РАДИОСВЯЗЬ И РАДИОВЕЩАНИЕ

Гудят столбы, звенят антенны, токи

Стремят в пространствах звуки и слова.

М.Волошин. Путями Каина. Машина (1922 г.)

Слово “радио” вошло в обиход после Берлинской конференции по беспроводному телеграфированию 1903 года. На этой конференции было рекомендовано использовать термин “радиотелеграфия” вместо “беспроволочной телеграфии”. А термин “радио” стал применяться в качестве обобщенного понятия, связанного с техникой беспроводной связи.

Почти сразу после открытия “волн Герца” появились высказывания о возможности использования электромагнитных волн для беспроводной связи. В 1892 г. известный английский физик Вильям Крукс писал: “Открывается удивительная возможность телеграфирования, для которого не нужно проводов, телеграфных столбов, кабелей и прочих нынешних дорогостоящих сооружений”. Об этом же в 1893 г. говорил американский изобретатель и ученый Н. Тесла: “С каждым днем я все более убеждаюсь в практической осуществимости передачи осмысленных сигналов и, быть может, даже энергии на любое расстояние без всяких проводов.”

Сам Герц относился к этим прогнозам пессимистически. Он писал: “Электрические колебания в трансформаторах и телефонах слишком медленные. Если бы вы были в состоянии построить вогнутые зеркала размером с материк, то вы могли бы поставить намечаемые опыты, но практически сделать ничего нельзя: с обычными зеркалами вы не обнаружите ни малейшего действия. По крайней мере, я так думаю”. Великий Герц не догадывался, что высокочастотное электромагнитное колебание будет использоваться как переносчик низкочастотной информации.

И как мы уже знаем, менее чем через 10 лет после сообщения Герца об открытии новых волн появилась “беспроволочная телеграфия”.

Однако первый в мире патент на беспроводной телеграф был выдан 30 июля 1872 г., задолго до работ Попова и Маркони, а также и Герца, гражданину США Махлону Лумису. Зубной врач М. Лумис на досуге исследовал влияние электрического тока на урожайность сельскохозяйственных культур. Сначала он использовал для этого электрические батареи, а затем решил поэкспериментировать и с атмосферным электричеством. И в ходе этих экспериментов обнаружил, что между отстоящими друг от друга на некоторое расстояние вертикально расположенными проводами, один конец которых поднят на большую высоту воздушными змеями, существует электрическая связь. Если один из проводов замыкать на землю, то в цепи второго протекает электрический ток. В 1868 г. Лумис продемонстрировал группе американских конгрессменов и ученых работу линии беспроводной связи, в которой вертикальные провода-антенны находились на расстоянии примерно 22 км. В 1869 г. он обратился к правительству США с просьбой о выделении 50000 долларов на создание трансатлантического беспроводного телеграфа. Несмотря на поддержку Сената США, финансирование открыто не было и проект так и остался не реализованным, а потом и забытым. Не реализован он и до сих пор, хотя идея осуществить связь без энергетических затрат, только за счет атмосферного электричества, притягательна.

Этот проект находился вне генерального направления – использования для радиосвязи специально генерируемого для этой цели электромагнитного колебания.

Ко времени изобретения беспроволочного телеграфа уже существовала надежная электрическая связь, телеграфная и телефонная. Так как она была предшественницей радиосвязи, то немного поговорим и о ней.

Рис. 6

Толчком к появлению электрического телеграфа явились опыты Эрстеда, открывшие магнитное действие электрического тока. Изобретателем первого в мире телеграфного аппарата был русский дипломат, востоковед, современник и хороший знакомый А. С. Пушкина Павел Львович Шиллинг. В 1823 году он был в Париже по приглашению французского Азиатского общества. Там он встретился с Ампером и Араго, которые рассказали ему об опытах Эрстеда. По возвращении домой Шиллинг оказался настолько занят текущими делами, что вплотную начал думать об электромагнитном телеграфе только в конце 1820-х годов (примерно в 1828 г.). В 1832 году аппарат был готов (рис.6) и публично продемонстрирован в присутствии императора.

Каждому передаваемому символу (букве или цифре) соответствовала своя кодовая комбинация. В разработанном П. Л. Шиллингом телеграфном коде любая буква алфавита обозначалась одним или двумя, а цифра – тремя рабочими знаками белого или черного цвета на шести возможных позициях. Потребовалось шесть позиций для передачи всех букв русского алфавита и десяти цифр. Поэтому линия связи между передатчиком и приемником была восьмипроводной: шесть проводов требовалось для передачи символов, один провод для вызова (звонок) и один провод общий. Для индикации черного или белого знаков использовался диск, окрашенный с одной стороны черной, а с другой – белой краской. Этот диск закреплялся на шелковой нити, верхний конец которой прикреплялся к раме, а на нижнем конце располагалась магнитная стрелка, помещенная внутрь электрической катушки. Если ток через катушку не протекал, то стрелка принимала среднее положение и диск располагался ребром к оператору. При протекании тока диск поворачивался белой или черной стороной к оператору в зависимости от направления тока.

Для передачи символов использовалось шесть пар клавиш, в каждой паре одна клавиша была белого цвета, а другая – черного. Нажатие на клавишу замыкало соответствующую цепь в передатчике. Буква или цифра принятого сообщения определялась по комбинации дисков в соответствии с телеграфным кодом Шиллинга.

В 1836 г. под руководством Шиллинга была проложена экспериментальная подземная кабельная телеграфная линия между крайними помещениями здания Адмиралтейства в Петербурге, которая действовала более года. Дальнейшей работе по совершенствованию телеграфного аппарата помешала смерть Шиллинга в 1837 г. Идеи Шиллинга использовал англичанин Чарлз Уитстон, и вскоре его стрелочные телеграфные аппараты появились в Европе.

Однако более совершенным оказался телеграфный аппарат Морзе. Идея разработать телеграфный аппарат захватила американского художника средней руки, одного из организаторов и первого президента Национальной академии художеств США Самуэля Финли Бриз Морзе тоже после демонстрации опытов Эрстеда. Эти опыты он увидел на корабле, когда в 1832 г. возвращался в США из очередной поездки по художественным музеям Европы. Тут же на корабле он выполнил рисунки аппарата и по приезде домой с головой окунулся в работу. Но если П. Л. Шиллинг, приступая к работе над телеграфом, имел опыт работы с электричеством – в 1812 г. он изобрел электрические мины, то у C. Морзе были весьма смутные представления об электричестве и механике. Поэтому решение взяться за разработку телеграфного аппарата было, мягко говоря, неосмотрительным.

Последующие три года прошли в безуспешных попытках реализовать свою идею. За это время он истратил все свои сбережения, у него умерла жена, и он остался с тремя малыми детьми практически без средств к существованию.Спасло его место преподавателя эстетики и рисования в открывшемся Нью-Йоркском университете. Эта работа дала ему не только деньги, но и возможность консультироваться со специалистами. В 1837 г. Морзе, наконец, удалось сделать работоспособный аппарат и продемонстрировать его в университете. Доработать аппарат ему помог Альфред Вейл – сын владельца металлургического завода, оказавшего Морзе финансовую помощь для завершения работы над изобретением. А. Вейл придумал конструкцию телеграфного ключа, разработал принципиальную схему печатающего устройства и именно он довел до совершенства телеграфный код, который стал называться кодом Морзе.

Код Морзе был разработан в 1838 г. Каждый символ передавался в виде последовательной комбинации точек и тире, причем чемчаще могла встречаться буква, тем короче была соответствующая ей кодовая комбинация. Такое кодирование экономило время передачи сообщения. Код Морзе оказался настолько удачным, что впоследствии стал международным. В 1840 г. С. Морзе и его партнеры получили американский патент на новый телеграф. В мае 1844 г. была построена первая телеграфная линия в США между Вашингтоном и Балтимором.

Открытие телеграфа ненадолго успокоило пытливый человеческий ум. Передать сообщение кодом – хорошо, но куда лучше непосредственно поговорить. Первым предложил принцип действия устройства для передачи речи в 1854 г.вице-инспектор Парижского телеграфа Шарль Бурсель. Он же назвал это устройство телефоном.Однако потребовалось более 20 лет, чтобы эта идея была реализована. Патент на изобретение телефона был выдан в 1876 году в США учителю бостонской школы глухонемых, специалисту по акустике и артикуляции речи Александру Грейхаму Беллу. Изобретение телефона оказалось как бы побочным результатом решения технической задачи, которой занимались тогда А. Белл и его помощник Т. Ватсон. Они работали над созданием гармонического телеграфа, который бы позволил по одной линии передавать несколько телеграфных сообщений одновременно. За создание гармонического телеграфа было обещано вознаграждение в размере миллиона долларов – так что работа стоила того, чтобы ей заниматься. Белл использовал в гармоническом телеграфе вибрирующие с разной частотой пластины и случайно обнаружил, что ток, проходивший через пластину, изменялся в зависимости от громкости звука. Белл, думавший в это время и над созданием телефона, понял, что он на пороге открытия. Быстро проделав необходимые эксперименты, Белл подал заявку на изобретение телефона 14 февраля 1876 г. Опоздай он всего на несколько часов, и лавры изобретателя телефона достались бы другому американцу – известному изобретателю Элайше Грею.

Таким образом, проблемы связи на суше были принципиально решены – надо было только соединить потребителей проводами. Был проложен и трансатлантический кабель (1866 г.), обеспечивший телеграфной связью Европу и Америку. Перипетии, связанные с прокладкой кабеля, подробно изложены в [21]. Без удобной дальней связи оставался морской флот, поэтому в развитии беспроволочного телеграфа были заинтересованы, прежде всего, военные морские ведомства. К концу первого десятилетия ХХ века применение радиосвязи на флоте стало массовым. На 1 января 1911 г. в Великобритании и странах Британской империи было 650 радиостанций (67 береговых и 583 судовых). Германия располагала 280 станциями (18 береговых и 262 судовых). Во Франции было 213 станций (20 береговых и 193 судовых). В России согласно [10] их было всего 17 (2 береговых и 15 судовых), по другим источникам, например [23], около 200.

Для первого этапа развития радиосвязи характерно использование искровых передатчиков и когерерных, а позже – детекторных приемников. Самым простым методом наложения информационного сообщения (а тогда это был код Морзе) на электромагнитные колебания было прерывание излучения электромагнитных волн в соответствии с этим кодом: передача телеграфных символов (точки или тире) осуществлялась включением искрового передатчика на время, равное длительности символа. На время паузы передатчик выключался. Каждый символ передавался последовательностью высокочастотных затухающих импульсов (рис. 7). Одному символу соответствовали десятки радиоимпульсов.

Рис. 7

По мере развития искровой телеграфии стала ясной необходимость перехода радиотехники на работу незатухающими колебаниями. Это повышало среднюю мощность, а следовательно, и дальность действия, уменьшало уровень помех, связанных с импульсным характером излучения, и, наконец, позволяло перейти от телеграфной к телефонной связи.

В начале ХХ века были созданы генераторы непрерывных колебаний: дуговой (Дуддель, Англия, 1900 г.; Паульсен, Дания, 1902 г.) и электромашинный (Фессенден, США, 1906 г.; Александерсон, США, 1908 г.). Такие генераторы стали использоваться в основном в мощных радиостанциях. Но формировать передаваемое сообщение включением и выключением генератора стало невозможным, так как эти процессы занимали много времени.

Выход был найден в изменении частоты генерируемого сигнала. Символам (точке или тире) соответствовало колебание на одной частоте, а паузам – на другой. Антенный контур настраивался на частоту символов, поэтому во время передачи символа амплитуда излучаемого колебания была максимальной. Во время передачи паузы тоже излучался сигнал, но гораздо меньшей амплитуды, так как антенный контур был расстроен относительно частоты колебаний во время паузы. Использовался и еще один метод, когда передатчик во время передачи сигнала подключался к антенне, а во время паузы – к балансной нагрузке –цепи, по своим параметрам эквивалентной антенне.

Оба этих метода сопряжены с большими энергетическими потерями, так как генерирование во время паузы было бесполезным, но выхода не было.

По мере развития радиотелеграфа стали предприниматься попытки передачи речи по радио, радиотелефонирования, как тогда это называлось. В России первые опыты радиотелефонирования с использованием искрового передатчикапроводились в 1903 г. инженером С. Я. Лифшицем под руководством А. С. Попова. Аналогичные опыты проводились в это же время и за рубежом. В США Реджинальд А. Фессенден провел первые эксперименты по передаче голоса по радио в 1900 г. Как правило, микрофон особой конструкции, выдерживающий большие токи, включался в антенную цепь и изменял интенсивность излучаемого сигнала.

Появление дуговых и электромашинных радиостанций расширило возможности радиотелефонирования. Первым заказчиком радиотелефона был флот, но в эти же годы появились мысли о радиовещании. Ли де Форест, производивший радиотелефоны на дуговых передатчиках для флота США и осуществлявший кратковременную передачу музыки для контроля их работоспособности, писал в 1909 г.: “К моему удивлению, многие радиолюбители и профессиональные операторы наслаждались этими контрольными передачами. И естественно, что мне пришла идея относительно радиовещания: привлекательная музыка и интересные программы могли передаваться в эфир, создавая спрос на беспроводное оборудование”.Однако широкое внедрение радиотелефонирования оказалось возможным только с появлением ламповых передатчиков.

Изобретение электронной лампы произвело революцию в технике радиосвязи. Первую усилительную лампу – триод (аудион) изобрел американский инженер Ли де Форест (заявка на патент была подана 25 октября 1906 г.). Де Форест использовал уже известный электронный прибор – диод Флеминга (1904 г.) и добавил в него еще один электрод, который назвал сеткой. Сетка располагалась в непосредственной близости к катоду, и поэтому небольшое изменение напряжения на ней приводило к большому изменению анодного тока. Это позволяло усиливать сигнал, приложенный к сетке. Правда, аудион де Фореста практически не усиливал и мог использоваться только в качестве детектора. Но получение заметного усиления от электронных ламп было делом времени, и вскоре такие приборы появились.

Сначала лампы использовались в приемниках для усиления слабых электрических сигналов. Но когда в 1913 г. А. Мейснер (Германия) запатентовал самовозбуждающийся ламповый генератор с положительной обратной связью и осуществил телефонную радиосвязь между Науеном и Берлином, стало ясно, что магистральный путь развития радиопередающей техники – использование электронных ламп. В России радиотелефонная связь была осуществлена Н. Д. Папалекси в 1914 г.

Генераторы непрерывных колебаний вырабатывали колебание, близкое к гармоническому. Заметим, что гармоническое колебание U(t) = = Asin(2πft + φ) полностью описывается тремя параметрами: амплитудой А, частотой f (или угловой частотой ω = 2πf) и начальной фазой φ. Низкочастотное информационное сообщение можно передавать, изменяя любой из этих параметров.

В начале ХХ века наиболее просто реализовывалось изменение амплитуды. Передавать речь с помощью изменения амплитуды предложил Реджинальд Фессенден в 1900 г. Он назвал это принципом “наложения вибрирующих волн звуковой частоты на постоянную радиочастоту, чтобы модулировать амплитуду радиоволны в форму звуковой волны”. Изменение амплитуды колебания в соответствии с передаваемым сообщением стали называть амплитудной модуляцией (АМ).

Наглядное представление об амплитудной модуляции дает рис. 8, на котором показаны модулирующий низкочастотный гармонический сигнал с частотой F = 2 кГц (рис. 8, а) и высокочастотное амплитудно-модулированное колебание с несущей частотой f₀ = 20 кГц (рис. 8, б). Аналитически АМ колебание записывается как:

u(t)=U [1+msin(2π Ft)] sin(2πf₀t),

где т – коэффициент (глубина) модуляции.

а
б	в
Рис. 8

Результаты теоретического анализа АМ колебаний (М. В. Шулейкин в России, Дж. Карсон в США), проведенного в 1910-х годах, для многих радиоспециалистов оказались неожиданными. На самом деле, трудно было согласиться с тем, что АМ колебание, у которого изменяется только амплитуда U (1+msinΩt), а несущая частота f₀ остается неизменной, реально состоит из суммы трех высокочастотных колебаний:

u(t)=U (1+msinΩt) sinω₀t = Usinω₀t+(m/2)Usin(ω₀+Ω)t+(m/2)Usin(ω₀-Ω)t

и требует для передачи полосу частот, равную 2F. Так, известный английский радиоспециалист Дж. Флеминг в 1930 г. писал: “Мы работаем только одной разрешенной нам правительством длиной волны, и мы должны иметь право менять ее амплитуду как нам угодно, а боковые частоты – сплошной вымысел досужих математиков. Откуда же появятся новые частоты, если мы меняем только амплитуду наших колебаний?” Но практика показала, что для передачи АМ колебания требовалась именно та полоса частот, которую подсказывала математика. Так в радиотехнику вошло спектральное представление сигналов, хорошо известное к тому времени в математике как ряд Фурье.

Спектр АМ сигнала для глубины модуляции т = 0,8 = 80 % показан на рис. 8, в. Он содержит спектральные составляющие на трех частотах: несущей 20 кГц и двух боковых 18 и 22 кГц, отличающихся от несущей на частоту модулирующего сигнала.

В те же годы было замечено, что составляющая спектра на несущей частоте не несет информации о модулирующем сигнале, а вся информация заключена в боковых колебаниях на частотах f₀+F и f₀-F. Было обращено также внимание на низкую энергетическую эффективность АМ сигнала: даже при 100-процентной модуляции (т = 1) 2/3 мощности приходится на колебание на несущей частоте, которое не содержит полезной информации.

Проведя такой анализ, Джон Карсон в 1915 г. предложил однополосную амплитудную модуляцию, которой требовались меньшая полоса канала передачи и меньшая излучаемая мощность. Однако без несущей выделить модулирующий сигнал на приемном конце невозможно, поэтому вместе с боковой полосой передается и ослабленное колебание несущей (подавленная несущая). Форма высокочастотного колебания и спектр для однополосной АМ с подавленной несущей показаны на рис. 9. Спектр колебания отличается от изображенного на рис. 8, в тем, что полностью отсутствует боковая составляющая на частоте 18 кГц, а несущая подавлена в 10 раз.

Рис. 9

Изменение амплитуды по закону модулирующего колебания сохраняется, но чем больше подавлена несущая, тем меньше изменение амплитуды. При полностью подавленной несущей колебание будет гармоническим на боковой частоте.

Пройдет около 20 лет, прежде чем однополосная АМ с подавленной несущей найдет широчайшее применение в системах связи.

В эти же годы (1919 – 1922) Дж. Карсон провел анализ и частотно-модулированного (ЧМ) сигнала. ЧМ сигнал представляет собой колебание, частота которого изменяется в соответствии с модулирующим сигналом. При косинусоидальном модулирующем сигнале cos(2πFt) частота высокочастотного колебания равна

f(t) = f₀ + f_дcos(2πFt),

где f_д – девиация частоты.

Мгновенное значение напряжения, частота которого изменяется по косинусоидальному закону, определяется выражением:

u(t)=U sin[2πf₀t+(f_д/F)sin(2πFt)].

Отношение f_д/F =m называется индексом частотной модуляции.

Поначалу казалось, что с помощью ЧМ можно передать модулирующий сигнал по каналу со сколь угодно узкой полосой, не зависящей от частоты сигнала F. Рассуждали так: при модуляции частота излучаемого сигнала не может выйти за пределы: f₀ – f_д и f₀+f_д. Следовательно, требуемая полоса канала связи равна 2f_д. Взяв девиацию частоты малой, можно сузить требуемую полосу канала до какой угодно величины. В 1922 г. Карсон показал, что это не так. При малом индексе модуляции требуемая полоса равна 2F, как и для АМ, а с увеличением индекса модуляции требуемая полоса во много раз увеличивается.

На рис. 10, б показано частотно-модулированное колебание с индексом модуляции m = 5 для модулирующего колебания, изображенного на рис. 10, a. Его спектр представлен на рис. 10, в.

а
б	в
Рис. 10

Видим, что ширина спектра ЧМ сигнала значительно больше, чем АМ сигнала. Дж. Карсон не увидел никаких преимуществ частотной модуляции перед амплитудной, и интерес к ЧМ пропал на многие годы.

Что же касается фазовой модуляции, то для нее время еще не наступило.

Таким образом, к началу 20-х годов прошлого столетия радиоспециалисты сделали однозначный выбор в пользу амплитудной модуляции.

В двадцатые годы бурно развивалось детище радиосвязи – радиовещание. Первая в мире радиовещательная станция начала работать в ноябре 1920 г. в Питтсбурге (США). В течение десятилетия коммерческое радиовещание в США, ставшее массовым средством развлечения, превратилось в могучую отрасль. Произошел быстрый рост сети радиовещательных станций, возникло промышленное производство бытовых радиоприемников, стало массовым радиолюбительство. К 1 июля 1930 г. число батарейных и сетевых радиоприемников у населения США достигло 13,5 млн шт.

Большое внимание уделялось развитию радиовещания и в Советской России. Правда, перед радиовещанием ставилась не развлекательная, а пропагандистская цель. В феврале 1920 года председатель Совнаркома В. И. Ленин писал руководителю Нижегородской радиолаборатории М. А. Бонч-Бруевичу: “Газета без бумаги” и “без расстояний”, которую Вы создаете, будет великим делом. Всяческое и всемерное содействие обещаю Вам оказывать этой и подобным работам”. На развитие Нижегородской лаборатории в труднейшие для молодой советской республики годы всегда находились деньги.

В 1926 г. в Москве, на Шаболовке, был построен радиовещательный передатчик мощностью 40 кВт; его регулярная работа началась в 1927 г. В историю советской радиотехники этот передатчик вошел под названием “Новый Коминтерн”. Создателями станции были М. А. Бонч-Бруевич, М. А. Кугушев и В. В. Татаринов. В СССР с его громадной территорией, удручающим состоянием промышленного производства радиоприемников главной задачей было создание мощных радиовещательных станций, позволяющих вести прием на детекторные и радиолюбительские приемники. В мощном радиостроении Советскому Союзу не было равных в мире. Все самые мощные радиостанции в СССР были спроектированы и построены Александром Львовичем Минцем – одним из титанов ХХ столетия в области радиотехники и радиофизики.

Александр Львович Минц (8.01.1895 – 24.12.1974)

А. Л. Минц родился в Ростове-на-Дону в обеспеченной семье. Отец был владельцем небольшой фабрики по производству лабораторных приборов, мать –учителем. Он учился в одной из лучших ростовских гимназий, которую окончил с золотой медалью в 1913 г. Поступил на физический факультет Донского государственного университета в Ростове-на-Дону, а на следующий год перевелся на второй курс Московского университета, который закончил в 1918 г. Владел немецким, французским и английским языками.

В 1920 г. вступил добровольцем в Первую конную армию С. М. Буденного и сразу был назначен командиром радиодивизиона. С армией Буденного А. Л. Минц прошел весь ее боевой путь и в 1921 г., после окончания гражданской войны, был командирован в Москву. Он поступил в распоряжение М. В. Шулейкина, который возглавлял Военно-радиотехническую лабораторию. Не останавливаясь подробно на пути А. Л. Минца от работника радиотехнической лаборатории до академика АН СССР, отметим главное из сделанного им. Он обладал редким сочетанием талантов: организатора (предпринимателя), инженера и ученого, что позволяло ему браться за самые сложные задачи и успешно решать их.

В 1923 г. в ЦНИИС А. Л. Минц создал свою первую ламповую военно-полевую радиостанцию АЛМ (А. Л. Минц) с дальностью связи до 100 км. К 1934 году среди спроектированных и построенных им радиостанций уже было пять станций по 100 кВТ и одна невиданной по тем временам мощности в 500 кВт. Это была радиостанция им. Коминтерна (1933 г.). Опыт Минца использовалиспециалисты американской фирмы RCA при сооружении в 1937 г. подобной радиостанции в США.

В 1937 г. А. Л. Минц был арестован по обвинению в подрыве боеспособности Красной Армии и приговорен к 10 годам исправительных работ. Находясь в заключении, построил самую мощную в мире коротковолновую станцию РВ-96 мощностью 120 кВт (1938 г.).В связи с необходимостью построить мощнейшую радиостанцию (1200 кВт), которая вела бы передачи на оккупированную фашистами территорию, Минц был освобожден из заключения по личному распоряжению И. В. Сталина. В 1943 г. станция была сдана в эксплуатацию. Это была последняя радиостанция, созданная Минцем. Дальнейшая его работа была связана с созданием ускорителей элементарных частиц и мощных радиолокационных станций дальнего обнаружения.

Под его руководством в 1949 г. в Дубне был запущен крупнейший в мире фазотрон, позволяющий получать пучок протонов с энергией 680 МэВ, в 1957 г. там же – синхрофазотрон с энергией 10 ГэВ, в 1967 г. около Серпухова – синхрофазотрон с энергией 76 ГэВ.

С 1954 по 1968 гг. под общим руководством А. Л. Минца были разработаны и развернуты первые отечественные РЛС дальнего обнаружения серии “Днестр”, которые использовались для контроля космического пространства (ККП) и предупреждения о ракетном нападении (ПРН). Затем последовали “Днестр-М”, “Днепр”, “Дон”, “Дарьял”. Некоторые из этих РЛС и сегодня находятся на боевом дежурстве, исправно выполняя свои функции в современных системах ККП и ПРО.

За свою работу А. Л. Минц получил звание Героя социалистического труда, был лауреатом Сталинских и Ленинской премий. Минц руководил Радиотехническим институтом АН СССР со дня его образования в 1957 г. до декабря 1970 г., когда был уволен из-за несогласия с министром радиопромышленности и отправлен на пенсию. Скончался А. Л. Минц 24 декабря 1974 г.

В радиовещании до середины 30-х годов использовалась только амплитудная модуляция. Это сейчас мы знаем, что для высококачественных музыкальных передач используется исключительно ЧМ сигнал. А тогда это было неизвестно. Интерес к частотной модуляции возник у американского радиоспециалиста Эдвина Х. Армстронга в начале 30-х годов. Армстронг обнаружил, что ЧМ сигнал с большим индексом модуляции обеспечивает высококачественную передачу речи и музыки при значительно меньшем влиянии помех, чем АМ сигнал. В июле 1930 г. он подал заявки на патенты по частотной модуляции и получил четыре патента 26 декабря 1933 г.

В 1935 г. Армстронг продемонстрировал сравнительное качество АМ и ЧМ систем, передав сигналы обоих видов с антенны на “Эмпайр стейт билдинг” в свою лабораторию. АМ сигнал был неразличим в шумах, тогда как ЧМ сигнал обеспечивал вполне приемлемую слышимость. Несмотря на продемонстрированные преимущества ЧМ радиовещания, его внедрение в практику оказалось тяжелым.

Армстронг не получил никакой поддержки от промышленников, даже наоборот, они воспротивились этому новшеству, говоря, что слушатели и так довольны качеством радиопередач и не захотят платить деньги за повышение качества. Армстронг затратил свыше 1 млн долларов на разработку узлов ЧМ аппаратуры.В 1939 г. его ЧМ станция, работавшая в диапазоне метровых волн, вышла в эфир. К ноябрю этого года работало уже пять ЧМ станций, и сеть их стала быстро расширяться.

В СССР исследовательские работы в области ЧМ начались в 1940 – 1941 гг. Но первый ЧМ передатчик, построенный в 1942 г., использовался не для радиовещания, а для военных нужд.

Частотная модуляция стала использоваться и в радиосвязи, но главным открытием 30-х годов для связи была однополосная АМ с подавленной несущей. Первая однополосная линия связи была реализована в 1923 – 1925 гг. в длинноволновом диапазоне. Эта линия использовалась для связи между Англией и Америкой. В СССР первая длинноволновая линия однополосной связи была введена в эксплуатацию в 1927 г. Начало 30-х годов характеризуется открытием первых регулярных коротковолновых линий однополосной связи (США, СССР, Англия). А к середине 50-х годов вся профессиональная радиосвязь была переведена на однополосную модуляцию.

а     б 3,4 0,3 в f, кГц Вторичная группа К-60, верхняя боковая полоса Первичная группа К-12, нижняя боковая полоса Один канал ТЧ, верхняя боковая полоса х

Рис.11

Для более эффективного использования частотного диапазона совмещалось несколько каналов связи в одной линии. Первые многоканальные телефонные системы появились в 1934 г. Иерархия образования многоканальных групповых сигналов закреплена рекомендациями Международной консультативной комиссии по телефонии и телеграфии, чтобы можно было осуществлять сопряжение систем магистральной связи различных стран.

На один телефонный канал отводилась полоса частот в 4 кГц (рис. 11, а), причем само сообщение занимало спектр частот от 300 Гц до 3,4 кГц. Первичная группа К-12 (по отечественной терминологии) содержала 12 телефонных каналов и занимала полосу частот от 60 до 108 кГц (рис. 11, б). Комбинацией первичных групп образуются линии связи с большим числом каналов, например вторичная группа К-60 (рис. 11, в), содержащая пять первичных групп.

Приемники сигналов с одной боковой полосой (ОБП) намного сложней приемников АМ сигналов, поэтому в радиовещании длительное время использовалась АМ, чтобы не удорожать приемники. И только в конце 1983 г. Международный консультационный комитет по радио (МККР) рекомендовал применять для радиовещания в КВ (ВЧ) диапазоне однополосную передачу вместо АМ. В настоящее время в связи с переходом на цифровое вещание этот вопрос снят.

Середина ХХ века отмечена не только успехами в технике радиосвязи, но и научными достижениями, положившими начало современной теории связи и открывшими пути развития цифровой техники передачи информации. Основоположниками теории связи по праву считают Владимира Александровича Котельникова и Клода Шеннона.

Разработчики систем связи всегда стремились к тому, чтобы обеспечить надежную связь при минимальном уровне сигнала, поступающего на вход приемника. Понятно, что этот уровень ограничивался шумами приемника, но каким он должен быть, зависит ли он от типа модуляции – было неясно. Ответ на эти вопросы дала теория потенциальной помехоустойчивости, разработанная В. А. Котельниковым в конце 40-х годов ХХ века.Эта теория позволила не только рассчитать пороговые сигналы при различных видах модуляции, но и синтезировать оптимальные устройства обработки и приема сигналов.

Владимир Александрович Котельников (6.09.1908 – 11.02.2005)

В. А. Котельников родился в Казани в семье известного русского ученого в области математики и механики, профессора Казанского университета. В 1926 г. Владимир поступил в МВТУ на электротехнический факультет. В 1930 г. на базе этого факультета образовался Московский энергетический институт. В.А.Котельников окончил радиотехнический факультет МЭИ в 1931 г. и был направлен на работу в Институт связи Красной армии.

Уже в студенческие годы стал заниматься научной работой. Вскоре после окончания вуза (в 1932 г.) он подготовил доклад “О пропускной способности “эфира” и проволоки в электросвязи”, в котором сформулировал знаменитую теорему отсчетов, которая сейчас в русскоязычной литературе называется теоремой Котельникова. Сам доклад был опубликован в 1933 г.

В предвоенные и военные годы В.А.Котельников работал в области засекречивания речи. За создание аппаратуры засекречивания речи В.А.Котельникову и группе разработчиков в 1943 и 1946 годах были присуждены Сталинские премии первой степени.

После Великой Отечественной войны Котельников в декабре 1946 г. представляет Ученому совету МЭИ для защиты докторскую диссертацию: “Теория потенциальной помехоустойчивости”. Краткая информация об этой работе появилась в 1947 г. в “Радиотехническом сборнике”. И только в 1956 г., когда в этом направлении за рубежом появились многочисленные работы, часть из которых была переведена на русский язык, работа была издана целиком. Перевод книги появился в США в 1959 г.

В 1954 г. В. А. Котельников стал директором Института радиотехники и электроники (ИРЭ) АН СССР и руководил этим институтом более 30 лет. Находясь в этой должности, он был инициатором и научным руководителем новых научных направлений – планетной радиолокации и исследований радиолокационных излучений планет Солнечной системы и космического пространства. За работы в области планетной радиолокации ему вместе с коллективом сотрудников в 1964 г. была присуждена Ленинская премия.

Дважды Герой социалистического труда, академик В. А. Котельников скончался 11 февраля 2005 г. на 97-м году жизни.

С более общих позиций, чем В. А. Котельников, подошел к теории связи К. Шеннон – с позиций созданной им теории информации. В своих работах 1948-49 годов он определил количество информации как меру неупорядоченности сообщения, а за единицу информации принял то количество информации, которое дает выбор одного из двух равновероятных вариантов: любит – не любит, орел – решка, единица – ноль. Впоследствии эта единица информации была названа битом. Канал связи характеризуется пропускной способностью – количеством информации, которое можно передать за одну секунду (бит/с). Шеннон показал, что любой канал связи имеет свою максимальную пропускную способность, при которой обеспечивается надежная передача информации. Эта величина называется пределом Шеннона. Реально количество информации, передаваемое по каналу, всегда будет меньше предела Шеннона.

Приблизиться к пределу Шеннона можно только использованием болееэффективной упаковки информации. Такая упаковка предполагает использование двух действий: 1) устранение избыточности в передаваемом сообщении (использованием кодирования сообщения) и 2) добавление избыточности в передаваемый сигнал, позволяющей обнаруживать и исправлять ошибки, обусловленные каналом связи (использованием кодирования сигнала). Избыточность характерна для большинства сообщений. Например, слово “запятая” можно передать как “запятая” и как “зпт”. Смысл один и тот же, но первый вариант избыточен – гласные буквы можно не передавать.

Свое видение теории связи К.Шеннон изложил в монографии “Математическая теория связи”, опубликованной в 1948 году.

Клод Элвуд Шеннон (Shannon) (30.04.1916 — 24.02.2001)

Клод Шеннон родился в небольшом городке США. Детство провел в городе Гэйлорде, штат Мичиган. Отец – адвокат, мать – учительница. Уже в детстве у него сформировались два увлечения – техника и математика. В 1932 он поступил в университет Мичигана. Не изменив своим детским увлечениям, стал бакалавром по электротехнике и математике, окончив университет в 1936 г.

В 1936 он стал лаборантом в Массачусетском технологическом институте и одновременно работал над диссертацией на степень магистра. Диссертацию под названием “Символический анализ релейных и переключательных цепей” он представил в 1937 г. Это была первая в мире работа по применению булевой алгебры к анализу логических схем. По сути дела, она проложила путь к разработке цифровых устройств, в том числе и компьютеров.

В военные годы Клод Шеннон занимался разработкой систем засекречивания информации в “Bell Laboratories”, что помогло ему в дальнейшем открыть методы кодирования с коррекцией ошибок. За годы работы в “Bell Laboratories” Шеннону приходилось заниматься многими проблемами, но он постоянно возвращался к теории информации. Первая его статья по теории информации “Математическая теория связи” считается наиболее весомым вкладом в науку. Шеннону принадлежат также одни из первых исследований по теории вычислительных машин, по программированию игровых задач (шахматы, шашки и др.), по теории автоматов и пр.

В 1958 году Шеннон покинул “Bell Laboratories” и со следующего года стал работать профессором в Массачусетском технологическом институте. С начала 60-х годов он фактически отошел от работ по математической теории связи. В 1978 году вышел на пенсию и целиком отдался второму своему увлечению – техническим игрушкам, и особенно – жонглированию. Игрушки К.Шеннон конструировал всю жизнь. Это и мышь, запоминающая путь в лабиринте, и жонглирующие механизмы. А чего стоила его "Ultimate Machine" – шкатулка с единственным выключателем. При его включении крышка шкатулки открывалась, оттуда появлялась рука, которая возвращала выключатель в исходное положение и вновь скрывалась внутри.

Создается впечатление, что Шеннон через всю жизнь пронес ощущения играющего удивляющегося ребенка. Так, в “Bell Laboratories” он был известен как человек, ездящий по коридорам на одноколесном велосипеде и одновременно жонглирующий тремя шариками.

На склоне жизни Шеннон редко появлялся в научном мире и умер 24 февраля 2001 года в возрасте 84 лет после тяжелой продолжительной болезни.

Можно сказать, что к середине ХХ века были созданы все предпосылки перехода на цифровую связь.

Во-первых, были определены условия замены непрерывного процесса его отсчетами, при выполнении которых можно было восстановить процесс по его отсчетам без ошибки. Теорема отсчетов была сформулирована независимо друг от друга В. А. Котельниковым в 1933 г. и К. Шенноном в 1949 г. Правда, первооткрывателями этой теоремы были английские математики Е. Т. Уитекер и Дж. М. Уитекер, которые получили ее в начале ХХ века как частный результат теории интерполяции функций. Однако только благодаря Котельникову и Шеннону эта теорема перешла из сферы математики в сферу техники и обеспечила возможность создания цифровых систем. В мировой литературе за этой теоремой закрепилось название – теорема Уитекера – Котельникова – Шеннона (УКШ). К дискретизации непрерывных процессов имеет отношение и Гарри Найквист (1889 – 1976), американский физик-электрик. В 1928 г. в статье “Некоторые вопросы теории телеграфной передачи” им были сформулированы требования к интервалу дискретизации непрерывных сигналов для передачи их дискретными отсчетами. В англоязычной литературе интервал дискретизации обычно называют интервалом Найквиста, в русскоязычной – интервалом Котельникова.

Во-вторых, математическая теория связи Шеннона требовала эффективной упаковки информации, т.е. кодирования сообщений и сигналов. Кодирование достигается достаточно сложными математическими преобразованиями, и его можно было реализовать только переходом к цифровой обработке.

И, в-третьих, был известен метод модуляции для передачи сигнала, имеющего конечное число уровней, которым является цифровой сигнал, – импульсно-кодовая модуляция.

В 1938 г. во Франции Р. Х. Ривз предложил импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ). Цифровое сообщение в двоичной системе счисления представляет собой последовательность нулей и единиц. Такое сообщение можно передать, например, непрерывной последовательностью импульсов длительностью τ с начальной фазой, равной нулю при передаче нуля и равной π при передаче единицы (рис. 12, а, справа). Такой сигнал называется фазоманипулированным.

Естественно, это не единственно возможный ИКМ сигнал. Можно цифровое сообщение передать и амплитудно-манипулированным сигналом. Можно передавать не каждую цифру в отдельности, а комбинации цифр. Тогда потребуется многопозиционный сигнал. Например, при передаче комбинаций из двух цифр потребуется четырехпозиционный сигнал. Для графического представления сигналов часто используется фазовая диаграмма. На рис. 12 она показана слева от временной развертки сигнала.

Из фазовой диаграммы четырехпозиционного ФМ (ФМ-4) сигнала (рис. 12, б) видно, что комбинации цифр 00 соответствует импульс с нулевой начальной фазой, комбинации 10 – импульс с начальной фазой π/2, комбинации 11 – импульс с начальной фазой π и комбинации 01 – импульс с начальной фазой 3π/2. Временная развертка сигнала ФМ-4 показана на рис. 12, б справа. Как видим, время передачи одной и той же информации уменьшилось в 2 раза по сравнению с двухпозиционным ФМ (ФМ-2) сигналом.

а

б

Рис. 12

В 1948 г. американские ученые из компании “Bel. Labs” Клод Шеннон, Джон Пирс и Бернард Оливер разработали первую цифровую систему связи с использованием ИКМ. Система позволяла передавать множество телефонных разговоров по одной линии.

Цифровая связь начала свое победное шествие с 70-х годов, когда появились быстродействующие интегральные схемы. В цифровых системах самая разнородная по физической природе информация передается пакетами двоичных символов, содержащих помимо информационного сообщения еще и служебные сведения и коды для обнаружения и исправления ошибок канала передачи информации.

Интересно отметить, что радиосвязь началась с импульсного излучения и пришла к импульсному излучению. Только на заре радиосвязи для передачи одного бита информации использовались десятки импульсов искрового передатчика, а в цифровой радиосвязи в одном импульсе передаются сотни и тысячи бит информации.