...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич (онлайн книга без txt) 📗
В 30-х годах XIX в. английский физик М. Фарадей (1791–1867) обнаружил, что в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, возникает ток. Так вот, все дело в том, что наш проводник оказался помещенным в собственное магнитное поле и под его воздействием в толще проводника образовалось множество замыкающихся по кольцу вихревых токов. У поверхности проводника эти токи направлены так же, как и основной ток, и поэтому увеличивают его. В толще же проводника вихревые токи оказываются направленными против основного тока и, следовательно, уменьшают его.
Мы рассмотрели один провод, тогда как для передачи сигналов используют два провода — прямой и обратный (нужно, чтобы цепь тока замкнулась). Каждый из проводов образует свое электромагнитное поле. Их взаимодействие дает несколько более сложную картину поля, однако эффект излучения поля вне проводов остается практически неизменным — с ростом частоты излучение увеличивается.
В городских телефонных кабелях под одной "крышей" — оболочкой — собрано большое число нар проводов. Представим себе, что цифровые сигналы (импульсы) передаются только по одной паре проводов (или, еще говорят, по одной цепи), а по другим парам в это время ничего не передается. Тем не менее и в остальных "нерабочих" парах можно зарегистрировать те же самые сигналы, правда очень слабые. И чем дальше "нерабочая" пара расположена от "рабочей", тем слабее в ней сигналы.
Однако чем выше скорость передачи импульсов (помните, это означает, что сигнал состоит из синусоидальных токов более высоких частот), тем увереннее мы будем их регистрировать в "нерабочих" парах. Виной тому — увеличивающееся на высоких частотах электромагнитное излучение. Может оказаться и так: при большой скорости передачи влияние одной цепи на другую будет столь велико, что когда по этой второй цепи будут передаваться "свои" сигналы, их будет очень трудно отделить от "чужих".
Вот эти-то взаимные влияния между цепями и не дают возможности беспредельно увеличивать скорость передачи импульсов по городским телефонным кабелям. Практически она ограничена значением 2 Мбиг/с. Отсюда вывод: такие кабели не позволяют обмениваться видеопрограммами, ведь при передаче подвижного изображения биты "мчатся" со скоростью в 50 раз большей.
Иное дело междугородный коаксиальный кабель! Но, стоп…
Сначала нужно сказать об особенностях его конструкции. Один проводник коаксиальной пары является обычным сплошным проводом, а вот другой (но которому ток "возвращается" обратно) — это полый медный цилиндр. И сплошной проводник помещен внутрь полого. Отсюда и название — коаксиальная пара, что означает "имеющая общую ось" (coaxis — соосный). Чтобы строго выдержать соосность проводников, пространство между ними заполняют изолирующим материалом (сплошным полиэтиленом, полиэтиленовыми шайбами и т. п.). Придумал такую конструкцию нары проводников еще в 1912 г. профессор Петербургского электротехнического института П.Д. Войнаровский (1886–1913), а использовать ее в кабелях связи предложил в 1934 г. американский изобретатель С.А. Щелкунов.
Коаксиальная пара — это поистине замечательное изобретение! Она не излучает электромагнитную энергию в пространство, а следовательно, не будет оказывать влияние на соседние цепи связи. Такое "тихое" соседство имеет, как мы знаем, принципиально важное значение, поскольку позволяет повысить скорость передачи цифр.
Ток во внутреннем проводнике с ростом частоты также вытесняется на его поверхность. Этот процесс не отличается от описанного выше. Но вот внешний проводник… Магнитное поле внутреннего проводника наводит в его металлической толще вихревые токи. На наружной стороне полого проводника они направлены против основного тока ("срабатывает" знакомое из школьного курса физики правило буравчика) и тем самым уменьшают, ослабляют его. На внутренней поверхности полого проводника вихревые токи совпадают с основным и, естественно, увеличивают его. Таким образом, ток в полом цилиндре вытесняется не наружу, а вовнутрь коаксиальной пары. Этот эффект ученые назвали эффект близости. Он-то и является причиной, по которой электромагнитное поле концентрируется внутри коаксиальной пары и не излучается вне ее.
С ростом частоты действие эффекта близости увеличивается и поле все сильнее и сильнее концентрируется между внутренним и внешним проводниками. Именно поэтому по коаксиальным парам потоки информации могут "нестись" с колоссальной скоростью, превышающей сотни миллионов бит в секунду.
Междугородные симметричные кабели связи имеют такую же конструкцию пар, как и городские телефонные (два скрученных изолированных проводника). Однако за счет небольшого количества пар и более тщательной их изоляции удается ослабить влияние между цепями и повысить тем самым скорость цифрового потока. По междугородным кабелям связи цифры передаются со скоростью порядка 8 Мбит/с.
Растет население Земли. Строятся новые города. Нужна электрическая энергия. Возникают все новые и новые линии электропередач. Их протяженность уже превысила сотни тысяч километров. Появились сверхмощные линии электропередач с напряжением в 1 млн вольт. Растут темпы электрификации железных дорог. Более половины грузооборота в железнодорожном транспорте страны приходится на долю электровозов. Расширяется сеть таких мощных средств массовой информации, как радиовещательные станции: длинно-, средне-, коротковолновые. Их число постоянно увеличивается.
Что ж, цивилизация не стоит на месте. Но какое отношение это имеет к теме нашего разговора — к кабелям связи? Оказывается, самое непосредственное. Все эти сооружения: и линии электропередач, и электрифицированные линии железных дорог, и радиовещательные станции — излучают электромагнитные колебания. Оказывая влияние на кабельные цепи, они мешают нормальной передаче импульсов — "забивают" их. Вот уж, поистине, нелегко битам путешествовать по "медной колее"!
…Около 100 тыс. лет назад на Земле произошло великое оледенение. Затем ледники отступили: началось потепление. Но на севере Земли под слоем оттаивающей каждое лето почвы сохранилась на века мерзлота. В северном портовом городе Игарка существует весьма любопытная шахта, спускаясь в которую можно увидеть вечную мерзлоту "в разрезе". Сначала вы увидите поверхностный слой почвы (около 1,5 м), она оттаивает в летнее время и промерзает в зимнее. Затем в бурых пластах земли перед вами предстанут голубые прожилки ископаемого льда. А еще ниже — сплошные массивы льда. В этом слое обнаруживаются неожиданные находки: останки давным-давно вымерших животных, иногда даже с мясом, кожей и шерстью. Своего рода холодильник планеты, хранящий животный мир прошлого.
Вечная мерзлота, особенно ее верхние слои, оттаивающие и вновь промерзающие, — это весьма коварная и обманчивая вещь. Сила замерзающей воды огромна. Попробуйте наполнить до отказа металлический сосуд (например, домашний сифон) водой, закройте плотно пробку и выставьте на мороз. Как только вода в сифоне начнет замерзать, он взорвется подобно бомбе! Неудивительно, что даже дома в районах вечной мерзлоты строят особым способом: они лишены фундамента, их ставят на сваях.
Связистам также хорошо знакомо "коварство" вечной мерзлоты. При промерзании и оттаивании грунт, где лежит кабель, может вдруг вспучиваться или сжиматься, причем с огромной силой, достигающей 100–150 кН (10–15 т). Появляются трещины, сдвиги грунтов, которые буквально рвут подземный кабель на части. Для того чтобы кабель был прочнее, его покрывают сверху круглой проволочной броней. Но и это не всегда помогает. Велика сила стихии! Это особенно чувствуется в начале зимы и весны.
