12 разговоров | ТМ 1940-06

Статья инженера А. Морозова с рисунками Л. Смехова описывает разработку двенадцатиканальной системы телефонирования, внедрённой в комсомольско-молодёжной лаборатории Научно-исследовательского института связи. Система позволяет передавать одновременно двенадцать разговоров по одной паре проводов, что значительно сокращает количество необходимого кабеля для междугородной связи и освобождает медь для других отраслей.

Основой технологии является использование высокочастотных токов для разделения сигналов по одному проводнику. Благодаря модуляции разговорных сигналов на несущую частоту, система обеспечивает параллельную передачу нескольких каналов без помех. Для этого применяются фильтры, усилители и другие устройства, что позволяет поддерживать высокое качество связи даже на длинных линиях.

Новая система применима не только для телефонирования, но и для передачи фототелеграмм, телеграфирования и широковещания. Она также может оказать важное значение в военное время, обеспечив высокую оперативность и надёжность связи в критических условиях.

---

Инж. А. МОРОЗОВ, Рисунки Л. СМЕХОВА

В Научно-исследовательском институте связи комсомольско-молодёжная лаборатория аппаратуры для многократного телефонирования завоевала переходящее красное знамя института. Недавно она закончила разработку двенадцатиканальной системы телефонирования по проводам. По одной паре проводов смогут одновременно разговаривать двадцать четыре человека — двенадцать на одном конце провода и столько же на другом.

Новая система в несколько раз сократит число проводов на междугородных линиях. В нашей необъятной стране даже пара проводов, соединяющая два отдельных города, нередко весит несколько тысяч тонн металла. Понятно, что применение двенадцатиканальной системы освободит громадные количества меди для тех отраслей народного хозяйства, где она крайне необходима.

В чем же секрет этой замечательной системы, позволяющей вести по одной двухпроводной линии сразу двенадцать разговоров? Как они не мешают друг другу? Почему каждый разговор приходит только к тому абоненту, к которому он адресован?

Живя на даче, доктор глубокомысленных наук Арк-Синус захотел поговорить со своим сыном по телефону. Для этого они решили воспользоваться линией междугородной связи, проходившей поблизости. Одновременно присоединились они к проводам, по которым уже шёл разговор. Но, к удивлению доктора, вместо голоса сына из репродуктора его супертелефонного аппарата послышалось какое-то рычание и хрип.

Представим себе, что произойдёт, если просто включить двадцать четыре аппарата в одну линию. Иногда во время разговора между двумя собеседниками вдруг вмешивается третий, случайно присоединившийся к той же линии. В таких случаях в телефоне возникает хаос звуков. Это явление вполне объяснимо. Известно, что звуковые колебания мембраны, сдавливая угольный порошок микрофона, то уменьшают, то увеличивают его сопротивление и тем самым изменяют силу, тока в цепи. Эти изменения силы тока передаются на другой конец провода и вызывают, в свою очередь, колебания мембраны телефона (слуховой трубки). Мембрана телефона в точности воспроизводит звуки, воспринятые микрофоном. Но если по одному проводу передавать одновременно несколько разговоров, то изменения электрического тока, вызванные ими, будут влиять друг на друга, сильно искажая речь.

Легко представить, какой звуковой хаос создался бы в телефоне, если бы в одну линию были включены двадцать четыре аппарата! Значит, необходимо разделить пути двенадцати разговоров, создать в одном и том же проводе как бы двенадцать изолированных друг от друга проводов, направить каждый разговор по отдельному каналу. Но как это сделать?

Разберём сначала более простой случай. Известно, что высоковольтную линию, по которой идёт промышленный ток, можно использовать и для телефонной связи. Это объясняется тем, что переменные токи, частоты которых отличаются друг от друга, могут одновременно проходить по проводу, не мешая один другому. Их можно легко разделить на приёмных концах линии.

Неудача не обескуражила доктора. Он решил использовать для связи с сыном высоковольтную магистраль. Забрав с собой аппарат, доктор влез на мачту и попытался накинуть телефонный шнур на провод, по которому шёл ток высокого напряжения. Последствия этого опрометчивого поступка были ужасны: громадная искра сбросила доктора с лестницы, едва не испепелив его.

В обычной телефонной сети пользуются электрическими токами, частота колебаний которых соответствует звуковым и лежит в пределах от 200 до 4000 герц (1 герц равен 1 колебанию в секунду). А по высоковольтной магистрали проходит мощный промышленный ток, частота которого значительно ниже и не превышает обычно 50—60 герц. Благодаря такой разнице в частотах промышленный и телефонные токи могут идти одним и тем же путём до места назначения — моторов, электрических ламп, телефонных аппаратов. Остаётся только в нужном пункте снова отделить один ток от другого.

Для этой цели существуют так называемые фильтры, известные всем радиолюбителям. Фильтры делаются обычно из конденсаторов и катушек проволоки, называемых дросселями. Конденсаторы, состоят из комбинации металлических пластинок, разделённых небольшими промежутками — воздухом или не проводящими тока материалами. Высокочастотные токи легко проходят через конденсатор, в то время как для тока промышленной частоты эти небольшие разрывы пути оказываются непреодолимой преградой. Дроссельная катушка обладает как раз обратным свойством. Для высокочастотных токов её сопротивление очень велико, но низкочастотные промышленные токи, так же, как и постоянные, проходят через неё свободно.

Оправившись от катастрофы, доктор Арк-Синус решил поглубже изучить происходящие явления. Он узнал, что разговорный ток сильно отличается от промышленного по частоте. Это позволяет легко разделять их с помощью конденсаторов и дросселей. Доктор увидел, что низкочастотные колебания промышленного тока легко проходят через дроссель, но задерживаются конденсатором. Конденсатор же легко пропускает высокочастотные токи, в то время как дроссель оказывается для них непреодолимой преградой.

Фильтр, сделанный из конденсаторов и дросселей, устанавливается на пути обоих токов в том месте, где от высоковольтной магистрали ответвляется телефонная линия. Дроссельную катушку помещают на магистрали сейчас же за ответвлением. Телефонные токи задерживаются ею и уходят в ответвление. В то же время промышленный ток продолжает идти по магистрали и не может свернуть в телефонную линию, потому что в месте ответвления установлен конденсатор.

*

Электрические фильтры могут разделить только такие переменные токи, частоты которых отличаются друг от друга. Между тем микрофонные токи, которыми пользуются для телефонных разговоров, по своим частотам должны быть одинаковы, так как для хорошей передачи речи требуется определённый звуковой диапазон — от 200 до 3600 герц. Понятно, что никакого разделения микрофонных токов с помощью одних «электрофильтров» произвести нельзя.

Здесь приходят на помощь токи высокой частоты, играющие совершенно особую роль.

Высокой частотой обычно называется частота, уже не улавливаемая человеческим ухом — примерно от 20 тыс. герц. Радиотехника с первого дня своего «рождении» пользуется колебаниями высокой частоты. Чем короче волна, тем больше частота колебаний, передаваемых радиостанцией. Но даже длинные волны, применяемые в радио, обладают весьма большой частотой колебаний — свыше 100 тыс. герц. А частота коротких радиоволн доходит до 20 млн. герц и выше. На таком огромном диапазоне может расположиться множество радиостанций, которые не будут мешать друг другу. Остаётся лишь разделить посылаемые радиоволны в приёмнике, что и делается с достаточной точностью с помощью «настройки» теми же конденсаторами и дросселями.

Такими же высокочастотными, или, как их иначе называют, быстропеременными, токами можно пользоваться и для телефонных разговоров. Для этой цели токи посылаются не в антенну, а пускаются по проводам телефонных линий. Американцы часто так и называют многоканальное телефонирование «радиопередачей по проводам».

Но быстропеременные токи сами по себе не могут вызвать звуковых колебаний мембраны: частота их колебаний для этого слишком велика. Их роль заключается лишь в том, чтобы быть своеобразным «транспортом» и принести на себе след от разговорных токов, создаваемых микрофоном. Вот почему быстропеременные токи и называются токами «несущей» частоты.

Процесс воздействия разговорных токов на токи несущей частоты можно уподобить записи речи на патефонные пластинки. Звуки, вызывая колебания записывающей иглы, создают на восковой пластинке «звуковую канавку» определённого очертания. Таким образом, восковая пластинка (а потом и сделанные с неё копни) «несёт» на себе записанные звуки. В многоканальной связи токи несущих частот играют роль воска, а «иглой» служат разговорные токи, создаваемые колебаниями мембраны в микрофоне. Они как бы меняют форму несущей волны, на которой, таким образом, получается точная запись звуков.

Освоив передачу разговоров по высоковольтной магистрали, доктор приступил к «уплотнению» телефонных проводов. Он решил пустить по одной телефонной пинии двенадцать разговоров. Это ему удалось сделать, когда он воспользовался высокочастотными токами. При помощи модулятора доктор накладывал на несущую частоту токи разговорных частот.

В сильно упрощённом виде этот процесс воздействия микрофона на токи несущих частот можно представить следующим образом. На передаточной станции работает генератор высокой частоты. Последовательно с ним, через промежуточные устройства, включён микрофон. Ток, вырабатываемый генератором, попадает в телефонную линию лишь после того, как пройдёт через микрофон. Пока микрофон остаётся в покое, его сопротивление не меняется, и высокочастотные токи поступают в линию неизменными. Но вот перед микрофоном начали говорить, мембрана заколебалась под ударами звуковых волн. В точном соответствии с звуковыми колебаниями меняется сопротивление угольного порошка в микрофоне, а в результате меняется и ток, идущий через микрофон. Таким образом, в линию попадает ток, несущий на себе точный отпечаток речи, произнесённой перед микрофоном.

Такая электромагнитная высокочастотная волна с отпечатком низкочастотных колебаний называется модулированной, а весь процесс — модуляцией.

Но вот модулированные волны, пробежав сотни и тысячи километров по проводам междугородной линии, достигли аппаратуры приёмной станции. Чтобы теперь воспроизвести звуки, которые на них записаны, надо снова отделить друг от друга несущую и разговорную частоты. Быстропеременный ток, хотя бы и несущий на себе следы звуковых колебаний, не может непосредственно заставить «говорить» мембрану телефона.

Чтобы заставить мембрану дрожать в такт со звуковыми колебаниями, надо выпрямить быстропеременные токи, поступающие с линии, сделать их токами одного направления — положительного или отрицательного. Только тогда мембрана телефона не будет «заторможена» колебаниями звуковых частот, одновременно действующими на неё в противоположных направлениях.

Вот почему на пути высокочастотных модулированных колебаний ставят кристаллический или ламповый детектор — прибор, который пропускает электрический ток только одного направления.

Модулированные токи не были слышны в телефоне. С помощью катодной лампы доктор демодулировал их, пропустив в аппарат только постоянный ток, — и телефон заговорил.

Так, в общих чертах, происходит передача звуков с помощью высокочастотных токов.

*

Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания с частотой от 16 и до 20 тыс. герц. Но, чтобы передать обыкновенную речь, достаточно пользоваться сравнительно небольшим диапазоном — от 200 до 3600 колебаний в секунду. Этот диапазон и определяет собой «полезную ширину» каждого канала в телефонной передаче. Но, для того чтобы разговоры, идущие по одному проводу, как можно меньше влияли друг на друга, ширина канала, отведённого для каждого разговора, берётся с большим «запасом» и захватывает диапазон в 4 тыс. герц.

В новой многоканальной системе передача начинается с 64 тыс. герц. На эту несущую частоту действуют, как было выше сказано, колебания звуковой частоты, диапазон которых составляет 4 тыс. герц. При этом получаются две так называемые «боковые полосы». Одна полоса, верхняя, создаётся суммой высокочастотных и звуковых колебаний, а другая, нижняя, — их разностью. В нашем примере верхняя боковая полоса будет лежать в пределах от 64 тыс. до 68 тыс. колебаний в секунду, а нижняя займёт частоты от 60 тыс. до 64 тыс. герц. В двенадцатиканальной системе пользуются нижней боковой полосой частот, которая и посылается в линию.

Для второго разговора берётся несущая частота в 68 тыс. герц, нижняя полоса которой, полученная в результате модуляции, будет лежать в пределах от 64 тыс. до 68 тыс. герц. Таким образом, для двенадцатого канала понадобится несущая частота в 108 тыс. герц.

Так в каждом проводе многоканальной телефонной линии вместе, но не мешая друг другу, бегут двенадцать модулированных волн. Эти двенадцать невидимых каналов, разделённых электрическими фильтрами, действуют столь же исправно, как двенадцать отдельных пар проводов.

*

Чтобы осуществить принцип многократного телефонирования на практике, понадобилась чрезвычайно сложная комбинация очень точных и тонких аппаратов. В двенадцатиканальной системе множество всевозможных фильтров. Как автоматические двери, открываются они перед одними разговорами и наглухо захлопываются перед другими, не позволяя им сбиться со своего направления.

Познакомимся вкратце с некоторыми из этих многочисленных приборов.

Многоканальная система — это «дальнобойная связь». На коротких расстояниях дешевле и проще провести лишнюю пару проводов. Но длинная линия обладает большим сопротивлением и представляет много побочных путей для тока. Сигналы, передаваемые с одного конца линии на другой, приходят настолько ослабленными, что их трудно было бы разобрать. Поэтому длинная телефонная линия всегда разбивается на отдельные участки, снабжённые усилительными пунктами. Подобно тому как на длинных водопроводных магистралях устраивают станции для подкачки, так и здесь при помощи особых устройств усиливают передаваемые сигналы и посылают их дальше.

Усилители для многоканальной системы должны быть очень мощными, вносить минимальное количество искажений и отличаться большой устойчивостью действия. Таких приборов в системе немало. Одни из них рассчитаны только на узкие, строго определённые полосы частот, другие же усиливают весь спектр колебаний, проходящих по линии.

Потери энергии, неизбежные на длинных линиях, в большой степени зависят от метеорологических условий. Они сравнительно невелики в сухую погоду, но достигают громадной величины во время тумана, гололёда, инея. Сообразно с этим усиление на промежуточных станциях должно то увеличиваться, то уменьшаться. Раньше такая регулировка производилась вручную, но в двенадцатиканальной системе она выполняется при помощи автомата. Маленькая стрелка измерительного прибора неустанно следит за всеми колебаниями напряжения. Если потери усиливаются и напряжение заметно понижается, стрелка отбрасывается к одному из контактов. Если погода изменяется и потери делаются меньше, стрелка переходит к другому контакту. Прикасаясь к контактам, стрелка вызывает работу маленького магнитного механизма, который включает или выключает звенья добавочного сопротивления и тем самым «выравнивает» напряжение в линии. Автомат реагирует на малейшие отклонения от нормы. Достаточно напряжению упасть на 5%, и регулирующий механизм приходит в действие.

В многоканальной системе на каждом конце линии установлен лишь один генератор, дающий быстропеременные токи различных частот. Этот генератор должен работать образцово. Малейшая его неточность грозит нарушить правильность передачи по всем двенадцати каналам. Различные токи, необходимые для модуляции и демодуляции, вырабатываются этим же генератором и разделяются с помощью фильтров.

Строгая неизменность несущих частот — основное условие правильной работы системы. Поэтому генератор несущих частот снабжается кварцевым стабилизатором частоты. Этот кусок кварца, вырезанный особым образом, представляет собой самую нежную, чувствительную деталь генератора. Его помещают в стеклянном запаянном баллоне, чтобы защитить от изменений атмосферного давления. Кварц надо предохранить также от влияний температуры; для этой цели его заключают в термостат, в котором постоянно поддерживается одна и та же температура.

*

Комсомольцам лаборатории аппаратуры для многократного телефонирования пришлось рассчитать и скомбинировать в единую сложную систему десятки всевозможных приборов: усилителей, модуляторов, демодуляторов, дросселей, конденсаторов, автоматических приспособлений, трансформаторов...

Всевозможные приборы сложной двенадцатиканальной системы уже были опробованы работниками лаборатории на междугородной линии Москва—Калинин. Иногда для проверки действия того или иного аппарата два московских абонента соединялись между собой по этой же линии через Калинин. Звуки при этом передавались особенно чисто. Москвичи вели разговор, не подозревая, что их голоса «путешествуют» на токах несущей частоты, в Калинин и возвращаются обратно, делая крюк в 300 с лишком километров.

Изучив свойства переменных токов, доктор уже смело использовал высоковольтную магистраль для телефонной связи. Установив фильтр, состоящий из комбинации конденсатора с дросселем, доктор присоединил свой телефон к проводам высокого напряжения. Ток промышленной частоты задерживался конденсатором и не мог попасть в аппарат, в то же время разговорные токи легко проскакивали через это препятствие, и доктор мог говорить по этой необычной телефонной линии.

Двенадцатиканальная система отличается исключительной гибкостью. Она универсальна и может быть применена для любого вида связи. По одному или нескольким, разговорным каналам можно, например, передавать фототелеграммы. По тому же проводу наряду с разговорами можно передавать широковещание. Для этого потребуется лишь соединить два разговорных канала, так как передача музыки и пения требует более широкого диапазона частоты: не в 4 тыс., а в 7 тыс. герц. Наоборот, для обычного телеграфирования диапазон в 4 тыс. герц оказывается слишком «широким». Заняв один из двенадцати каналов, можно одновременно передавать по нему десятки телеграмм.

Новая система многоканального телефонирования будет иметь огромное значение, не только в мирной обстановке — она окажет неоценимые услуги и в военное время. Хорошая связь, осуществлённая по последнему слову техники, является залогом высокой организованности и оперативности в тылу и на фронте. В этом заключается оборонное значение той научной победы, которую одержали сотрудники комсомольско-молодёжной лаборатория многоканального телефонирования.