Дуализм цифровой и аналоговой связи. Аналоговая и цифровая связь. Для чего обрабатывается сигнал

Существует аналоговая и цифровая связь . Аналоговые сигналы распространяются по линиям связи в виде непрерывно меняющихся синусоидальных электромагнитных волн, которые характеризуются частотой, фазой и амплитудой. На рис. 3.3 приведен один период такого синусоидального колебания 1 Гц.

Рис. 3.3. Синусоидальная волна с частотой 1Гц

Волна, которая, например, 10 раз в течение одной секунды проходит через максимум (+U вольт) имеет частоту 10 Гц. Полоса, в которой распределяются звуковые сигналы (голос) между абонентами аналоговой связи по телефонной сети общего пользования ТфОП составляет 3100Гц (диапазон 300-3400Гц). Такой канал называется каналом тональной частоты. В случае необходимости высококачественного воспроизведения речи и музыкальных программ (на уровне радиовещательных сигналов) требуется увеличение полосы до 10кГц и выше.

На рис. 3.4 приведена амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты.

Рис. 3.4. Амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты

На рис. 3.5 приведены две синусоидальные волны с разными частотами (рис. 3.5, a) и фазами (рис. 3.5, б).

Рис. 3.5. Синусоидальные волны с разными частотами и фазами

Цифровая связь осуществляет передачу сообщений с помощью битов. Как аналоговым, так и цифровым сигналам присуща нестабильность при передаче. Оба сигнала с увеличением дальности распространения ослабевают, затухают и подвергаются воздействию помех. Однако цифровые сигналы поддаются коррекции и восстановлению лучше, чем аналоговые. Из рисунка 3.6 видно, что когда цифровой сигнал, подвергающийся воздействию помехи, начинает затухать, предназначенное для его усиления устройство на линии связи без искажений восстанавливает сигнал (т.е. единицу или нуль). Помеха отбрасывается, а не регенерируется и не усиливается, как в случае с аналоговым сигналом.

Рис. 3.6. Усиление помехи в аналоговых линиях и устранение ее в цифровых линия

Цифровая связь обеспечивает пересылку данных с меньшим числом ошибок. В аналоговых линиях, где происходит усиление и сигнала помехи, принимающие устройства могут интерпретировать этот сигнал как бит информации. В цифровой связи сигнал помехи отбрасывается и поэтому искажения и ошибки при передаче данных наблюдаются реже.

Хотя аналоговая связь, имеет недостатки перед цифровой связью (сложнее оборудование, больше вероятность ошибок, ниже скорости передачи, хуже чистота звуков), много оборудования местных телефонных сетей общего пользования России остается на аналоговых линиях.

Аналоговые каналы связи

Аналоговые каналы связи являются наиболее распространенными по причине длительной истории их развития и простоты реализации. Типичным примером аналогового канала является канал тональной частоты (телефония).

Необходимость в модуляции аналоговой информации возникает, когда нужно передавать низкочастотный аналоговый сигнал через канал, находящийся в высокочастотной области спектра.

Примерами такой ситуации является передача голоса по радио и телевидению. Голос имеет спектр шириной примерно в 10кГц, а радиодиапазоны включают гораздо более высокие частоты, от 30кГц до 300МГц. Еще более высокие частоты используются в телевидении. Очевидно, что непосредственно голос через такую среду передать нельзя.

Модуляцией называется преобразование сигнала, заключающееся в изменении какого-либо его информационного параметра в соответствии с передаваемым сообщением.

Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую.

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.

Амплитудная модуляция (AM) - модуляция при которой амплитуда несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.

Частотная модуляция (FM) - модуляция при которой частота несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.

Фазовая модуляция (PM) - модуляция при которой фаза несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.

Цифровые каналы связи

К цифровым каналам связи относятся каналы ISDN, T1/E1.

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется аналоговой модуляцией или манипуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

Аналоговая модуляция дискретных данных

Необходимость применения аналоговой модуляции к передаче дискретных данных возникает, при необходимости передачи компьютерных данных по телефонным каналам.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор - демодулятор).

Основные способы аналоговой модуляции дискретных данных:

При амплитудной модуляции AM для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.

При частотной модуляции FM значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.
При фазовой модуляции PM значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная, в сочетании с фазовой.

Цифровое кодирование каналов связи

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методам цифрового кодирования:

• имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
• обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
• обладал способностью распознавать ошибки;
• обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр цифровых сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи.

В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за:

• Неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно.
• Экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды. Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

Деление станций на аналоговые и цифровые производится по типу коммутации. Телефонная связь, действующая на основе преобразования речи (голоса) в аналоговый электрический сигнал и передачи его по коммутируемому каналу связи (аналоговая телефония), долгое время была единственным средством передачи речевых сообщений на расстояние. Возможность дискретизации (по времени) и квантования (по уровню) параметров аналогового электрического сигнала (амплитуды, частоты или фазы) позволили преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой (дискретный), обрабатывать его программными методами и передавать по цифровым телекоммуникационным сетям.

Для передачи аналогового речевого сигнала между двумя абонентами в сети ТфОП (телефонные сети общего пользования) предоставляется так называемый стандартный канал тональной частоты (ТЧ), полоса пропускания которого составляет 3100 Гц. В системе цифровой телефонии над аналоговым электрическим сигналом выполняются операции дискретизации (по времени), квантования (по уровню), кодирования и устранения избыточности (сжатия), после чего сформированный таким образом поток данных направляется принимающему абоненту и по «прибытию» в пункт назначения подвергается обратным процедурам.

Преобразование речевого сигнала осуществляется по соответствующему протоколу в зависимости от того, по какой сети он передается. В настоящее время наиболее эффективная передача потока любых дискретных (цифровых) сигналов, в том числе и несущих речь (голос), обеспечивается цифровыми электрическими сетями, в которых реализованы пакетные технологии: IP (Internet Protocol), ATM (Asynchronous Transfer Mode) или FR (Frame Relay).

Говорят, что концепция передачи голоса при помощи цифровых технологий зародилась в 1993 году в Университете штата Иллинойс (США). Во время очередного полета челнока Endeavor в апреле 1994 года NASA передало на Землю его изображение и звук с помощью компьютерной программы. Полученный сигнал поступал в Интернет, и любой желающий мог услышать голоса астронавтов. В феврале 1995 года израильская компания VocalTec предложила первую версию программы Internet Phone, разработанную для владельцев мультимедийных PC, работающих под Windows. Потом была создана частная сеть серверов Internet Phone. И уже тысячи людей загрузили программу Internet Phone с домашней страницы VocalTec и начали общаться.

Естественно, что другие компании очень быстро оценили перспективы, которые открывала возможность разговаривать, находясь в разных полушариях и не оплачивая при этом международные звонки. Такие перспективы не могли остаться незамеченными, и уже в 1995 году на рынок обрушился поток продукции, предназначенной для передачи голоса через Сеть.

Сегодня существует несколько стандартизированных способов передачи информации, получившие наибольшее распространение на рынке услуг цифровой телефонии: это стандарты ISDN, VoIP, DECT, GSM и некоторые другие. Попробуем вкратце рассказать об особенностях каждого из них.

Итак, что же такое ISDN?

Аббревиатура ISDN расшифровывается какIntegrated Services Digital Network - цифровая сеть с интеграцией услуг. Это современное поколение всемирной телефонной сети, обладающей возможностью переносить любой тип информации, включая быструю и корректную передачу данных (в том числе и голоса) высокого качества от пользователя к пользователю.

Основное достоинство сети ISDN заключается в том, что Вы можете подключить к одному сетевому окончанию несколько цифровых или аналоговых аппаратов (телефон, модем, факс и пр.), и каждый может иметь свой городской номер.

Обычный телефон подключается к телефонной станции парой проводников. При этом по одной паре можно вести только один телефонный разговор. При этом в трубке могут быть слышны шум, помехи, радио, посторонние голоса - недостатки аналоговой телефонной связи, которая "собирает" все помехи на своем пути. В случае использования ISDN абоненту устанавливается сетевое окончание, а звук, преобразующийся специальным декодером в цифровой формат, передается по специально отведенному для этого (также полностью цифровому) каналу принимающему абоненту, обеспечивая при этом максимальную слышимость без помех и искажений.

Основой ISDN является сеть, построенная на базе цифровых телефонных каналов (предусматривающая также возможность передача данных с коммутацией пакетов) со скоростью передачи данных 64 кбит/с. Услуги ISDN базируются на двух стандартах:

Базовый доступ (Basic Rate Interface (BRI)) - два B-канала 64 кбит/с и один D-канал 16 кбит/с

Первичный доступ (Primary Rate Interface (PRI)) - 30 B-каналов 64 кбит/с и один D-канал 64 кбит/с

Обычно пропускная способность BRI составляет 144 Кбит/с. При работе с PRI полностью используется вся магистраль цифровой связи (DS1), что дает пропускную способность 2 Мбит/c. Высокие скорости, предлагаемые ISDN, делают ее идеальной для большого числа современных услуг связи, включая высокоскоростную передачу данных, разделение экранов, видеоконференции, передачу больших файлов для мультимедиа, настольную видеотелефонию и доступ в Интернет.

Собственно говоря, технология ISDN – это ни что иное, как одна из разновидностей «компьютерной телефонии», или, как ее еще называют CTI-телефония (Computer Telephony Integration - компьютерно-телефонная интеграция).

Одной из причин возникновения решений CTI послужило появление требований по обеспечению сотрудников компаний дополнительными телефонными сервисами, которые либо не поддерживались существующей корпоративной телефонной станцией, либо стоимость приобретения и внедрения решения от производителя этой станции была несопоставима с достигаемыми удобствами.

Первыми ласточками сервисных CTI-приложений стали системы электронных секретарей (autoattended) и автоматических интерактивных голосовых приветствий (меню), корпоративная голосовая почта, автоответчик и системы записи переговоров. Для добавления сервиса того или иного CTI-приложения к существующей телефонной станции компании подключался компьютер. В нем была установлена специализированная плата (вначале на шине ISA, затем на шине PCI), которая соединялась с телефонной станцией по стандартному телефонному интерфейсу. Программное обеспечение компьютера, запущенное под определенной операционной системой (MS Windows, Linux или Unix), взаимодействовало с телефонной станцией через программный интерфейс (API) специализированной платы и тем самым обеспечивало реализацию дополнительного сервиса корпоративной телефонии. Практически одновременно с этим был разработан стандарт программного интерфейса для компьютерно-телефонной интеграции – TAPI (Telephony API)

Для традиционных телефонных систем CTI-интеграция осуществляется так: некоторая специализированная компьютерная плата подключена к телефонной станции и транслирует (переводит) телефонные сигналы, состояние телефонной линии и его изменения в «программный» вид: сообщения, события, переменные, константы. Передача телефонной составляющей происходит по телефонной сети, а программной составляющей – по сети передачи данных, IP-сети.

А как выглядит процесс интеграции в IP-телефонии ?

В первую очередь необходимо заметить, что с появлением IP-телефонии изменилось само восприятие телефонной станции (Private Branch eXchange - PBX). IP PBX является ничем иным как еще одним сетевым сервисом IP-сети, и, как большинство сервисов IP-сети, функционирует в соответствии с принципами клиент-серверной технологии, т. е. предполагает наличие сервисной и клиентской частей. Так, например, сервис электронный почты в IP-сети имеет сервисную часть – почтовый сервер и клиентскую часть –программу пользователя (например Microsoft Outlook). Аналогично устроен и сервис IP-телефонии: сервисная часть – сервер IP PBX и клиентская часть – IP-телефон («железный» или программный) используют для передачи голоса единую коммуникационную среду – IP-сеть.

Что это дает пользователю?

Преимущества IP-телефонии очевидны. Среди них – богатый функционал, возможность существенно улучшить взаимодействие сотрудников и одновременно упростить обслуживание системы.

Кроме того, IP-коммуникации развиваются по открытому принципу вследствие стандартизации протоколов и глобального проникновения IP. Благодаря принципу открытости в системе IP-телефонии возможно расширение предоставляемых услуг, интеграция с существующими и планируемыми сервисами.

IP-телефония позволяет построить единую централизованную систему управления для всех подсистем с разграничением прав доступа и эксплуатировать подсистемы в региональных подразделениях силами местного персонала.

Модульность системы IP-коммуникаций, ее открытость, интеграция и независимость компонентов (в отличие от традиционной телефонии) дают дополнительные возможности для построения по-настоящему отказоустойчивых систем, а также систем с распределенной территориальной структурой.

Беспроводные системы связи стандарта DECT:

Стандарт беспроводного доступа DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) является наиболее популярной системой мобильной связи в корпоративной сети, самым дешевым и простым при монтаже вариантом. Она позволяет организовать беспроводную связь по всей территории предприятия, что так необходимо «мобильным» пользователям (например, охране предприятия или начальникам цехов, отделов).

Основное преимущество DECT-систем заключается в том, что с приобретением подобного телефона вы практически бесплатно получаете мини-АТС на несколько внутренних номеров. Дело в том, что к единожды купленной DECT-базе можно приобрести дополнительные телефонные трубки, каждая из которых получает свой внутренний номер. С любой трубки вы без особого труда сможете звонить на другие трубки, подключенные к этой же базе, передавать входящие и внутренние звонки и даже осуществлять своеобразный «роуминг» - прописывать свою трубку на другой базе. Радиус приема этого вида связи – 50 метров в помещение и 300 метров на открытом пространстве.

Для организации мобильной связи в сетях общего пользования используются сети сотовой связи стандартов GSM и CDMA, территориальная эффективность которых практически не ограничена. Это стандарты соответственно второго и третьего поколения сотовой связи. В чем же различия?

Каждую минуту с любой базовой станцией сотовой сети пытаются связаться сразу несколько телефонов, находящихся в ее окрестностях. Поэтому станции должны обеспечивать «множественный доступ», то есть одновременную работу без взаимных помех сразу нескольких телефонов.

В сотовых системах первого поколения (стандарты NMT, AMPS, N-AMPS и др.) множественный доступ реализуется частотным методом – FDMA (Frequency Division Multiple Access): базовая станция имеет несколько приемников и передатчиков, каждый из которых работает на своей частоте, а радиотелефон настраивается на любую частоту, используемую в сотовой системе. Связавшись с базовой станцией на специальном служебном канале, телефон получает указание, какие частоты он может занять, и перестраивается на них. Это не отличается от способа настройки той или иной радиоволны.

Однако число каналов, которые удается выделить на базовой станции, не очень велико, тем более что соседние станции сотовой сети должны иметь разные наборы частот, чтобы не создавать взаимных помех. В большинстве сотовых сетей второго поколения стал применяться частотно-временной метод разделения каналов – TDMA (Time Division Multiple Access). В таких системах (а это сети стандартов GSM, D-AMPS и др.) тоже используются различные частоты, но только каждый такой канал выделяется телефону не на все время связи, а только на небольшие промежутки времени. Остальные такие же интервалы поочередно используются другими телефонами. Полезная информация в таких системах (в том числе и речевые сигналы) передается в «сжатом» виде и в цифровой форме.

Совместное использование каждого частотного канала несколькими телефонами позволяет обеспечить обслуживание большего числа абонентов, но частот все равно не хватает. Существенно улучшить это положение смогла технология CDMA, построенная по принципу кодового разделения сигналов.

Суть метода кодового разделения сигналов, примененного в CDMA, заключается в том, что все телефоны и базовые станции одновременно используют один и тот же (и при этом сразу весь) выделенный для сотовой сети диапазон частот. Для того чтобы эти широкополосные сигналы можно было различать между собой, каждый из них имеет специфическую кодовую «окраску», обеспечивающую его уверенное выделение на фоне других.

За последние пять лет технология использования CDMA была протестирована, стандартизирована, лицензирована и запущена в производство большинством поставщиков беспроводного оборудования и уже применяется во всем мире. В отличие от других методов доступа абонентов к сети, где энергия сигнала концентрируется на выбранных частотах или временных интервалах, сигналы CDMA распределены в непрерывном частотно-временном пространстве. Фактически этот метод манипулирует и частотой, и временем, и энергией.

Возникает вопрос: могут ли системы CDMA при таких возможностях «мирно» сосуществовать с сетями AMPS/D-AMPS и GSM?

Оказывается, могут. Российскими регулирующими органами разрешена работа сетей CDMA в полосе радиочастот 828 - 831 МГц (прием сигнала) и 873-876 МГц (передача сигнала), где и размещены два радиоканала CDMA шириной 1,23 МГц. В свою очередь, для стандарта GSM в России отведены частоты выше 900 МГц, поэтому рабочие диапазоны сетей CDMA и GSM никак не пересекаются.

Что хочется сказать в заключении:

Как показывает практика, современные пользователи все больше тяготеют к широкополосным сервисам (видеоконференции, высокоскоростная передача данных) и все чаще предпочитают мобильный терминал обычному проводному. Если еще учесть тот факт, что число таких желающих в больших компаниях может легко перевалить за тысячу, то получим набор требований, удовлетворить которые способна только мощная современная цифровая станция (УПАТС).

Сегодня на рынке представлено множество решений от различных производителей, обладающих возможностями как традиционных АТС, коммутаторов или маршрутизаторов для сетей передачи данных (в том числе и по технологиям ISDN и VoIP), так и свойствами беспроводных базовых станций.

Цифровые УПАТС сегодня в большей степени, чем другие системы, соответствует указанным критериям: имеют возможности коммутации широкополосных каналов, пакетной коммутации, просто интегрируются с компьютерными системами (CTI) и позволяют организовывать беспроводные микросоты внутри корпораций (DECT).

Какой из указанных типов связи лучше? Решайте сами.

Исторически первой попыткой передать цифру считают телеграф Шиллинга (1832). Постепенно изобретатель, пытаясь снизить число соединительных линий, внедрил методику кодирования печатных знаков двумя состояниями. Аналогично работает азбука Морзе (1840).

Цифровая связь – род электросвязи, использующий дискретные сигналы, как правило, двоичной системы счисления.

История кодирования информации с точки зрения связи

Считаем излишним упоминать опостылевший читателям дым костра пещерных людей. Семафор Шаппа столь же никудышный пример. И тут Википедия, сообщила: Лейбниц, основоположник двоичного счета, интересовался китайской Книгой перемен… Глубочайшие древние знания сегодня недооценивается брезгливо отбрасывающими непонятое неучами. Пойдём узкой тропой.

Древние жители Малайзии использовали комбинированную двоично-десятичную систему счисления. Ритуальные барабаны Африки формировали кодовый сигнал, служащий различным целям.

Древний Египет

Википедия не даст соврать – египтяне хорошо умели считать. Дробей было даже два вида:

1. Египетские получили собственное название. Бытовала запись числа конечной суммой простых дробей. Математики доказали: каждое положительное рациональное число раскладывается указанным образом. Методику переняли многие древние цивилизации.
2. Глаз Гора (напоминает Око Ра), знак даёт защиту, королевскую власть, отличное здоровье. Современные исследователи дали изображению собственные названия, отметив схожесть отдельных элементов с цифрами.

Глаза Гора

Гор считается сыном Осириса и Исиды. Традиционно наделяют головой сокола. Правый глаз древних изображений олицетворяет бога солнца Ра, левый – бога мудрости Тота. Оба являются зеркальными отражениями друг друга. Иероглифы, обозначающие глаз, имеют смысл: делатель; человек, занимающийся трудом. Различные участки изображения представляли единицу, делённую на первые 6 степеней двойки, напоминая современный бинарный код:

1. 1/2. Правая сторона глаза.
2. 1/4. Глазное яблоко.
3. 1/8. Бровь.
4. 1/16. Левая сторона.
5. 1/32. Изгиб, завиток, имитирующий морщину ниже глаза.
6. 1/64. След слезы.

В 2003 году Джим Риттер окончательно доказал несостоятельность теории сходства элементов глаз с иероглифами, обозначающими цифры. Однако терминология прижилась, продолжает активно применяться учёными-математиками. Египтяне применяли делители степень двоек, подсчитывая урожай, объёмы жидкостей. Первые следы употребления датируются 2400 г. до Р.Х. Порядок действий при умножении задействует алгоритм, включающий двоичное представление второго числа.

Книга перемен

Документ, датированный IX в. до Р.Х., демонстрирует систему гаданий в четверичной системе счисления. Базовая система образована:

1. Двойственной природой сил: инь, ян.
2. Восемью триграммами Будуа (общее количество: третья степень числа два).
3. 64 гексаграммами Люшисыгуа (общее количество: шестая степень числа два).

Шао Йонг выстроил гексаграммы согласно порядку возрастания, создав набор чисел. Хотя никогда не пытался использовать картинки, выполняя математические вычисления.

Индия

Древний учёный Пингала (2 в. до Р.Х.) разработал ритмическую систему стихосложения, напоминающую азбуку Морзе – длинные/короткие слоги. Трактат Чандас-шастра стал обрядовой классикой, сопутствующей Ведам. Информация описана матрицей, помогающей снабдить стихотворение неповторимым ритмом. Современный двоичный аналог отсутствует.

Средневековая двоичная система

В 1605 году Фрэнсис Бэкон рассматривал систему двоичного кодирования букв, предлагая визуальную систему распознавания шифрованной информации. Попутно упоминал возможность использования:

1. Колоколов.
2. Огней.
3. Факелов.
4. Мушкетных залпов.
5. Трубных мелодий.

Джон Непер (1617) описал систему двоичных вычислений. Томас Харриот интересовался вопросом, поленившись опубликовать результаты. Позже бумаги были найдены среди рукописей учёного. Первой тематической рукописью считают работу Хуана Карамуэля и Лобковица (1670). Раздел Ru binara arithmetica вводит понятие двоичной системы:

• 1 = а.
• 0 = о.

Попутно богослов упоминает возможность использования основ счисления выше десятичной, предлагая заменять недостающие цифры буквами. 32 = аооо. Поныне используется современными вычислительными системами. Учёный пытался показать: двоичное счисление подсказано природой. Лобковиц опирался на музыкальный строй инструментов. Вплетая витиеватые представления философии, указал небесную подоплёку применения троичной системы. Четыре стороны света увязал на четверичную.

Похожими тропами двигались мысли Харриота, чьи работы составляли тайну для современников.

Лейбниц

Лейбниц заинтересовался проблемой в 1979 году. Первому знакомству с китайским раритетом обязан члену миссионерской общины Иоакиму Буве, посещавшему (1685) страну шелка лично. Гексаграммы подтвердили универсальность собственных христианских мировоззрений Лейбница. Проиллюстрируем не очевидный ход мысли учёного:

1. Христос создан из ничего (Ex nihilo) велением Бога. Противопоставляясь другим людям, созданным из материи. «Нелегко донести язычникам концепцию творения из ничего посредством силы Бога. Теперь каждый может показаться замечательную систему счисления, где мир представлен число 1, ничто – числом 0.» Цитата письма герцогу Брауншвейгу с приложенными гексаграммами.
2. Связка Бытие/Ничто формирует дуалистическую систему.
3. Двоичный счёт является даром небес.

Двадцать пять лет спустя вышел очерк Объяснение двоичной арифметики, использующей числа 0 и 1, дополненное объяснением полезности и связи с китайскими фигурами Фу Си. Семантическое представление значений идентично общепринятому современному. Учёный потрудился выстроить гексаграммы (см. выше), получив мощное средство производства вычислений.

Двоичная арифметика

Джордж Буль (1854) создал знаменитую логику, получившую волей сообщества математиков уникальное название. Логика стала основой конструирования современных цифровых приборов. Клод Шеннон (1937, Массачусетский технологический институт) сформулировал ключевые тезисы реализации электронных вычислителей, использующих переключатели, реле. К ноябрю Джордж Штибиц реализовал концепцию, построив Модель К. Литера обозначала кухню, где трудился изобретатель.

США

Первый вычислитель умел складывать цифры. Лаборатории Белла организовали исследовательскую программу, поставив главным Штибица. Оконченная 8 января 1940 года машина использовала комплексные числа. Демонстрируя детище конференции Американского математического общества на базе колледжа Дартмуна, изобретатель подавал команды посредством телефонной линии, используя телетайп. Продемонстрировав прототип современной клавиатуры – устройства ввода. Демонстрацию посетили лично:

1. Джон фон Ньюманн.
2. Норберт Винер.
3. Джон Моучли.

Германия

Параллельно компьютер Z1 (альтернативное имя V1 – экспериментальная модель) построил Конрад Цузе. Двоичный вычислитель считывал простейшие инструкции с перфорированной плёнки. Изделие 1935-1936 г.г. считают первым программируемым устройством современной истории человечества. Разработка полностью оплачена частными фондами. Компьютер весом 1 тонну полностью уничтожен бомбардировкой Берлина 1943 года войсками союзников. Рядом сгорели чертежи…

Это интересно! Оригинальное имя V1 повторяло название знаменитых Фау-1 (самолётов-снарядов). Поэтому современной литературой употребляется Z1.

1. Контрольный блок – аналог процессора.
2. Математическую логику с плавающей запятой.
3. Память (читаемая/исполняемая) объёмом 64 слова.
4. Устройства ввода-вывода, включая считыватель 35 мм перфоленты.

Контрольный блок давал возможность наблюдать последовательность исполняемых операций. Вычислительный блок оперировал 22-битными числами с плавающей запятой. Логические операции расширяли функциональность. Первоначальный набор содержал 9 инструкций, занимающих 1-20 «процессорных» циклов.

Входные/выходные данные десятичные.

История развития цифровой связи

Исторически первой стала амплитудная модуляция сигнала, внедрённая Поповым за неимением выбора. Частотная запатентована 26 декабря 1933 года Эдвином Армстронгом. Отличается более широкой полосой частот, занимаемых передаваемым сигналом. Цифровой сигнал использует обе методики. Отличие описывается способом представления информации:

1. Величина физического мира аналогового характера становится цифрой двоичной системы счисления.
2. Символы 0, 1 кодируются установленным образом.
3. Приёмная сторона расшифровывает послание.

Исторически первым устройством, применяющим кодирование называют телеграф Шиллинга (1832) – реализацию идеи Андрэ-Мари Ампера. Некорректно называть связь цифровой, потому что буквы также являются объектами дискретными. Отсутствует факт преобразования величин.

Мультиплексирование

Необходимость нарезать сигнал вызвана желанием телеграфистов использовать одну линию передачи. Первый трансатлантический кабель стоил недёшево. Немедля начали канал сдваивать, учетверять. Наука дискретизации шагает параллельно первым потугам моряков утопить кабель. Американский изобретатель Мосес Фармер предложил (1853) мультиплексирование с временным делением абонентов. Несколько передатчиков смогли использовать одну линию.

Двадцать лет спустя Эмиль Бодо построил машину автоматического мультиплексирования телеграфов Хагис. Долгое время положение дел устраивало общественность. Отсутствие элементной базы стопорило работы. В 1903 году Майнер создал электромеханический коммутатор временного мультиплексирования телеграфов. Последовательно технологию транспонировали на телефонные линии. Частота нарезки составляла 3,5-4 Гц, оставляя желать лучшего.

Кабельная система передачи изображений Бартлейна (1920) посылала оцифрованные рисунки принимающему факсу на другой стороне Атлантического океана. Применение бинарной арифметики снижало время передачи, достигая показателя 3 часа. Изначально производилась кодировка пятью оттенками серого. Постепенно число повышалось, достигнув (1929) пятнадцати. Имя технологии является производным двух создателей концепции:

1. Гарри Бартоломью.
2. Майнхард МкФарлейн.

Идею перенял Пол Рэйни, запатентовавший факсимильную машину, производящую оцифровку изображения 5-битным кодом посредством опто-механического конвертера. Попытка промышленного выпуска провалилась. Британского инженера Алека Ривса считают основоположником оцифровка голосовых сообщений. Теоретически рассмотрев вопрос, изобретатель подал заявку французскому бюро (по месту основной работы). Война подзатянула решение комиссии. Положительный ответ принёс 1943 год.

Зелёный шершень

Историки затрудняются указать первый факт установления цифровой связи, запутанный секретами Второй мировой войны. Шифровальное оборудование SIGSLAY радовало союзников непонятными врагам передачами. Википедия однозначно называет альянс пионерами. Техника использовала кодово-импульсную модуляцию. Находятся энтузиасты, приписывающие роль первопроходца Попову. Полагаем, несостоятельность трактовки очевидна.

Это интересно! Прототип первого цифрового связного оборудования назвали программой Зелёный шершень. Передатчик похоже гудел, кодируя информацию. Зелёный шершень помог провести 3000 конференций.

Немецкие шпионы прослушивали каналы связных скрамблеров А-3, построенных Вестерн Электрик. Иногда глушили трафик. Враждующие стороны постоянно взламывали взаимную защиту. Злоумышленникам помогал анализатор спектра. Сигсалли маскировал посылку, спрятанную предварительно вокодером, псевдошумовым сигналом. Разработчики заложили частоту дискретизации 25 Гц. Изобретатели продемонстрировали ряд новых технологий, реализуя схему:

1. Выборку десяти каналов линии диапазона 250..2950 Гц шифрации.
2. Оцифровку согласно правилу наличия, отсутствие фонации.
3. Наличие характеризовалось высотой тона, скорость изменения ниже 25 Гц.

Выборки нарезали частотой 50 Гц, амплитуду конвертировали шестью уровнями (числом 0..5). Шкала дискретизации нелинейная с большими пролётами на сильных сигналах. Разработчики использовали данные физиологов, констатирующих: оттенки голоса закладываются не всеми колебаниями голосовых связок одинаково. Звук с фонацией кодировали парой 6-уровневых чисел, добиваясь получения 36 уровней.

Криптографический ключ образован серией случайных значений 6-уровневых чисел. Код вычитался из выборки голосовых отсчётов по модулю 6, скрывая содержимое. Несущая подвергалась частотной манипуляции (резкое изменение значения несущей). Приёмник принимал набор значений, образовывал выборку сообразно принятой системе кодирования. Затем сигнал расшифровывали, производя сложение по модулю 6. Вокодер довершал цепочку преобразований.

1. Белым шумом заполнялись промежутки, лишённые фонации.
2. Генератор формировал сетку гармоник, частота которых контролировалась высотой тона (см. выше).
3. Отдельный переключал тонации контролировал тип звучания.
4. Дело довершал регулируемый усилитель.

Шумовые комбинации шифрования ключа изначально записали с большого ртутного выпрямителя на фонограф. Информацию разослали пользователям системы. Терминал, сформированный 40 блоками, весил 50 тонн, потребляя 30 кВт энергии. Комнату приходилось охлаждать воздухом. Первый комплект занял помещение здания Пентагона. Президент Франклин Рузвельт круглосуточно имел возможность общаться, выслушивая планы премьер-министра Уинстона Черчилля, имевшего собственный экземпляр под Оксфорд Стрит. 15 июля 1943 года состоялась первая пресс-конференция союзников. Стороны установили необходимое количество наборов, включая один, занявший борт флагмана Генерал Дуглас МакАртур.

Достижения

1. Первая секретная радиосвязь.
2. Первая дискретизированная передача данных.
3. Внедрение концепции кодово-импульсного радиоканала.
4. Использование компадирования.
5. Первая радиопередача многоуровневой частотной манипуляции.
6. Первая технология компрессии спектра речи.
7. Внедрение методики частотного деления каналов при помощи манипуляции.

Развитие концепции цифровой связи

Канадская военно-морская система DATAR (1949) стала транслировать информацию. Формирование считают первым примером военной информационной системы, реализуя концепцию единого командного пункта. Канада хорошо помнила 1943 год, когда получила возможность координировать действия морских сил союзников. Командование задумало упростить процесс. Круглый планшет, напоминающий экран радиолокационной станции, показывал положение участников баталии. Проект затрагивал морской флот, попутно специалисты отметили возможный охват всех родов войск.

Демонстрация 1953 года провалилась, заставив ВВС США заняться разработкой SAGE. Центральная система управляла действиями NORAD, отражая возможные атаки воздушного флота противника. Обстановка, сдобренная изрядной долей дисплеев, компьютеров, стала неотъемлемой частью холодной войны. Основу производственной мощности составил супервычислитель AN/FSQ-7, снабдивший процессорным временем командные центры, занимавший 22000 квадратных футов пола.

Стоимость, исчисляемая миллиардами долларов, перекрыла затраты Манхэттанского проекта. Тест Небесного щита показал перехват 25% бомбардировщиков. Сегодня управляющая роль получена микрокомпьютерам, дублирующим функции машинных залов. Ограниченность технологии объяснялась необходимостью использования вакуумных электрических приборов. Военные отдали часть технологий промышленности. 24-канальные машины 1953 года были далеки океану, военной авиации. Истинное призвание техники RCA – посылать звуковые сообщения на Брод Стрит (Нью-Йорк), обеспечивать функционирование линий Роки Пойнт – Лонг Айленд.

Цифровая революция

Подложка давно была готова. Основы, кропотливо развиваемые учёными, заложил Чарльз Бэббидж. Технологии связи развивали телеграфисты. США выделили для цифровых проектов бюджет. Статья Клода Шеннона Математическая теории связи (1948) стала путеводной звездой отрасли. Промышленность ринулась оцифровывать аналоговые сигналы. Копии стали идентичны оригиналом, перестали стариться. Цифровая информация без потерь преодолевала кабель, эфир.

1947 год принёс миру полупроводниковый триод. Военные мигом оценили предоставляемые возможности. Вероятно засекреченные ранее сведения специально обнародовали, оценив потенциал гражданской промышленности США. Параллельно Великий рывок совершила Япония, порастеряв остатки феодального строя. 50-60-е годы основными потребителями оставались военные, правительство. В 1969 году Intel выпустили микропроцессор 4004, подготовивший базис будущей революции. Одновременно США заложили будущую основу общемировой сети интернет, инициировав проект ARPANET.

Хронология развития кодово-импульсной модуляции

Важно! Зал славы национальных изобретателей США наградил Бернарда Оливера, Клода Шеннона за создание кодово-импульсной модуляции (патент США 2.801.281, 1957 год).

Первая система вещательных приёмопередатчиков (1961) несла 24 телефонных канала кодово-импульсной модуляции (КИМ), частотой выборки 8 кГц, кодированных 8-битными числами. Качество связи соответствовало используемому ранее частотному мультиплексированию. Указанное помогло оцифровать:

1. Связь. Поколение 2G (1992) сотовых сетей стало цифровым.
2. Телевещание (начало 90-х, XX века). Женевское соглашение, принятое 17 июня 2015 года, установила сроки устранения странами последних признаков аналогового вещания. Первыми (2006) ушли Нидерланды, Люксембург. Россия планирует окончить процесс в 2019.
3. Радиовещание (конец 80-х, XX века). Норвежская корпорация NRK 1 июня 1995 года первой начала коммерческую трансляцию. К 2017 году 38 стран запустили сервис, включая Россию.

Изобретённая Алеком Ривсом (1937) импульсно-кодовая модуляция постепенно достигла областей звукозаписи, позже захватив коммерческое вещание. Пионерами стали продукты японских брендов (1971) NHK, Ниппон Колумбия. Параллельно опыты вели ВВС, создавшие цифровой двухканальный рекордер. Годом позже британцы провели пробную цифровую трансляцию. Развитие цифровой записи предшествовало появлению вещания.

• Четвёртое поколение коммутаторов 4ESS внедрено в систему телефонных линий США (1976).
• Линейная кодово-импульсная модуляция (1982) включена красной книгой стандартов записи компакт-дисков.
• AES3, основа будущего S/DIF, вводится в обиход (1985).
• Формат файлов.WAV становится стандартом персональных компьютеров (1991).
• Мировая запись носителей переходит на цифру: DVD (1995), Blu-ray (2005).
• Разработка цифровых протоколов передачи (2001) любительских раций (D-STAR, компании ICOM).
• HDMI поддерживает кодово-импульсную модуляцию (2002).
• Контейнер RF64 включает КИМ (2007).

Резюме развития технологии

Виды радиолюбительской связи на КВ принёс миллениум. Упоминая наработки Второй мировой войны, попутно обсуждали громадные размеры оборудования (машинные залы). Минимизация шла полным ходом, однако новинки оставались засекреченными. Исключая области записи, компьютерных сетей. Развал СССР явил миру чудеса цифровой техники: вещание, персональные вычислительные машины, связь. Поэтапно мир выбрасывает вон аналоговые технологии, модернизируя оборудование.

Структурная схема процесса позволяет игнорировать старение, погодные условия, помехи. Модем шутя выполняет работу машинного зала времён Второй мировой войны. Радиолюбителям стали выделять технику, о которой мечтали вьетнамские войска. Процесс вскоре позволит домоседам проектировать системы, насиживая уютное кресло. Возблагодарим интернет, подаривший людям возможности, доселе не известные планете.