...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

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.