Предпосылки цифровизации связи и появление первых систем с кодовой модуляцией

По мере развития телефонизации на этом пути возникло множество проблем. В первую очередь, это касалось использования телефонных кабелей. Эту проблему легко описать, воспользовавшись опытом Томсона (Кельвина), который при прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля вывел формулу: "Скорость телеграфирования по кабелю обратно пропорциональна квадрату его длины. Другими словами, если увеличить длину кабеля, например, в 10 раз, то скорость передачи уменьшится в 100 раз". Очевидно, что при таких условиях осуществление телефонной связи на дальнее расстояние было невозможно. Решение этой проблемы стали искать с помощью технических усовершенствований.

Начало 1900-х годов: физики Михаил Пупин и Э. Краруп предложили устанавливать на телефонных линиях специальные индуктивные катушки, способные усиливать проходящие по проводам электрические сигналы. Это позволило увеличить дальность передачи в несколько раз. Однако выяснилось, что пропускная способность кабеля (т.е., соотношение количества проходящих единиц информации в единицу времени) сокращается, вследствие повышения индуктивности. В связи с этим начались поиски замены индуктивных катушек другими видами усилительных устройств. Система динамично развивается, и результатом становится появление регенераторного усилителя (1912-1913 гг.), созданного на основе электронных ламп. С помощью регенераторного усилителя удалось установить трансконтинентальную телефонную связь между Нью-Йорком и Сан-Франциско.

В том же году русский ученый В.И. Коваленков (1884-1960) предложил использовать в качестве усилителей специального устройства - реле.

"Реле (от французского relais) - аппарат, приводимый в действие маломощным импульсом (телеграфный сигнал, параметр контролируемого процесса) и приводящий в действие, за счет энергии местного источника, более мощное устройство (приемник телеграфного аппарата, сигнальное устройство, орган управления, регулятор)". И чуть позднее началось внедрение высокочастотных коаксиальных кабелей.

"Коаксиальный кабель (от лат. "сo" - совместно и "axil" - ось) - кабель, состоящий из двух изолированных между собой концентрических проводников, из которых внешний имеет вид трубки".

Открывшиеся возможности позволили протянуть телефонную линию длиной в 8500 км (Москва-Хабаровск, 1939 г.) А к середине 60-х годов на планете было уже более 80 тысяч км телефонных линий.

Использование усилителей хотя и открыло широкие перспективы для развития телефонной связи, в то же время породило новые проблемы. Усиление затухающих электрических сигналов сопровождалось одновременным усилением возникавших на телефонной линии помех.

В связи с этим возникла идея после преобразования звуковых сигналов в электрические колебания передавать по телефонным линиям не сами эти колебания, а закодированную определенным образом информацию о них, с тем, чтобы на приемном пункте ее можно было бы раскодировать и преобразовать в первоначальные электрические колебания, а их - в звуковые сигналы. И в 1938 г. Алекс Ривс берет патент на преобразование аналоговых телефонных сигналов в набор цифр, которое получило название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Несмотря на то, что идея ИКМ была запатентована в 1938 г., до ее практического осуществления прошло не одно десятилетие. Причина этого заключается в том, что процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровые, а затем цифровых в аналоговые требует особой точности, которой удалось добиться только благодаря математике.

Так был дан старт "цифровой революции", которая сначала захватила телефонную, а затем другие средства связи.

Первая коммерческая цифровая система передачи голоса, использовавшая импульсно-кодовую модуляцию, была создана компанией Bell Systems (США) в Чикаго в 1962 г. Система позволяла организовать 24 телефонных канала и работала по медному кабелю, соединявшему офисы компании. Для организации одного телефонного канала требовался цифровой поток со скоростью 64 кбит/с. С учетом того, что 8 кбит/с требовалось для служебных целей, суммарная скорость цифрового потока составляла 1544 кбит/с. Это было уже время появления ЭВМ третьего поколения (!), принесших с собой концепцию каналов ввода-вывода с развитой системой мультиплексоров ввода-вывода, используемых для организации коммерческих сетей передачи данных. Однако только стремительное развитие микропроцессорной техники (в частности, появление первого микропроцессора фирмы Intel) сделало возможным реальное внедрение цифровых технологий в системы связи. Результатом стало широкое распространение и развитие компьютерных сетей, что дало толчок к созданию сетей передачи голоса и данных с ИКМ.