Проблема коммутации

План

Лекция 4

Телефон

1.Изобретение телефона

2.Усовершенствование телефона

3.Проблемы коммутации

4.У истоков цифровой революции

5.Оптико-волоконная связь

ЛИТЕРАТУРА

А) Обязательная

Островский А.В. История средств связи. Учебное пособие. СПб., 2009. С.63-84.

Б) Дополнительная

Ватсон Т.А. Как родился телефон // Электросвязь. 1995. №2. С.43-44.

Медведев Д.Л. Развитие техники коммутации каналов связи // Электросвязь. 2005. №4. Приложение. Электросвязь: история и современность

Яроцкий А.В. Павел Михайлович Голубицкий. М., 1976.

1. Изобретение телефона

Как уже отмечалось, человеческий голос слышен на расстоянии нескольких десятков, в лучшем случае сотен метров. Поэтому еще в далеком прошлом для его усиления был изобретен такое устройство как рупор.

Однако даже шестиметровый рупор англичанина Самюэля Морленда (1625-1695), созданный около 1670 г., позволял увеличить слышимость голоса лишь до полутора километров.

В XVI-XVII вв. появилась идея использовать для передачи звука на расстояние трубопровод. Позднее эта идея получила применение во флоте для передачи команд с капитанского мостика, например, в машинное отделение. Такую же систему передачи звука пытались создать на железных дорогах, чтобы соединить вагон начальника поезда с другими вагонами и паровозом.

«Первым акустическим индикатором электрических сигналов» стал электрический звонок, который был изобретен в середине XVIII в.. Первоначально его использовали как вызывающее устройство. Такую роль он стал играть в телеграфных аппаратах.

Первым, кто попытался использовать электричество для передачи звука, был американский изобретатель Чарльз Пейдж. В 1837 г. он сумел вызвать эффект, который назвал «гальванической музыкой». Взяв два камертона, Ч. Пейдж поместил между ними два электрода: один оставил без изоляции и подвел к первому камертону, другой присоединил в электромагниту и разместил рядом со вторым камертоном. Когда изобретатель приводил в движение первый камертон, он начинал вибрировать, то замыкая, то размыкая электрическую цепь, в результате электрический магнит соответствующим образом воздействовал на второй камертон, заставляя его вибрировать и звучать.

Это вдохновило некоторых изобретателей на создание поющего телеграфа, способного передавать музыку.

Наибольших успехов в этом отношении добился немецкий изобретатель Иоганн Филипп Рейс (1834-1874), работавший учителем в школе для глухонемых. 26 октября 1861 г. он выступил во Франкфурте-на-Майне с докладом «О телефоне посредством гальванического тока» и продемонстрировал свое изобретение.

В литературе можно встретить разные описания сконструированного им аппарата. Причина этого, по всей видимости, заключается в том, что он создал несколько его образцов.

Один из аппаратов И. Ф. Рейса представлял собою полый ящик с двумя отверстиями, перекрытыми тонкими перепонками. К первой перепонке изнутри была прикреплена металлическая пластинка, соприкасавшаяся с острием установленной рядом металлической иглы, которая была подсоединена к электрической цепи. Под влиянием колебаний упомянутая пластинка касалась острия иглы, в результате чего происходило замыкание и размыкание цепи. На другом конце этой цепи находилось приемное устройство. Оно состояло из резонансной доски, на которой была установлена проволочная спираль, а внутри нее металлическая спица. Под влиянием изменений в электрической цепи, резонансная доска вибрировала. В такт с нею вибрировали спираль и спица. При этом они издавали звук, который воспроизводила вторая перепонка.

Другая конструкция аппарата Ф. Рейса отличалась тем, что на первой перепонке вместе металлической пластинки находилась гибкая ленточка фольги, а вместо резонансной доски с проволочной спиралью и спицей использовался соленоид с сердечником, который издавал звук при перемагничивании.

Созданный И.Ф. Рейсом аппарат был способен передавать по проводам отдельные звуки и даже мелодии, но он не мог воспроизводить членораздельную человеческую речь.

Европейская научная общественность не проявила интереса к этому изобретению. Но когда его продемонстрировали в США, здесь начались поиски путей усовершенствования аппарата И.Ф. Рейса. Через несколько лет, уже после смерти изобретателя, они привели к созданию телефона.

Чтобы поющий «аппарат Рейса» «заговорил», необходимо было решить проблему, на которую обратил внимание известный немецкий ученый Герман Гельмгольц. Он пришел к выводу, что для передачи звука необходимо воспроизведение «не только его частоты, но и тембра», который «в момент полного перерыва цепи» искажается или же вообще утрачивается.

Если при телеграфировании можно было использовать прерывистые электрические сигналы, для передачи звука нужен был непрерывный электрический ток.

В связи с этим следует вспомнить, что к тому времени уже был найден способ передачи телеграфных сообщений не только с помощью замыкания и размыкания электрической цепи, но и с помощью электромагнитных колебаний. Вспомним хотя бы изобретение Г.И. Морозова.

«Первым кто, при экспериментах обнаружил способность гармонического телеграфа воспроизводить звук с сохранением тембра, - пишет А. В. Яроцкий, - был американский физик Эллайша Грей. О своем изобретении он сообщил в печати в августе 1874 г. Однако закончил разработку изобретения и подал заявку на патент лишь 14 февраля 1876 г., назвав изобретение «Устройство для передачи и приема вокальных звуков телеграфным способом».

Мы не знаем, был ли Э. Грей знаком с изобретением Г.И. Морозова, но, как и Г.И. Морозов, он использовал для преобразования звуковых колебаний в электрические жидкость.

В тот же день, но на два часа раньше заявку на изобретение телефона подал другой изобретатель Александр Белл (1847-1922).

Александр Белл (1847-1922) являлся специалистом по акустике и ораторскому искусству. Его дед был основателем ораторской школы в Лондоне, а отец профессором риторики в Лондонском университете. В 1870 г. его семья переселилась в Канаду, затем А.Белл переехал в США и в 1873 г. стал профессором вокальной физиологии в школе ораторского искусства Бостонского университета. Здесь он открыл собственную школу и стал заниматься с глухонемыми детьми.

	А. Белл		Трубка Белла

(1847-1922)

В 1875 г. Александр Белл и его помощник Томас Ватсон производили опыты, пытаясь создать «поющий телеграф». Во время одного из таких опытов, когда они находились в разных комнатах, Т. Ватсон нажал кнопку, чтобы привести в действие звонок, однако магнит притянул к себе молоточек звонка и не отпустил его. Когда Т. Ватсон оттянул молоточек от магнита рукой, в другой комнате на приемном аппарате раздался какой-то звук.

А. Белла заинтересовал этот эффект. И вскоре он понял, что совершенно случайно сделал открытие. Оказывается, чтобы превратить звуковые колебания в электрические, необязательно, чтобы мембрана замыкала и размыкала электрическую цепь. Для этого достаточно, чтобы она меняла существующее вокруг цепи электромагнитное поле.

«Понять суть открытого Белом принципа, - пишут авторы книги «История вещей», - можно, если представить постоянный магнит, в поле которого находится гибкая пластина, способная колебаться под действием звуковых волн. При приближении пластины к полюсу магнита его поле будет усиливаться, а при движении в обратном направлении – ослабевать. Это происходит вследствие электромагнитной индукции: в металлической пластине, движущейся в магнитном поле, возникает ток, создающий вокруг пластины собственное поле. Оно накладывается на поле магнита и при колебании пластины усиливает его или ослабляет».

И далее: «Поместив такой магнит в катушку с проволокой, можно обнаружить, что при колебаниях магнитного поля в нем возникает переменный электрический ток. Если его направить на обмотку другого магнита, ток будет вызывать колебания магнитного поля, полностью повторяющие колебания первого магнита. Стоит поместить у полюса принимающего магнита металлическую пластину, аналогичную той, что находится в поле передающего магнита, поле придет в движение, воспроизводя звуковые колебания».

14 февраля 1876 г. А.Г. Белл подал в Вашингтонское патентное бюро заявку на изобретение «Телеграф, при помощи которого можно передавать человеческую речь». 7 марта он получил патент, а 10 марта передал на расстояние 12 метров (по проводу, который соединял его квартиру с лабораторией на чердаке) распоряжение своему помощнику Томасу Ватсону: «Идите сюда. Мистер Ватсон. Вы мне нужны». И услышал в ответ: «Мистер Белл, я отчетливо слышу каждое произнесенное Вами слово».

2. Усовершенствование телефона

Когда Томас Ватсон говорил о том, что от «отчетливо» слышит каждое слово своего наставника, он немного лукавил, так как первый телефонный аппарат был очень несовершенен, и качество воспроизводимого им голоса оставляло желать лучшего.

Именно это было главной причиной того, почему летом 1876 г. в Филадельфии на Всемирной Выставке Столетия, которая была посвящена столетию со дня образования США, телефон А. Белла не привлек к себе особого внимания.

Но тут изобретателю помог случай. Его узнал посетивший выставку император Бразилии Педро II, незадолго перед тем побывавший в той самой школе для глухонемых, в которой преподавал А. Белл. Император не только пришел сам, чтобы познакомиться с изобретением, но и привел с собою члена жюри выставки уже упоминавшегося английского ученого Уияльяма Томсона (1824-1907), который участвовал в прокладке трансатлантического телеграфного кабеля. У. Томсон был восхищен изобретением, пригласил А. Белла в Европу и сделал ему широкую рекламу.

Авторы «Истории вещей» так описывают созданный А. Беллом телефон: «Первые аппараты, запущенные в серийное производство были устроены довольно просто. Они включали в себя постоянный магнит в форме стержня, один полюс которого окружала индукционная спираль из медной проволоки. У полюса магнита была расположена пластина из мягкого железа, служившая мембраной и соединенная с индукционной спиралью. Устройство помещалось в деревянную оправу, имевшую со стороны мембраны воронкообразное отверстие для приема звука. Индукционные спирали приемного и передаточного аппаратов были соединены в одну цепь. Такая трубка использовалась одновременно и для приема и для передачи: в нее можно было говорить и, приложив воронку к уху, слышать речь собеседника».

Если первоначально изобретение А. Белла вызвало интерес, то когда дело перешло в практическую плоскость, оказалось, что созданный аппарат настолько несовершенен, что возник даже вопрос о возможности его практического использования.

Однако значение этого средства связи было настолько велико, что десятки, если не сотни изобретателей направили свои усилия на его совершенствование. К 1900 г. было запатентовано около трех тысяч предложений.

Как отмечают специалисты, «телеграфный аппарат Белла довольно хорошо справлялся с задачей преобразования электрических сигналов в звуковые, но не мог надлежащим образом превращать звуковые волны в электрические сигналы». В связи с этим в совершенствовании прежде всего нуждался микрофон.

Одним из первых со своими предложениями на этот счет выступил Дэвид Юз (1845-1900), тот самый английский изобретатель, который в 1855 г. сконструировал буквопечатающий телеграф.

«В мае 1878 г., - пишет А.В. Яроцкий, - Д.Е. Юз доложил Лондонской королевской академии, членом которой состоял, об открытии им микрофонного эффекта. Исследуя плохие электрические контакты при помощи телефона, Юз обнаружил, что колебания плохого контакта прослушиваются в телефон [как в медицинскую трубку]. Испробовав контакты, изготовленные из разных материалов, он убедился, что эффект с наибольшей силой проявляется при применении контактов из прессованного древесного угля». Исходя из этого, Д. Юз в 1877 г. сконструировал угольный микрофон.

Он представлял собою горизонтальную пластинку, на которой вертикально были закреплены два угольных стержня, имеющие сверху желобообразные углубления. В эти углубления как перекладина помещался третий угольный стержень. Под влиянием колебаний мембраны происходило колебание горизонтальной пластины, а значит дрожание угольной перекладины. В результате она то сильнее, то слабее прикасалась к двум другим стержням. А поскольку они были включены в электрическую цепь, в местах касания происходило соответствующее изменение сопротивления, а значит, силы тока, под влиянием которой приводилась в движение мембрана в приемном устройстве.

Однако при всех достоинствах микрофон Д. Юза имел по крайней мере два недостатка: во-первых, вибрация угольных контактов вызывала искрение, которое отдавалось в телефоне потрескиванием, и чем сильнее был звук, тем сильнее были помехи, во-вторых, угольные стержни очень быстро перегорали.

Поэтому совершенствование микрофона продолжалось. Очень плодотворной оказалась идея использовать в микрофоне не угольные стержни, а угольный порошок. Представьте коробочку, которую Г. Морозов и Э. Грей наполняли водой, заполненную мелко истолченным угольным порошком. В таком микрофоне под влиянием колебаний мембраны будет происходить изменение плотности порошкового слоя, а значит, сопротивления и силы проходящего через него тока.

Вокруг вопроса о том, кто изобрел первый порошковый микрофон, до сих пор идут споры. По всей видимости, пальма первенства принадлежит известному американскому изобретателю Т. Эдисону. За свои 84 года жизни он зарегистрировал 1300 патентов. Получается, около 20 изобретений в год или два изобретения в месяц. Это наводит на мысль, что под именем Т. Эдисона творил научный коллектив.

Усовершенствованный им телефонный аппарат, кроме порошкового микрофона, имел еще несколько достоинств. Для усиления электрических колебаний в передающем устройстве была использована индукционная катушка - трансформатор. Кроме того, микрофон и принимающая телефонная трубка были включена в две разные параллельные цепи.

В отличие от Т. Эдисона русские инженеры П.М. Голубицкий (1880 г.) и Е.И. Гвоздев (1889 г.) направили свои усилия на то, чтобы усовершенствовать микрофон за счет использования электромагнитной индукции и в этом отношении добились значительных результатов.

Однако порошковый микрофон оказался дешевле и проще. С конца XIX в. он получил самое широкое распространение и использовался на протяжении почти целого столетия.

Первоначально многие смотрели на телефон лишь как на дорогую игрушку. Даже Т. Эдисон не смог сразу оценить те перспективы, которые открывало это изобретение. Дело в том, что первые телефоны могли соединять между собою только двух абонентов.

Едва ли не первым, кто поднял вопрос о необходимости сделать телефон общедоступным и предложил способ его решения, стал венгерский изобретатель Тивадар Пушкаш (1844-1893).

Его идея была невероятно проста: чтобы телефонная связь могла соединять всех абонентов, имеющих телефоны, необходимо поставить между ними соединительный центр, куда сходились бы и откуда расходились бы все телефонные линии. Такой центр получил название телефонной станции, а устройство для соединения и разъединения отдельных абонентов - коммутатор.

Проект Т. Пушкаша сводился к следующему. Он предложил вывести все телефоны на общую панель так, чтобы один провод каждого телефона шел через нее сверху вниз, другой справа налево, а затем сделать в местах пересечения проводов разных телефонов ячейки, которые можно было закрывать металлическим клинышками и таким образом соединять двух абонентов.

С этой идеей весной 1877 г. Т. Пушкаш прибыл в США. Т. Эдисон взял его к себе в помощники. Началась работа по созданию первой телефонной станции.

В ходе этой работы первоначальный проект претерпел изменения. Конструкция первого коммутатора тоже представляла панель, на которую были выведены контакты телефонов, но в строго определенном порядке. Первоначально их размещали по алфавиту, потом стали нумеровать. Абонент снимал трубку телефона, в результате чего его аппарат соединялся с коммутатором, затем называл необходимый ему телефон. После этого телефонистка брала штекер (гибкий изолированный провод в виде шнура) с двумя обнаженными концами и вставляла их в ячейки двух телефонных линий (вызывающей и вызываемой), замыкая таким образом обе линии между собой.

Считается, что первая коммерческая телефонная станция была открыта 28 января 1878 г. в городе Нью-Хэвен (штат Коннектикут). В начале 80-х годов они имелись почти во всех американских городах США, имевших население более 10 тысяч человек. На рубеже 70-8-х годов телефонные станции в Европе, а затем и в других частях света.

Первоначально даже в крупных городах абонентов было немного. Поэтому вполне достаточно было одной городской телефонной станции. Причем, как было установлено практикой, одна телефонистка, могла обслуживать не более 100 номеров.

Когда этот предел был достигнут, новые телефоны пришлось выводить на новый коммутатор и сажать за него другую телефонистку. По мере увеличения количества абонентов на телефонной станции происходило увеличение количества коммутаторов и телефонисток.

Чем больше становилось коммутаторов, тем острее вставал вопрос: как соединить два телефона, если их ячейки с контактами находятся на разных коммутаторах? Пока коммутаторных панелей было немного, их можно было располагать рядом. До какого –то момента можно было увеличивать длину соединительного штекера. Но когда счет пошел на тысячи абонентов, а значит, на десятки коммутаторов, стало очевидно, что выход из этого положения лежит на пути создания принципиально иной системы коммутации.

В результате этого появился автоматический коммутатор с декадно-шаговым искателем, создателем которого считается американский изобретатель владелец похоронной конторы А.Б. Строутжер.

Свое название этот коммутатор получила от того, что в основу поисковой системы был положен принцип объединения всех абонентов в десятки (декады), десять десятков - в сотню, десять сотен – тысячу и т.д. Этот принцип действует до сих пор. И если мы набираем семизначный петербургский номер, то первая цифра означает номер миллиона, вторая – номер сотни тысяч, третья – десятка тысяч, четвертая – тысячи, пятая – сотни, шестая десятка, седьмая номер в этой десятке.

На телефонной станции сгруппированные таким образом контакты всех телефонов стали выводить на панель (по десять на каждой) и располагать их полукругом. Над первой панелью была установлена вторая, над нею третья, четвертая и так до десяти. В результате получалось что-то вроде десятиэтажного здания. Контакты каждой сотни тоже выводились на панель (по десять на каждой), эти панели тоже размещались в десять «этажей». И так далее.

Поскольку все контакты были объединены в блоки по сто в каждом, рассмотрим, как работала эта система на примере одного из таких блоков. В в центре полукруга находилась ось, на которой параллельно к панелям крепился металлический стержень – «щетка». Над щеткой находился один электромагнит, у основания оси – другой. Когда начинал действовать первый магнит, «щетка» поднималась вверх, когда включался второй магнит, ось, а вместе с нею и щетка начинали вращаться.

Вращение оси осуществлялось с помощью специальной шестеренки, которая находилась на ней. Рядом с шестеренкой были установлены «собачка» и небольшой электромагнит. При замыкании цепи электромагнит притягивал к себе «собачку», она приходила в движение, касалась зубца шестеренку и сдвигала ее на один шаг. При размыкании цепи «собачка» возвращалась в свое прежнее положение.

Сняв трубку и соединившись с АТС, абонент набирал необходимый ему номер и тем самым соответствующее количество раз размыкал и замыкал цепь. Когда абонент набирал первую цифру, то соответствующее количество раз замыкался и размыкался первый магнит, который притягивал к себе «щетку» и на соответствующее количество шагов (этажей) поднимал ее вверх. Когда абонент набирал вторую цифру, подобным же образом включался и выключался второй магниты, который соответствующее количество раз приводил в движение «собачку», она – ось, вместе осью на определенное количество градусов поворачивалась щетка, которая останавливаясь, замыкала необходимый контакт.

Популярное описание этого механизма можно найти в книге Эмила Кондзиерски «Алло! Кто у телефона?».

Первые автоматические телефонные станции, АТС появились в США уже в конце XIX в.

Созданная в конце XIX в. система АТС существует до сих пор. Единственно, что изменилось за это время - механизм автоматической коммутации.

Получивший широкое распространение декадно-шаговый искатель имел три важных недостатка: невысокую скорость действия, низкое качество соединения и быструю изнашиваемость.

Поиски путей усовершенствования автоматической телефонной коммутации начались не позднее 1900 г. и привели к изобретению координатного искателя, который в 1915 г. запатентовал инженер Western Electric Д.Н. Рейнольдс, а в 1919 г. продемонстрировал шведский инженер Готтхильф Бетуландер. В основе этой системы коммутации лежала идея перекрестного соединения абонентов, которая была предложена еще Т. Пушкашом, с той лишь разницей, что роль соединительного клинышка стал играть автоматический искатель.

Первая АТС оснащенная координатными искателями была открыта в 1923 г. в Швеции в городе Готеборг. В 1938 г. первая координатная АТС появилась с США. Однако дальнейшее распространение координатного искателя задержала начавшаяся в 1939 г. Вторая мировая война. Только после ее окончания он постепенно стал оттеснять декадно-шаговый искатель на второй план. В нашей стране первая координатная АТС была пущена в эксплуатацию в 1957 г..

Почти одновременно с созданием координатного искателя появилась электроника, которая открыла возможность создания новой, электронной или безконтактной коммутации.

Электронный коммутатор представляет собою «электровакуумный многоконтактный переключатель, в котором переключение производится сфокусированным потоком электронов (электронным лучом), перемещаемым по контактным электродам электрическим или магнитным полем».

Однако электронные лампы стоили очень дорого. Поэтому не только декадно-шаговый, но и координатный искатель были намного дешевле электронного. В связи с этим первоначально на АТС электронными лампами стали заменять лишь отдельные детали, в результате чего сначала появились «гибридные» и только позднее полностью электронные АТС.

Первая аналоговая электронная АТС была открыта в 1965 г. в штате Нью-Джерси. Таким образом, едва завершился переход от декадно-шагового искателя к координатному, как начался переход от механического коммутирования к электронному.

Совершенствование средств коммутации способствовало постепенному расширению сети абонентов.

В 1876 г., когда телефон еще только-только появился на свет, было выпущено около тысячи телефонных аппаратов. В 1890 их количество превысило 200 тыс., в 1922 г., когда умер А.Г. Белл, их было уже около 25 млн..

Если учесть, что в то время на планете проживало 2 млрд. чел., получится, что один телефон приходился примерно на 80 человек, а если принять среднюю семью в составе 4 человек, на 20 семей.

В действительности картина была еще более скромной, так как к тому времени телефонизация захватила главным образом Америку и Европу, причем на США приходилось 13 млн. телефонов. Поэтому если здесь телефоны имела каждая вторая семья, в остальных странах телефон приходился на 150 человек. За пределами телефонизации в 20-е годы оставались почти вся Азия, Африка, Латинская Америка, Австралия.

В 1928 г. насчитывалось 30 млн. телефонных аппаратов, в 1958 –около 120 млн., в 1974 г. – 330 млн.. К этому времени население планеты увеличилось до 4 млрд. чел., а количество семей примерно до миллиарда. Следовательно, к тому времени телефонизация захватила примерно треть населения планеты.

В России первые опыт использования телефона относится к 1879-1980 гг. Только после этого, в 1881 г. был заключен контракт на телефонизацию Петербурга, Москвы, Варшавы, Одессы, и Риги.

В 1885 г. в России насчитывалось менее 2 тыс. телефонов, к 1 января 1898 г. – 22 тыс., к 1 января 1917 г. - 232 тыс.

А поскольку в 1914 г. численность населения страны (без Финляндии) составляла около 150 млн. чел., очевидно, что к этому времени телефонизация страны находилась еще в самом начале.

Революция 1917 г. и последовавшая за этим гражданская война нанесли серьезный ущерб не только промышленности и сельскому хозяйству, но и средствам коммуникации, в том числе связи. К 1 января 1921 г. количество телефонов сократилось до 127 тыс.

Предпринятые советским правительством меры привели к тому, что в 1940 г. количество телефонов превысило миллион.

Великая Отечественная война снова отбросила нашу страну назад. После ее окончания был не только восстановлен довоенный уровень, но и сделан значительный шаг вперед. В 1965 в СССР насчитывалось 4 млн. телефонов, в 1974 г. – 16 млн., в 1990 г. – 37 млн.. Если в середине 70-х годов телефоны имело около четверти населения страны, то к началу 90-х более половины.

К этому времени в завершающую стадию вступила телефонизация и других стран. В 2000 г. на планете было уже 1,5 млрд. телефонов. Если принять во внимание численность населения к этому времени – около 6 млрд. чел. и взять среднюю семью в размере 4 человек, мы получим около 1,5 млрд. семей. Следовательно, к концу XX века телефонизация была завершена.

Дата добавления: 2014-01-07