Доклад на тему «Каналы связи» (7 класс)

Введение

Сообщение, отправленное из Москвы в Хабаровск, доходит до получателя быстрее, чем человек успевает убрать телефон в карман, хотя по дороге оно преодолевает больше шести тысяч километров. На этом пути сигнал несколько раз меняет свою природу: из радиоволны, которая доходит от телефона до ближайшей вышки, он превращается в световые импульсы в стеклянном волокне, проложенном вдоль железных дорог, а у адресата снова становится радиоволной. Всю цепочку устройств и сред, по которой проходит сигнал, называют каналом связи. В учебнике технологии седьмого класса о каналах связи говорится в разделе о передаче информации, и тема эта прямо связана с тем, чем школьники пользуются каждый день.

Точнее, каналом связи называют совокупность технических средств и физической среды, по которой сигнал идёт от отправителя к получателю. Средой служит медный провод, тонкое стеклянное волокно, воздух или безвоздушное пространство над атмосферой, а сигналом электрический ток, свет или радиоволны. У человека есть свои природные каналы получения сведений о мире, и зрение с его огромным потоком образов заметно превосходит по объёму информации слух, осязание, обоняние и вкус. Технические каналы устроены сложнее, и сравнивают их прежде всего по тому, что несёт сигнал, на какое расстояние и с какой скоростью.

Технических каналов связи довольно много, но большинство из них можно свести к нескольким основным видам. Каждый вид имеет свою среду, свои достоинства и свои ограничения, и в жизни их обычно сочетают. Основные виды каналов связи с примерами их использования представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Основные виды технических каналов связи

Таблица показывает, что разные каналы дополняют друг друга. По оптоволокну можно передать огромные объёмы данных, но кабель нужно проложить, а это дорого и не везде возможно. Радиоканал не требует проводов и позволяет говорить по телефону на ходу, однако дальность его ограничена, а сигнал слабеет за стенами и в низинах. Спутник выручает там, где нет ни кабеля, ни вышек, но такая связь обходится дороже и работает с заметной задержкой.

Доклад состоит из двух глав. В первой рассматривается, как устроен канал связи и от чего зависят качество и скорость передачи информации, а во второй рассказывается о проводной, оптоволоконной, радио- и спутниковой связи и о том, как они развивались. Материалом послужили учебник технологии для седьмого класса, учебник информатики и научно-популярная литература по истории связи.

Глава 1. Канал связи и передача информации

1.1. Как передаётся информация

Общую схему передачи информации предложил в 1948 году американский инженер и математик Клод Шеннон в статье «Математическая теория связи». В этой схеме есть источник сообщения, передатчик, который превращает сообщение в сигнал, канал связи, по которому сигнал идёт, приёмник, превращающий сигнал обратно в сообщение, и получатель. На сигнал в канале действуют помехи, которые Шеннон назвал шумом. Схема оказалась настолько удачной, что ею пользуются до сих пор и для телефонного разговора, и для передачи данных с космического аппарата.

Схему Шеннона легко увидеть в обычном звонке с мобильного телефона. Источник сообщения здесь сам говорящий, передатчиком служат микрофон и электроника телефона, которые превращают голос в поток цифр и отправляют его радиоволнами на вышку, иногда стоящую за несколько километров. Дальше по кабелям сигнал добирается до вышки рядом с собеседником, и его телефон, выполняя роль приёмника, снова превращает цифры в звук. Стоит войти в лифт с металлическими стенами, как радиоволны начинают гаснуть, голос рвётся на отдельные слова, и именно так на практике выглядят помехи, о которых писал Шеннон.

Прежде чем отправить сообщение, его нужно закодировать, то есть записать в форме, которую канал способен передать. Первые электрические телеграфы показывали буквы поворотом магнитных стрелок, и телеграфисту приходилось следить сразу за несколькими стрелками. В 1830-х годах американский художник Сэмюэл Морзе вместе с механиком Альфредом Вейлем придумал код из коротких и длинных сигналов, точек и тире, и для его передачи хватало одного провода. В мае 1844 года по линии между Вашингтоном и Балтимором ушла знаменитая телеграмма из библейской фразы, и с этого дня азбука Морзе стала главным языком телеграфа почти на столетие.

В истории связи есть и важные российские страницы. Ещё в 1832 году Павел Львович Шиллинг показал в Петербурге один из первых действующих электромагнитных телеграфов, а в 1895 году Александр Степанович Попов продемонстрировал прибор для приёма электромагнитных волн, который считается одним из первых радиоприёмников. День этой демонстрации, 7 мая, в России отмечают как День радио. С этих изобретений началась история проводной и беспроводной связи, о которой подробнее рассказано во второй главе.

1.2. Помехи и скорость передачи

Качество канала связи оценивают несколькими показателями. Главный из них пропускная способность, то есть количество информации, которое канал может передать за секунду. Её измеряют в битах в секунду, а для современных каналов в мегабитах и гигабитах. Обычная медная телефонная линия в 1990-х годах позволяла выходить в интернет со скоростью до 56 килобит в секунду, а одно современное оптическое волокно способно передавать терабиты, то есть в миллионы раз больше.

Вторым показателем служит задержка, время, за которое сигнал проходит от отправителя до получателя. Радиоволны и свет распространяются очень быстро, и на земных расстояниях задержка почти незаметна. Иначе обстоит дело со спутниками на геостационарной орбите, которые висят над экватором на высоте около 36 тысяч километров. Сигнал должен подняться до спутника и вернуться обратно на Землю, и этот путь длиной около 72 тысяч километров занимает почти четверть секунды. Как различается время прохождения сигнала по разным каналам, показано на рисунке 1.

По рисунку видно, что по кабелю и по радио сигнал проходит тысячу километров за несколько тысячных долей секунды, а через геостационарный спутник ему требуется в десятки раз больше времени. В телефонном разговоре через такой спутник собеседники замечают паузу и начинают перебивать друг друга, а в онлайн-играх задержка сказывается ещё сильнее. Поэтому для интернета всё чаще используют спутники на низких орбитах, высотой в несколько сотен километров, где задержка гораздо меньше.

Третий показатель помехоустойчивость, то есть способность канала сохранять сигнал, несмотря на шум. Медный кабель чувствителен к электрическим помехам от моторов и линий электропередачи, радиосигнал ослабевает за стенами и в грозу, а оптоволокно электромагнитным помехам почти не подвержено, потому что по нему идёт свет. Чтобы ошибки при передаче не испортили сообщение, к нему добавляют проверочные данные, и приёмник по ним находит и исправляет искажения. Так работает почти вся современная цифровая связь, от сотовых телефонов до спутникового телевидения.

Все три показателя приходится учитывать вместе, и в жизни выбор канала всегда оказывается компромиссом. Оптоволоконная линия быстра и надёжна, но её прокладка через тайгу или горы обходится очень дорого и занимает годы. Радиоканал можно развернуть за несколько дней, поставив вышки, однако каждая вышка обслуживает лишь ограниченное число абонентов. Спутник покрывает сразу огромную территорию, от Арктики до открытого океана, но за это приходится платить задержкой и высокой стоимостью оборудования, поэтому инженеры почти всегда строят сети, где разные каналы работают вместе.