ВВЕДЕНИЕ

Сегодняшний мир опутан паутиной электрических сетей, обеспечивающей почти мгновенную связь на далекие расстояния. В этой книге рассматриваются фундаментальные принципы, лежащие в основе построения линий связи. В частности, дается представление о том, что можно и чего нельзя достичь с помощью техники связи.

1.1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК

Развитие техники связи тесно связано с развитием электротехники в целом. В самом деле, большая часть нововведений в электротехнике почти немедленно находила приложение в технике связи. Например, демонстрация телеграфии Джозефом Генри в 1832 г. и Самуилом Ф. Б. Морзе в 1838 г. непосредственно последовала за открытием в 1820 г. электромагнетизма Эрстедом и Ампером. Аналогично подтверждение Герцем в 1880 г. постулата Максвелла (1873), предсказавшего возможность беспроволочного распространения электромагнитной энергии, привело спустя десять лет к экспериментам с радиотелеграфом Маркони и Попова. Изобретения диода Флемингом в 1904 г. и триодного усилителя Форестом в 1906 г. сделали возможным быстрое развитие проволочной и беспроволочной телефонии на дальние расстояния.

В настоящее время часто бывает наоборот. Быстрый рост популярности телефона, запатентованного Александром Грэхэмом Беллом в 1876 г., вызвал ненасытную потребность в средствах связи, которая в свою очередь стимулировала многочисленные важные продвижения в электротехнике. Например, изобретение волнового фильтра Кемпбеллом [16] в 1917 г. было вызвано необходимостью одновременной передачи нескольких разных разговоров по одной телефонной линии.

В технике связи удобно выделить три взаимосвязанных раздела: операции, выполняемые для преобразования сигналов, устройства, осуществляющие эти операции, и физические принципы, используемые при построении подобных устройств. Хотя эта книга относится только к первому из этих разделов, важно сознавать, что развитие всех трех разделов тесно взаимосвязано. В самом деле, зачастую появление новых устройств вызывает новые проблемы, касающиеся преобразования сигналов. Например, создание волнового фильтра естественным образом привело к исследованиям Найквиста свойств сигналов с ограниченной полосой частот.

ТЕОРИЯ СВЯЗИ

Допустим, что можно осуществить некоторую последовательность операций по преобразованию сигналов. Когда это желательно, какие преиму щества дает такое преобразование и какие ограничения при этом следует учитывать? Подобные вопросы и ответы на них составляют основу того, что называют теорией связи. Значение этой теории резко возросло после появления

вычислительных машин, обеспечивших возможность проведения преобразований сигналов, на много порядков более искусных и сложных, чем те, которые были, осуществимы раньше.

Фиг. 1.1. Различение амплитуд на приемнике. Хартли считал амплитуды принимаемых импульсов различимыми, если только они принадлежат различным зонам ширины Таким образом, импульсы а и с различимы, а неразличимы. В рассматриваемом случае и имеется пять зон различимости.

Начало теории связи было положено работой Найкписта [60], который в 1924 г., обобщая неопубликованную работу Дж. Р. Керзона, пришел к выводу, что число разрешимых импульсов, которые могут быть переданы в течение единицы времени по каналу с ограниченной полосой частот, пропорционально ширине полосы частот этого канала. Точнее, Найквист пришел к выводу, что максимальное число разрешимых импульсов, передаваемых в течение интервала времени Т сек через канал с шириной полосы частот гц, равно здесь к — коэффициент пропорциональности, не превосходящий 2, точное значение которого определяется формой импульса и выбором определения ширины полосы частот.

Немного позже, в 1928 г., Хартли [41] привел доводы, показывающие, что из результата Найквиста, если связать его с ограничением на точность приема сигнала, следует также ограничение на количество данных, которые надежно могут быть переданы по физическому каналу. Рассуждения Хартли могут быть резюмированы следующим образом. Если предполагается, что: 1) амплитуда передаваемого импульса ограничена областью напряжений и 2) на приемнике можно надежно оценить амплитуду передаваемого сигнала только с точностью волып, то, как показано на фиг. 1.1, максимальное число импульсных амплитуд, различимых на приемнике, равно Отсюда следует, что последовательность разрешимых импульсов, каждый из которых по предположению обладает одной из амплитуд, приводит к

различимым на приемнике сигналам.

Как показано на фиг. 1.2, такое же число различимых на передатчике импульсных последовательностей может быть построено и использовано для надежной передачи за время Т одного из М различных возможных сообщений. Процедура, иллюстрируемая фиг. 1.3, состоит в однозначном сопоставлении каждому из М сообщений одной из различимых на передатчике последовательностей, причем последовательность передается тогда и только тогда, когда на входе передатчика появляется

Фиг. 1.2. (см. скан) Различение передаваемых последовательностей. Две последовательности импульсов различимы на приемнике, если различимы амплитуды одного или более составляющих эти последовательности импульсов. Две передаваемые последонательности изображенные выше, относятся к различимым на приемнике последовательностям, если амплитуда каждого импульса изменяется меньше чем время распространения Можно построить таких последовательностей в предположении, что допустим любой импульс с одной из амплитуд, отмеченных пунктирными линиями. (В рассматриваемом случае , следовательно, )

Фиг. 1.3. Дискретная передача сообщений. Имеется М сообщений соответствующих последовательностей сигналов Передаваемым сигналом является если только сообщением является .

сообщение Хартли пришел к выводу, что если попытаться увеличить М по сравнению с величиной, указанной на фиг. 1.1, передавая более чем импульсов или используя импульсы, амплитуды которых отличаются одна от другой менее чем на вольт, то метод передачи, иллюстрируемый фиг. 1.2, будет неприменим. Последовательности сигналов уже не будут различимы на приемнике, и связь станет неудовлетворительной.

В формулировке Хартли выявилась простая, но до некоторой степени неточная связь между длиной интервала времени Т, шириной полосы частот канала наибольшей величиной сигнала А, точностью приемника и допустимым числом М выбранных сообщений. Теория связи устанавливает более точные связи такого типа. Кроме того, изучается вопрос о максимизации степени различимости передаваемых сигналов путем выбора соответствующих преобразований сигналов передатчиком (т. е. выбора формы сигнала) и преобразований принятого сигнала для того, чтобы с наибольшей возможной точностью (или с точностью, которая экономически оправдана) определить переданное сообщение. Рассматривается также вопрос о сложности практического осуществления операций передачи и приема сигнала.