ для замыкания тока при передаче. В приемнике был использован электромагнит, прижимавший перо к ленте, которая двигалась от пружинного механизма.
     Морзе в 1835 г. был в России и, по рассказам очевидцев, «расстроился», увидев сходство русских аппаратов со своим изобретением.
     Линия для связи Петербурга с Царским Селом протяженностью в 25 км вошла в строй в 1843 г. Первая в США действующая линия связи Вашингтон -Балтимор длиной 63 км была построена в 1844 г.
     В 1850 г. Б. С. Якоби создал первый буквопечатающий аппарат, усовершенствованный в 1855 г. американским изобретателем Д. Юзом. В нем комбинации импульсов тока («кодовые комбинации») управляли поворотом типового колеса, на окружности которого были расположены литеры, с которых печатался текст телеграмм на прижатую к ним бумажную ленту.

6

     За телеграфом последовал проводной телефон. Принцип телефонной труб ки был предложен профессором физиологии органов речи и физики Бостонского университета А. Г. Беллом в 1876 г., а в 1877 году им был получен патент на микрофон. Уже в 1878 г. кампания «Белл телефон» открыла первую в мире телефонную станцию с коммутатором.
     От зари радиотехники до великих уравнений
     Радиотехника зародилась благодаря открытию единства и взаимосвязи электричества (электрического поля) и магнетизма (магнитного поля).
     Воздействие электрического тока на магнитную стрелку «случайно» открыл X. Эрстед во время опытов по изучению теплового действия тока (нагреванию провода). Точнее, отклонение магнитной стрелки случайно лежавшего на столе компаса при замыкании тока в проводнике заметил во время лекции студент, имя которого не вошло в историю. Это произошло 15 февраля 1820 г. Эрстед не смог дать объяснения этому явлению наблюдательному студенту. Позже он подробно описал его в форме «памфлета» на латинском языке, однако толкование наблюденного эффекта было неверным. Памфлет дошел до Ампера. Уже немолодой профессор (45 лет), награжденный орденом Почетного Легиона за работы в области математики, оптики, химии, член множества комиссий (и даже комиссии по изданию классиков литературы), Ампер увидел повторение опытов Эрстеда на заседании Французской академии, где его демонстрировал французский исследователь Араго. Опыты потрясли Ампера. В течение нескольких недель он сам поставил серию экспериментов и с помощью «вольтова столба» нашел законы взаимодействия двух проводников с токами, катушек с токами между собой и с магнитами. Оказалось, что взаимодействие катушек, обтекаемых токами, не отличается от взаимодействия магнитов. Состояние здоровья и ряд других обстоятельств не позволили Амперу продолжить опыты.
     Только с научным подвигом М. В. Ломоносова можно сравнить вклад в науку об электромагнетизме М. Фарадея. Он родился в 1791 г. в Лондоне, в семье кузнеца. В возрасте 21 года он решил посвятить себя науке. Ему удалось поступить на должность лаборанта Королевского института с помощью ученого Г. Дэви, взявшего Фарадея к себе в лабораторию.
     Сначала Фарадей занимался химией и вскоре, к удивлению Дэви, опубликовал первую научную статью. В памятном 1820 г. Дэви и Фарадей повторили опыт Эрстеда (о работах Ампера они узнали позднее). Затем Фарадей сам

7

неоднократно проводит известные опыты, показавшие, что проводник, по которому течет ток, движется в магнитном поле (явление, лежащее в основе современного электродвигателя). Он много работает и публикует ряд статей. В 1824 г., через 11 лет после начала научной деятельности, Фарадея избирают членом Лондонского королевского общества, а в 1825 г. по рекомендации Г. Дэви он становится директором Королевского института. В 1831 г. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции - появление ЭДС в проводах под действием переменного магнитного поля. Следует заметить, что Ампер был близок к этому открытию, однако не обнаружил эффекта, так как не обратил внимания на то, что важно не само присутствие магнитного поля, а его изменение. Затем Фарадей создает модель электромагнитного генератора. Это было очередное торжество идеи взаимосвязи и обратимости физических явлений. Недаром М. В. Ломоносов говорил, что природа проста и не роскошествует излишними причинами.
      Фарадей оставил огромное печатное наследство. Его «Дневник» наблюдений содержит восемь томов. Интересно отметить, что он мало пользовался математикой и вместо формул привлекал графики полей и ныне широко применяемые «силовые линии». М. Фарадей умер в 1865 г.
      В год (1831) и почти в день открытия закона электромагнитной индукции Фарадеем в богатой семье английского адвоката родился Д. К. Максвелл. Сам адвокат интересовался техникой, ставил физические опыты и даже опубликовал несколько научных статей. Его сын, Д. К. Максвелл, уже к 19 годам становится автором ряда научно-технических предложений, в том числе известного способа вычерчивания эллипса с помощью двух иголок и нити (эта работа была выполнена им еще в возрасте 15 лет), автором теоремы упругости («теоремы Максвелла»). В 1850 г. Максвелл окончил Эдинбургский университет, а в 1854 г. и университет в Кембридже. В 12-летнем возрасте Максвелл впервые прочел книгу Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству», которая произвела на него неизгладимое впечатление.
      За свою не очень долгую жизнь (он умер в 1879 г.) Максвелл плодотворно работал в различных областях науки: от исследования устойчивости колец Сатурна до цветной фотографии и бытовой химии. Он успешно читал лекции студентам и опубликовал сатирические стихотворения (за подписью «dp/dt»).
      Однако его величайшим вкладом в науку является создание математической теории поля, из которой были выделены четыре ныне всемирно известных

8

уравнения Максвелла. В сочинениях самого Максвелла этих уравнений двенадцать и они «разбросаны» по нескольким разделам. Позднее выдающиеся ученые Г. Герц и О. Хэвисайд упорядочили изложение Максвелла, изъяли уравнения, которые были следствием других, и представили основные в почти современной форме. В уравнениях Максвелла сконцентрированы фундаментальные физические закономерности, обобщающие все известное в электромагнетизме до сих пор. Величайшим следствием уравнений Максвелла было предсказание существования электромагнитного поля излучения. Из уравнений вытекает, что вокруг переменного во времени тока создается переменное магнитное поле, способное возбудить в соседнем элементе пространства электрическое поле, которое за счет особого «тока смещения» создает новое магнитное поле и т. д. Поле излучения распространяется со скоростью света.
     Свою теорию Максвелл изложил в «Трактате об электричестве и магнетизме», который вышел в свет в 1873 г. А в 1938 г. в архивах лондонского королевского общества был вскрыт пакет, оставленный в 1832 г. М. Фарадеем с указанием хранить до неопределенного времени. Среди прочего в тексте, обнаруженном в пакете через 106 лет, были фразы о том, что на распространение магнитного действия требуется время, которое, как полагал Фарадей, окажется очень незначительным. Он писал также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом и что распространение магнитных сил похоже на колебания взволнованной водной поверхности. Так, свойственным ему языком (без формул) Фарадей предсказал существование поля излучения за35 лет до Максвелла.
     Эксперимент - критерий истины
     Предсказания Максвелла относительно возможности создания электромагнитного поля излучения не произвели особого впечатления на современников, может быть, потому, что немногие могли понять его теорию, изложенную к тому же далеко не в лучшей форме (том «Трактата об электричестве и магнетизме» содержал около 1000 страниц, где чередовались обобщения, рассуждения и полемика). Многие ученые просто не поверили в это предсказание: мало ли что можно «вывести» на бумаге!
     Значительную роль в утверждении теории Максвелла сыграли опыты П. Н. Лебедева по изучению давления света на поверхность. Существование этого давления следовало из электромагнитной природы света, предсказанной Максвеллом. Опыты косвенно подтвердили теорию Максвелла. Однако вели

9

кая историческая миссия непосредственного экспериментального обнаружения электромагнитного поля излучения принадлежит немецкому физику Генриху Герцу. Г. Герц родился за несколько лет до появления теории Максвелла, в обеспеченной семье сенатора. Он был слаб здоровьем, но учился блестяще. Специальное образование начал в Мюнхенской высшей технической школе, но вскоре перешел в Берлинский университет, где сразу же занялся научной работой в физической лаборатории. Его руководителем стал Г. Гельмгольц, являвшийся противником теории Максвелла, в частности теории о конечной скорости распространения поля излучения. Вскоре Герц приступает к работе над докторской диссертацией по исследованию вращения тел в магнитном поле. Специальным постановлением ему было разрешено защищать диссертацию до окончания обучения в университете. Защита прошла с таким успехом, что в виде исключения Герцу была присуждена докторская степень «с отличием».
     Исследования по электромагнитному полю Герц начал около 1886 г. 5 декабря этого же года он обнаружил, что создание искры (разряда) между двумя шарами, замкнутыми контуром, приводило к появлению искры в другом аналогичном контуре, расположенном на значительном расстоянии (сначала около 1,5 м). Перенос второго контура в соседнюю комнату не изменял результата, только искра становилась слабее.
     Сначала Герц подумал, что он обнаружил новое явление «волны Герца». Так как мировоззрение Герца формировалось под влиянием Гельмгольца, то, приступая к опытам, он вовсе не стремился подтвердить теорию Максвелла. Как истинный ученый он провел ряд сложных и трудоемких экспериментов. Оказалось, что волны преломляются призмой (сделанной из асфальта), скорость их распространения (грубо измеренная косвенным методом) близка скорости света, они отражаются (как и световые) от металлических поверхностей, обладают свойством поляризации. Таким образом, обнаруженные Герцем волны полностью совпадали с предсказанными Максвеллом электромагнитными волнами, и Герц признал это.
     Опубликование результатов опытов Герца вызвало не только научную «бурю» среди ученых сторонников и противников теории Максвелла, но и породило ряд весьма очевидных предложений о создании системы передачи без проводов. Герц, ссылаясь на «медленность» электрических колебаний в телефонных проводах, написал одному из изобретателей, что если бы он (изобретатель) был в состоянии построить вогнутые зеркала (т. е. антенны) размером

10

с материки, то можно было бы создать поле излучения, а с обычными зеркалами не будет обнаружено ни малейшего действия. Как видно из этого утверждения, идея модуляции высокочастотных колебаний медленными сообщениями еще не созрела.
     Г. Герц умер знаменитым в возрасте всего 37 лет. Он был награжден, по-видимому, всеми медалями и другими знаками отличия, которые существовали в то время для ученых. Но Герц был не только экспериментатором. Именно он совместно с О. Хэвисайдом придал двенадцати уравнениям Максвелла их современный вид.
     Выдающийся ученый своего времени, английский физик, член Лондонского королевского общества, Оливер Хэвисайд независимо от Герца пришел к тем же выводам в отношении уравнений Максвелла, работая в области физики, за 15 лет до А. Эйнштейна вывел известную формулу Е = mc². В области математики он заложил основы теории расчета переходных процессов («метод Хэвисайда»), явился одним из создателей операционного исчисления. В области связи Хэвисайд был изобретателем средств повышения дальности действия проводного телеграфа и телефона. В 1902 г. он одновременно с А. Э. Кеннелли указал на существование ионизированного слоя атмосферы, действующего как отражающая среда для электромагнитных волн. Труды скромного и талантливого ученого обогатили владельцев многих фирм и компаний, но не его самого. Он умер в бедности в возрасте 75 лет.
     А. С. Попов - изобретатель радио
     Александр Степанович Попов родился в поселке Турьинские Рудники (ныне г. Краснотурьинск), в семье священника, в 1859 г. Попытки родителей направить сына по «духовной линии» не увенчались успехом. Он поступает на физико-математический факультет Петербургского университета. В первые годы своей самостоятельной жизни А. С. Попов одновременно с учебой работает репетитором, переводчиком, гидом на Электротехнической выставке, регулировщиком напряжения динамо-машины, заведует электростанцией на ярмарке в Нижнем Новгороде. В 1882 г. он оканчивает университет, успешно защищает диссертацию, и его приглашают остаться при университете для подготовки к профессорскому званию. Однако в 1883 г. А. С. Попов поступает преподавателем в Минный офицерский класс в Кронштадте, являющийся в то время единственным в России высшим учебным заведением, в котором электротехника занимала видное место.

11